本文關(guān)鍵詞：石墨烯薄膜的制備及其摩擦學(xué)性能優(yōu)化

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【摘要】：石墨烯作為碳原子的一種同素異構(gòu)體,具有典型的以SP2雜化為主的二維晶體片層結(jié)構(gòu),這種特殊的二維結(jié)構(gòu)造就了其優(yōu)異的物理化學(xué)性能,也因此吸引了眾多學(xué)者的關(guān)注,具有重大的理論研究和實(shí)際應(yīng)用雙重意義。這其中,作為最薄的固體潤滑薄膜,石墨烯具有優(yōu)異的潤滑性能。但是,綜合現(xiàn)有的各種石墨烯材料,仍存在造價(jià)昂貴,潤滑性能不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。針對(duì)以上問題,本論文逐步開展了一系列研究工作,主要研究工作如下:1.利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法(PECVD)方法在高溫加熱的條件下制備了石墨烯薄膜。其中,薄膜的微觀結(jié)構(gòu)隨著溫度的梯度增加變化顯著,尤其是碳薄膜的在常溫下(20℃)呈現(xiàn)出典型的非晶碳結(jié)構(gòu),但是隨著溫度增加至600℃時(shí),彎曲的石墨烯片層結(jié)構(gòu)均勻分布在薄膜中。并對(duì)薄膜在相對(duì)濕度為40%的環(huán)境下的的機(jī)械性能和摩擦學(xué)性能做了研究,研究表明具有石墨烯長鏈結(jié)構(gòu)的薄膜表現(xiàn)出較好的摩擦學(xué)性能,在濕潤的大氣環(huán)境下,摩擦系數(shù)低至0.03。2.利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)和磁控濺射沉積復(fù)合技術(shù)制備了石墨烯/二硫化鉬片層結(jié)構(gòu)自潤滑(Graphene/Mo S2)薄膜。研究表明這種特殊的片層結(jié)構(gòu)賦予了薄膜較好的機(jī)械性能和摩擦性能,其中,在大氣環(huán)境下,該薄膜表現(xiàn)出超潤滑現(xiàn)象,摩擦系數(shù)低至0.008,在多氣氛的N2Ar和O2環(huán)境下,該薄膜依然表現(xiàn)出超滑現(xiàn)象,體現(xiàn)出多氣氛環(huán)境工況下優(yōu)異的潤滑性能。3.鑒于氧化石墨烯薄膜較高的摩擦系數(shù),采用表面織構(gòu)技術(shù)對(duì)薄膜的潤滑性能進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)先用間接織構(gòu)法在單晶硅表面織構(gòu)出不同面積比的微米級(jí)的凹坑,然后以能形成負(fù)電子的膠體溶液為電解液體,用陽極電泳沉積法(EPD)在事先織構(gòu)好的硅基底上沉積出厚度約(230nm)的氧化石墨烯薄膜(GO)薄膜。通過摩擦實(shí)驗(yàn)表明,表面織構(gòu)處理的薄膜因?yàn)槠潆p重固體潤滑效應(yīng),具有明顯的抗磨性能。其中,織構(gòu)密度比為4%的氧化石墨烯薄膜表現(xiàn)出最佳的潤滑性能,相較沒有織構(gòu)處理的氧化石墨烯薄膜的0.095,該薄膜摩擦系數(shù)降低至0.024。4.利用脈沖等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)技術(shù)制備了多層類富勒烯薄膜。結(jié)果表明,這種薄膜在合適的周期比和層數(shù)時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的優(yōu)異的機(jī)械特性和摩擦學(xué)性能。其中,該薄膜具有高達(dá)90%的彈性恢復(fù)值和較低的摩擦系數(shù)(0.019)和磨損率(3.0×10-9 mm3/Nm)。
【關(guān)鍵詞】：石墨烯薄膜 優(yōu)異的摩擦性能 石墨烯/二硫化鉬薄膜 超潤滑 織構(gòu)氧化石墨烯薄膜 雙重潤滑效應(yīng)
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O613.71;TB383.2
【目錄】：

