本發(fā)明提供了一種摩擦表面生長石墨烯的宏觀超滑方法，屬于宏觀潤滑技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在人們的生活中，摩擦隨處可見。據(jù)報(bào)道，摩擦和磨損導(dǎo)致的損失占到國民生產(chǎn)總值的2-7％，汽車中燃料的近1/3用于克服摩擦力而消耗，磨損的產(chǎn)生極大地降低了機(jī)械部件的服役壽命。摩擦及其引發(fā)的磨損，對當(dāng)今世界范圍內(nèi)的能源、環(huán)境、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等層面都有著巨大影響。摩擦力降低20％，由于節(jié)省能源和環(huán)境保護(hù)的效應(yīng)，對消費(fèi)經(jīng)濟(jì)將起到巨大的影響作用。因此，在同樣的工況下，降低機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程中摩擦副間的摩擦力，減小摩擦副表面間的摩擦系數(shù)，是國際上的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。

近幾年來的超滑技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注，取得了很好的進(jìn)展，但超滑尺度也僅僅局限于微米級甚至納米級，難以在實(shí)際的看得見的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件上應(yīng)用，因此實(shí)現(xiàn)表面宏觀超滑是極其困難的，也是國際摩擦學(xué)、先進(jìn)制造、能源、物理、化學(xué)、材料等領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。

石墨烯作為一種新型的二維碳材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，在強(qiáng)外載條件下不易受到破壞，因?yàn)槭觾?nèi)具有超強(qiáng)的c-c共價(jià)鍵作用，使得碳原子之間的連接十分柔韌，當(dāng)施加外力作用時(shí)碳原子面發(fā)生彎曲變形，而碳原子之間不必重新排列就可以保持良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。同時(shí)，其具有原子尺度的厚度和低剪切強(qiáng)度的層狀結(jié)構(gòu)、高的機(jī)械強(qiáng)度、低的表面能，以及在苛刻環(huán)境下的化學(xué)穩(wěn)定性。另外，石墨烯具有在干濕條件下，摩擦系數(shù)相同的特性，這點(diǎn)極其難得，因此，石墨烯是一種宏觀超滑的具有重大潛在應(yīng)用價(jià)值的材料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種摩擦表面生長石墨烯的宏觀超滑方法，屬于宏觀潤滑技術(shù)領(lǐng)域。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種摩擦表面生長石墨烯的宏觀超滑方法，步驟如下：

采用化學(xué)氣相沉積方法在摩擦副表面和潤滑顆粒表面生長多層石墨烯，實(shí)現(xiàn)宏觀超滑，步驟如下：

1)摩擦副表面的材質(zhì)為石英、銅或鎳；摩擦副配對表面的材質(zhì)為高定向熱解石墨、二硫化鉬、二硫化鎢、生長石墨烯的石英、生長石墨烯的銅或生長石墨烯的鎳；

2)潤滑顆粒為石英、銅或鎳；

3)將摩擦副和潤滑顆粒用丙酮超聲清洗10-30min；

4)清洗后的摩擦副或潤滑顆粒放入等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積管式爐內(nèi)，通入氫氣，氣體流量為10-100sccm，40-60min升溫至600-1000℃，通入甲烷作為生長前驅(qū)體，氣體流量為10-100sccm，射頻功率為150-500w，生長時(shí)間為20-60min，生長完成后，自然冷卻到室溫；生長的石墨烯層數(shù)為1-10層；

5)潤滑顆粒和摩擦副均生長完成后，將潤滑顆粒均勻覆蓋在摩擦副表面、配對表面間，測量摩擦系數(shù)；

6)測量設(shè)備為微力摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，施加載荷為1mn-1n，摩擦距離為0.5-2mm，擺動(dòng)頻率為0.1-2hz；在室溫條件下，經(jīng)過800-1000s的測試，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.003-0.008。

所述的潤滑顆粒的粒徑為0.5-100μm，單一粒徑或不同粒徑組合。

所述的潤滑顆粒為球形、橢圓形或多面體。

摩擦副表面生長石墨烯材料為石英、銅或鎳。高定向熱解石墨是經(jīng)高溫處理，性能接近單晶石墨的一種新型石墨，它具有典型的層狀結(jié)構(gòu)，在外力作用下可以裂解為石墨烯片，實(shí)驗(yàn)證明高定向熱解石墨具有超潤滑的基本特征。二硫化鉬同樣是一種二維材料，層間結(jié)合力為范德華力，是重要的固體潤滑劑，在減摩潤滑方面有廣泛的應(yīng)用。石英、銅和鎳為現(xiàn)有化學(xué)氣相沉積生長石墨烯應(yīng)用最廣泛的三種材料。由于碳在銅內(nèi)的溶解度小，所以石墨烯在銅上的形核和生長的機(jī)制主要是表面催化裂解和成核生長，故在銅表面可以生成高質(zhì)量的單層石墨稀。而對于鎳，碳在其中的溶解度較大，所以生長機(jī)制主要是溶解-析出，因此在其表面主要生成多層石墨烯。然而，多層石墨烯在摩擦過程中，對于石墨烯薄膜的磨損有一定的緩沖作用。在等離子的催化下，可以在石英表面生成多層石墨烯，而且石墨烯與石英表面間的結(jié)合力較強(qiáng)，可以減少在摩擦過程中石墨烯薄膜的破壞。

