一种高承载环境鲁棒性二维异质结构固体超滑的方法技术

本发明专利技术涉及一种高承载环境鲁棒性二维异质结构固体超滑的方法，该方法是指：将面内无缺陷石墨烯和纳米二硫化钼按5：1~1：5的质量比超声分散于溶剂中，形成浓度为10~100mg/mL的均匀溶液，该溶液滴加在含氢类金刚石碳薄膜表面，待溶剂挥发后即可进行摩擦学实验。本发明专利技术不但方法简单，而且绿色环保，极大地改善了类金刚石碳薄膜的摩擦学性能，从而在含氢类金刚石薄膜上实现从真空环境到湿度环境的跨环境条件下超低摩擦。条件下超低摩擦。

【技术实现步骤摘要】
一种高承载环境鲁棒性二维异质结构固体超滑的方法


[0001]本专利技术涉及固体润滑和摩擦学领域，尤其涉及一种高承载环境鲁棒性二维异质结构固体超滑的方法。

技术介绍

[0002]摩擦磨损是人类长期以来面临的重大科学和技术问题之一，直接影响着人类衣食住行等各个方面，且随着仪器设备的高精密化、高集成化以及高效能化的发展，对于运动部件的摩擦磨损性能的要求也越来越高。而固体超滑（两个滑动表界面间的摩擦系数低至10
‑3量级的现象）的实现将为上述问题的提供根本解决途径，对于基础研究和工程应用均具有重大意义。但是，目前而言，实现大面积或者高湿度条件下的超滑仍面临诸多挑战。
[0003]通常情况下，基于滚动机理和滑动机理，碳薄膜微观结构（石墨烯和碳洋葱等）的产生有利于超滑的实现，例如碳薄膜摩擦过程由于碳洋葱的产生，在湿度环境中具有极好摩擦学性能（~0.005）[Carbon. 2018, 137:49
‑
56]；而石墨烯中程有序碳薄膜在真空环境中由于石墨烯润滑层的产生也表现出超滑特性。有研究者通过在摩擦表界面引入纳米颗粒（Berman等纳米金刚石的引入）[Science. 2015, 348(6239):1118
‑
1122]或者纳米凸起（雒建斌等设计的二氧化硅凸起）[Nature Communications. 2017, 8:14029]的方法实现大尺度的固体超滑。但是这些优异的摩擦学性能都必须在合适的工况条件下才能取得。
[0004]而目前关于超滑的报道与二维层状材料密切相关。二维层状材料，具有蜂窝状六元环结构，由于其微弱的层间范德华作用力，具有许多不同的物理化学特性（如良好的导电导热、导热性能）。其中石墨烯作为最典型的二维材料，在2004年问世以来，受到来自学术界和工业界的关注；而二维层状过渡金属硫化物（TMDs）也收到各界学者的关注，二硫化钼作为典型的二维层状过渡金属硫化物（TMDs），具有优异的物化性能，在固体润滑、润滑添加剂等领域具有极好的应用前景。
[0005]然而，二维材料同质结构或异质结构的固体超滑通常局限于特殊条件下，比如真空环境或干燥惰性气氛，低承载（低于或维持在微牛（uN））等等。主要原因就是二维材料在摩擦界面难以维持结构的完整性，当材料发生破坏时会引入层间键合或锁定，或边缘钉扎效应，导致高摩擦。因此，制备缺陷少、结构完整的石墨烯和二硫化钼进行复合的材料，使两者发生协同作用，用作添加剂解决摩擦学领域的润滑问题至关重要。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种具有优异摩擦学性能的高承载环境鲁棒性二维异质结构固体超滑的方法。
[0007]为解决上述问题，本专利技术所述的一种高承载环境鲁棒性二维异质结构固体超滑的方法，其特征在于：将面内无缺陷石墨烯和纳米二硫化钼按5：1~1：5的质量比超声分散于溶剂中，形成浓度为10~100mg/mL的均匀溶液，该溶液滴加在含氢类金刚石碳薄膜表面，待溶剂挥发后即可进行摩擦学实验。
[0008]所述面内无缺陷石墨烯是指在真空环境下，将镶嵌角为0.8
°±
0.2
°
的高定向热解石墨（HOPG）固定在旋转模式摩擦实验设备上；然后将对偶球固定在正上方，以80~240rpm的速度转动10~60min，对所述高定向热解石墨（HOPG）进行切割即得。
[0009]所述真空环境的真空度为5
×
10
‑3Pa。
[0010]所述高定向热解石墨（HOPG）的尺寸大小为10
×
10
×
1.0mm。
[0011]所述对偶球是指球半径为3~7mm的钢球、氧化铝球、氮化硅球、碳化硅球中的一种。
[0012]所述纳米二硫化钼的尺寸为20~500nm。