• 摘要7-8
• Abstract8-10
• 第1章 緒論10-21
• 1.1 石墨烯的結(jié)構(gòu)和制備10-13
• 1.1.1 石墨烯的結(jié)構(gòu)10-11
• 1.1.2 石墨烯的制備11-13
• 1.1.2.1 微機(jī)械剝離法11-12
• 1.1.2.2 氧化石墨還原法12
• 1.1.2.3 外延生長法12-13
• 1.1.2.4 化學(xué)氣相沉積法13
• 1.2 石墨烯的性能和應(yīng)用13-15
• 1.2.1 石墨烯的電學(xué)性能及其應(yīng)用13-14
• 1.2.2 石墨烯的熱性能及其應(yīng)用14
• 1.2.3 石墨烯的光學(xué)性能及其應(yīng)用14-15
• 1.2.4 石墨烯的機(jī)械性能及其應(yīng)用15
• 1.3 石墨烯薄膜的制備方法15-17
• 1.3.1 旋轉(zhuǎn)涂覆法15
• 1.3.2 噴射涂覆法15-16
• 1.3.3 自組裝法16
• 1.3.4 電化學(xué)法16
• 1.3.5 化學(xué)氣相沉積法16-17
• 1.4 石墨烯薄膜的表征方法17-18
• 1.4.1 原子力顯微鏡 (AFM)17
• 1.4.2 透射電子顯微鏡 (TEM)17
• 1.4.3 拉曼光譜 (Raman)17-18
• 1.4.4 X射線 光電子能譜 (XPS)18
• 1.5 石墨烯薄膜的摩擦學(xué)研究進(jìn)展18-20
• 1.6 本論文的研究意義和研究?jī)?nèi)容20-21
• 第2章 石墨烯薄膜的化學(xué)氣相法制備及摩擦磨損性能研究21-28
• 2.1 實(shí)驗(yàn)部分21-22
• 2.1.1 樣品制備21-22
• 2.1.2 薄膜組成與結(jié)構(gòu)表征22
• 2.2 結(jié)果與討論22-27
• 2.2.1 薄膜的結(jié)構(gòu)22-24
• 2.2.2 薄膜的機(jī)械性能24-25
• 2.2.3 薄膜的摩擦學(xué)性能25-27
• 2.3 小結(jié)27-28
• 第3章 石墨烯/二硫化鉬復(fù)合薄膜的制備及其摩擦學(xué)性能研究28-35
• 3.1 實(shí)驗(yàn)部分28-30
• 3.1.1 樣品制備28-29
• 3.1.2 薄膜組成與結(jié)構(gòu)表征29-30
• 3.2 結(jié)果與討論30-34
• 3.2.1 薄膜的結(jié)構(gòu)30-31
• 3.2.2 薄膜的機(jī)械性能31-32
• 3.2.3 薄膜的摩擦學(xué)性能32-34
• 3.3 小結(jié)34-35
• 第4章 表面織構(gòu)氧化石墨烯薄膜的摩擦學(xué)性能35-44
• 4.1 實(shí)驗(yàn)部分35-37
• 4.1.1 樣品制備35-36
• 4.1.2 激光織構(gòu)36-37
• 4.1.3 薄膜組成與結(jié)構(gòu)表征37
• 4.2 結(jié)果與討論37-43
• 4.2.1 薄膜的結(jié)構(gòu)37-39
• 4.2.2 薄膜的摩擦學(xué)性能39-43
• 4.3 結(jié)論43-44
• 第5章 多層類富勒烯薄膜的制備及其摩擦學(xué)性能研究44-51
• 5.1 實(shí)驗(yàn)部分45-46
• 5.1.1 樣品制備45
• 5.1.2 薄膜表征45-46
• 5.2 結(jié)果與討論46-50
• 5.2.1 薄膜的結(jié)構(gòu)46-48
• 5.2.2 薄膜的機(jī)械性能48-49
• 5.2.3 薄膜的摩擦學(xué)性能49-50
• 5.3 結(jié)論50-51
• 結(jié)論與展望51-53
• 參考文獻(xiàn)53-63
• 致謝63-64
• 附錄 A 攻讀學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄64

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本文編號(hào)：633862