摩擦副配對表面為高定向熱解石墨、二硫化鉬、二硫化鎢、或者生長石墨烯的石英、銅或鎳。實(shí)現(xiàn)超滑的關(guān)鍵因素是摩擦?xí)r摩擦表面間要實(shí)現(xiàn)層間滑移，即實(shí)現(xiàn)范德華力作用，而不是表面的懸掛鍵導(dǎo)致的化學(xué)鍵接觸，因此選擇容易實(shí)現(xiàn)層間滑移具有范德華力摩擦的材料，如高定向熱解石墨、二硫化鉬、二硫化鎢以及容易生長石墨烯的石英、銅和鎳。

潤滑顆粒為石英、銅或鎳。這三種材料容易在表面生長石墨烯，因此選擇作為摩擦潤滑顆粒來生長石墨烯。

潤滑顆粒的粒徑為0.5-100μm，單一粒徑或不同粒徑組合。粒徑太小容易團(tuán)聚，并且在摩擦過程中容易堆積，從而增大摩擦系數(shù)，顆粒間的縫隙相對較小，在生長石墨烯的過程中，會(huì)有石墨烯未全部將顆粒包裹起來的現(xiàn)象；粒徑太大，摩擦副表面與顆粒的接觸面積減小，應(yīng)力增大，加劇了石墨烯薄膜的磨損。不同粒徑組合，有利于在不同的部分均有潤滑顆粒，并且實(shí)現(xiàn)承載力的有效分散，從而更容易實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)摩擦。

潤滑顆粒為球形、橢圓形或多面體。這三種形狀在摩擦的過程中使得潤滑顆粒發(fā)生滾動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)，從而減少摩擦力。而球體的表面光滑連續(xù)，沒有凸起以及凹坑，有利于摩擦過程的平穩(wěn)。

將摩擦副和潤滑顆粒用丙酮超聲清洗，時(shí)間為10-30min。摩擦副以及潤滑顆粒用丙酮超聲清洗并烘干干燥，由于丙酮的去污能力強(qiáng)，可以溶解大部分有機(jī)物，且沸點(diǎn)低易揮發(fā)，便于清洗后烘干干燥。因此，選擇丙酮作為清洗劑。超聲清洗的時(shí)間過短，污染難以清洗干凈；時(shí)間過長，清洗下的污染容易污染到清洗表面，因此，選擇10-30min為宜。

清洗后的摩擦副或潤滑顆粒放入等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積管式爐內(nèi)，通入氫氣，氣體流量為10-100sccm，40-60min升溫至600-1000℃，通入甲烷作為生長前驅(qū)體，氣體流量為10-100sccm，射頻功率為150-500w，生長時(shí)間為20-60min，生長完成后，自然冷卻到室溫。氫氣流量過低，會(huì)導(dǎo)致摩擦副以及微米顆粒表面的氧化物還原不完全，影響石墨烯的生長質(zhì)量；氫氣流量過高，則會(huì)對石墨烯表面產(chǎn)生大量的缺陷和褶皺。甲烷濃度過低，會(huì)導(dǎo)致碳原子的濃度過低，摩擦副或者潤滑顆粒表面上不能形成完整的石墨烯薄膜；甲烷濃度過高，則會(huì)增加石墨烯的厚度，并生成無定形碳。溫度或者射頻功率過低，甲烷不能完全裂解成碳原子，會(huì)形成ch、ch2、ch3等含氫官能團(tuán)，使生成的石墨烯雜化，不利于高質(zhì)量石墨烯的形成；溫度或射頻功率過高，會(huì)增加石墨烯的生長層數(shù)，且產(chǎn)生的高能等離子會(huì)破壞已生成的石墨烯，增加石墨烯表面的缺陷，影響石墨烯的生長質(zhì)量。生長時(shí)間低于10min，會(huì)導(dǎo)致石墨烯生長不完整，不能形成連續(xù)的石墨烯膜；生長時(shí)間過長，會(huì)增加石墨烯的厚度，同時(shí)由于等離子的存在會(huì)破壞已生成石墨烯，增加石墨烯表面的缺陷，影響石墨烯的生長質(zhì)量。

