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题名	石墨烯基二维材料宏观摩擦学行为及其润滑机制研究
作者	高雪
答辩日期	2020-08-28
文献子类	博士
授予单位	中国科学院大学
授予地点	北京
导师	李红轩 ; 吉利
关键词	石墨烯基二维材料 宏观尺度 摩擦学行为 润滑机制 定序层状结构 Graphene-based two-dimensional materials Macro-scale Tribological behavior Lubricating mechanism Ordered layered structure
学位名称	理学博士
学位专业	物理化学
英文摘要	以石墨烯为代表的二维材料展现出良好的摩擦学性能，如在微观接触尺度具有超润滑性能，在宏观接触尺度展现出独特的自定序特性，有望成为一种优异的新型润滑材料。目前石墨烯摩擦学性能的研究主要集中在微纳接触尺度上，宏观接触尺度的研究才刚刚起步，系统研究石墨烯宏观摩擦学性能以及润滑机制对工程应用十分必要。本文采用喷涂法制备了多种石墨烯基二维材料涂层，考察了官能团、缺陷等内在结构因素以及湿度、气氛等外在环境因素对其摩擦学行为的影响，探讨了石墨烯基二维材料在宏观接触条件下的润滑与动态失效机制，并结合石墨烯与二硫化钼纳米片的异质复合设计，以期实现其在多环境下的良好摩擦学性能。主要研究结果如下： 1. 利用高分辨透射电镜详细表征了石墨烯基二维材料在宏观摩擦过程中不同阶段的界面微观结构演变，揭示了其构效关系变化与动态润滑失效机理：第一阶段：高定序层-层滑移界面结构的形成，伴随摩擦系数的迅速下降；第二阶段：层-层滑移界面结构的稳定维持，伴随摩擦系数低且平稳；第三阶段：片层结构的逐渐破坏卷曲，伴随摩擦系数出现波动；第四阶段：结构完全非晶化，伴随摩擦系数剧烈波动。层-层滑移的润滑机制发挥主要作用，定序层状摩擦界面结构的形成和维持是决定其长效低摩擦性能的关键。 2. 二维薄页结构有利于定序层状摩擦界面结构的自形成，但缺陷和悬键会在定序过程中产生相邻层间的相互作用，不利于定序结构的形成和维持，导致结构迅速破坏进入第三阶段，耐磨寿命较短且摩擦系数出现波动；官能团的引入能起到钝化悬键的作用，有利于定序结构的形成和维持，使其展现出平稳的摩擦系数以及较长的耐磨寿命，但会相对增加层间滑移的阻力，摩擦系数较理想的石墨烯有一定程度升高。 3. 外在环境对石墨烯基二维材料宏观摩擦学行为具有重要影响：高湿度环境有利于石墨烯棱边或缺陷处悬键的钝化，有助于实现低的摩擦系数；低湿度的环境可以减少水分子与氧化石墨烯（GO）片层的作用，促使定序滑移界面的形成和维持，展现良好的润滑性能；在惰性环境下，GO 定序摩擦界面结构很容易发生向完美石墨烯结构的转化，展现出更优的润滑效果；在高湿度环境下存储后处理的石墨烯样品，由于水分子的钝化作用，能提高少缺陷石墨烯的摩擦学性能。 4. 基于以上结构、环境等因素的控制，可实现石墨烯基二维材料摩擦界面微观结构和摩擦行为的调控：基于 GO 片层与水分子作用的湿敏性，实现了摩擦系数随湿度变化的可循环快速响应，为湿度响应的传感技术提供新的思路；通过惰性环境下所发现的摩擦力诱导 GO 向完美石墨烯结构转化的现象，以及对羟基脱附、水分子释放分子机理的揭示，将为大面积石墨烯结构的选择性调控以及力致水分子检测传感提供新的思路。 5. 具有小尺寸、少层数的纳米二硫化钼展现了更长的耐磨寿命，基于此进一步设计了石墨烯与二硫化钼纳米片的异质复合材料，一定程度提高了摩擦学性能。由于 GO 在水中良好的分散性，因此 GO 表面形成了均匀的二硫化钼纳米片团簇，复合材料能在多湿度环境下展现出良好的系数稳定性，并能显著降低对摩擦副的磨损；小尺寸石墨烯与纳米二硫化钼纳米片相近的尺寸，使其能更好地发挥协同作用，显著降低其在多湿度环境下的摩擦系数。
语种	中文
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.licp.cn/handle/362003/26353]
专题	中国科学院兰州化学物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	高雪. 石墨烯基二维材料宏观摩擦学行为及其润滑机制研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2020.

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