[0013]所述溶剂包括但不限于去离子水、无水乙醇、二甲基甲酰胺、N
‑
甲基吡咯烷酮、丙三醇、磷酸中的一种。
[0014]所述超声分散的条件是指超声功率为300W，超声时间为10min~30min。
[0015]所述含氢类金刚石碳薄膜中氢含量为30~40%。
[0016]所述溶液在所述含氢类金刚石碳薄膜表面的滴加浓度为10~100mL/2.5cm2。
[0017]本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、本专利技术通过机械定向剪切作用由HOPG制备得到结构完整、面内无缺陷的少层石墨烯，不但方法简单，而且绿色环保。
[0018]2、本专利技术以石墨烯/二硫化钼纳米复合材料具有良好的减摩耐磨性能，将其作为添加剂，使得类金刚石碳薄膜具有极好的摩擦学性能，在真空及湿度条件下(RH=20%, RH=40%)进行摩擦实验，摩擦系数低至0.007，极大地改善了类金刚石碳薄膜的摩擦学性能，从而在含氢类金刚石薄膜上实现从真空环境到湿度环境的跨环境条件下超低摩擦。
附图说明
[0019]下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。
[0020]图1为由HOPG机械定向剪切制备得到的石墨烯TEM图。
[0021]图2为本专利技术实施例1中石墨烯/二硫化钼复合材料在真空下的摩擦学曲线。
[0022]图3为本专利技术实施例2中石墨烯/二硫化钼复合材料在RH=20%的摩擦学曲线。
[0023]图4为本专利技术实施例3中石墨烯/二硫化钼复合材料在RH=40%的摩擦学曲线。
具体实施方式
[0024]一种高承载环境鲁棒性二维异质结构固体超滑的方法：将面内无缺陷石墨烯和尺寸为20~500nm的纳米二硫化钼按5：1~1：5的质量比（10
‑
100mg/mL）在超声功率为300W、超声时间为10min~30min的条件下超声分散于溶剂中，形成浓度为10~100mg/mL的均匀溶液，该溶液在滴加浓度为10~100mL/2.5cm2的条件下滴加在含氢类金刚石碳薄膜表面，待溶剂挥发后即可进行摩擦学实验。
[0025]其中：面内无缺陷石墨烯是指在真空度为5
×
10
‑3Pa的真空环境下，将镶嵌角为0.8
°±
0.2
°
、尺寸大小为10
×
10
×
1.0mm的高定向热解石墨（HOPG）固定在旋转模式摩擦实验设备上；然后将用于提供剪切作用力的对偶球固定在正上方，以80~240rpm的速度转动10~60min，通过对偶球的高速转动产生的剪切作用对高定向热解石墨（HOPG）进行切割即得面内无缺陷的少层石墨烯。
[0026]HOPG在高速定向剪切作用下成为石墨碎屑，而其中比较小的石墨碎片由于层间滑
移作用碎裂成薄石墨烯层。制备得到的石墨烯片层面内无缺陷，结构完整，如图1所示。
[0027]对偶球是指球半径为3~7mm的钢球、氧化铝球、氮化硅球、碳化硅球中的一种。
[0028]溶剂包括但不限于去离子水、无水乙醇、二甲基甲酰胺、N
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高承载环境鲁棒性二维异质结构固体超滑的方法，其特征在于：将面内无缺陷石墨烯和纳米二硫化钼按5：1~1：5的质量比超声分散于溶剂中，形成浓度为10~100mg/mL的均匀溶液，该溶液滴加在含氢类金刚石碳薄膜表面，待溶剂挥发后即可进行摩擦学实验。2.如权利要求1所述的一种高承载环境鲁棒性二维异质结构固体超滑的方法，其特征在于：所述面内无缺陷石墨烯是指在真空环境下，将镶嵌角为0.8
°±
0.2
°
的高定向热解石墨固定在旋转模式摩擦实验设备上；然后将对偶球固定在正上方，以80~240rpm的速度转动10~60min，对所述高定向热解石墨进行切割即得。3.如权利要求2所述的一种高承载环境鲁棒性二维异质结构固体超滑的方法，其特征在于：所述真空环境的真空度为5
×
10
‑3Pa。4.如权利要求2所述的一种高承载环境鲁棒性二维异质结构固体超滑的方法，其特征在于：所述高定向热解石墨的尺寸大小为10
×
10
×
1.0...

【专利技术属性】
技术研发人员：李瑞云，张俊彦，杨兴，王永富，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：