生長的石墨烯層數(shù)為1-10層。層數(shù)為1-2層左右時(shí)，石墨烯薄膜在摩擦過程中易破損破壞，從而使摩擦力增大；層數(shù)大于10層時(shí)，稱作為薄層石墨，喪失了石墨烯在干濕度條件下摩擦系數(shù)不變的特性，并且摩擦系數(shù)也同樣會(huì)增大。

生長完成后，將潤滑顆粒均布在摩擦副上、下表面之間，測量摩擦系數(shù)。將生長石墨烯的潤滑顆粒均布于摩擦副之間，形成摩擦副。

測量設(shè)備為微力摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，施加載荷為1mn-1n，摩擦距離為0.5-2mm，擺動(dòng)頻率為0.1-2hz。微力摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，由于超滑的橫向力相對于法向力非常小，難以測量，因此選擇壓電陶瓷作為橫向加載力，摩擦距離相對較短，但是也是在宏觀mm范圍，頻率較低，從而獲得橫向力的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)超滑摩擦系數(shù)的測量。

在室溫條件下，經(jīng)過800-1000s的測試，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.003-0.008之間。超滑的量級為0.001，穩(wěn)定超滑一般在500s以上，因此選擇800-1000s。摩擦系數(shù)為0.003-0.008，確認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了表面生長石墨烯的宏觀超滑。

本發(fā)明的有益效果：采用化學(xué)氣相沉積方法在摩擦副表面和潤滑顆粒表面生長多層石墨烯，實(shí)現(xiàn)宏觀超滑。該方法是采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備以甲烷為前驅(qū)體在摩擦副表面制備多層石墨烯，并在其間均勻分布以同樣方法在表面生長石墨烯的微米顆粒作為潤滑顆粒，利用石墨烯層間弱結(jié)合力，易剪切的特性，從而達(dá)到減小摩擦力，降低摩擦系數(shù)，實(shí)現(xiàn)宏觀超潤滑。

附圖說明

圖1為摩擦表面生長石墨烯的宏觀超滑系數(shù)圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

實(shí)施例1：

將石英摩擦副用丙酮超聲清洗并干燥烘干，超聲清洗時(shí)間為10min；將摩擦副放入等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備石英爐管中，在氫氣(20sccm)氛圍下在50min內(nèi)升溫至800℃，射頻功率調(diào)至250w，通入甲烷前驅(qū)體(16sccm)進(jìn)行石墨烯的生長，生長時(shí)間為30min；生長完成，冷卻至室溫，取出摩擦副；將摩擦副置于試驗(yàn)機(jī)，壓力調(diào)整為50mn，擺動(dòng)幅度2mm，擺動(dòng)頻率0.1hz，啟動(dòng)主機(jī)，測得摩擦系數(shù)為0.15。在未生長石墨烯且未加有任何微米顆粒的工況下，測得的摩擦系數(shù)為0.35。

實(shí)施例2：

將石英摩擦副以及潤滑顆粒用丙酮超聲清洗，超聲清洗時(shí)間為10min；摩擦副以及潤滑顆粒分別放入等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備石英爐管中，潤滑顆粒的平均粒徑為10μm，在氫氣(20sccm)氛圍下在50min內(nèi)，升溫至800℃，射頻功率調(diào)至150w，通入甲烷前驅(qū)體(16sccm)進(jìn)行石墨烯的生長，生長時(shí)間為30min；生長完成，冷卻至室溫，取出摩擦副以及潤滑顆粒，將潤滑顆粒均勻分布于摩擦副表面；將摩擦副置于測試試驗(yàn)機(jī)，壓力調(diào)整為50mn，擺動(dòng)幅度2mm，擺動(dòng)頻率0.1hz，啟動(dòng)主機(jī)，測得摩擦系數(shù)為0.01。

實(shí)施例3：

將石英摩擦副以及潤滑顆粒用丙酮超聲清洗，超聲清洗時(shí)間為10min；摩擦副以及潤滑顆粒分別放入等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備石英爐管中，潤滑顆粒的平均粒徑為10μm，在氫氣(20sccm)氛圍下在50min內(nèi)，升溫至800℃，射頻功率調(diào)至250w，通入甲烷前驅(qū)體(16sccm)進(jìn)行石墨烯的生長，生長時(shí)間為30min；生長完成，冷卻至室溫，取出摩擦副以及潤滑顆粒，將潤滑顆粒均勻分布于摩擦副表面；將摩擦副置于測試試驗(yàn)機(jī)，壓力調(diào)整為50mn，擺動(dòng)幅度2mm，擺動(dòng)頻率0.1hz，啟動(dòng)主機(jī)，測得摩擦系數(shù)為0.005。