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自组装氧化石墨烯薄膜层间键合方式调控与润滑机理研究

批准号:
52105217
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
王梦娇
依托单位:
学科分类:
摩擦学及机械表界面科学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
王梦娇

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
苛刻真空服役环境对氧化石墨烯润滑薄膜力学性能和润滑性能提出了更高的要求。前期研究表明,以离子键配位实现层间结合的氧化石墨烯薄膜具有类似贝壳珍珠层的致密多层结构,表现出优异的力学性能和润滑性能,适应多环境工况。但薄膜层间键合方式的微观作用机制与润滑机理还尚未得以阐明。本项目拟采用自组装技术,通过调控金属离子种类和价态,制备仿贝壳层状结构的氧化石墨烯薄膜;研究薄膜层间金属离子与含氧官能团的键合方式对微观结构、层间作用力及力学性能和润滑性能的影响;探讨薄膜在摩擦过程中内部结构和外部服役环境耦合作用下的润滑机理;揭示薄膜微观结构和层间作用力—力学性能—润滑性能之间的关联机制,在此基础上,提出通过调控薄膜层间键合方式优化氧化石墨烯薄膜润滑性能的策略。研究结果可为发展高性能氧化石墨烯润滑薄膜提供理论依据和技术支撑。
英文摘要
Higher requirements are required for mechanical and lubricating properties of graphene oxide (GO) lubricating films in harsh vacuum service environment. Previous studies discovered that the GO film assembled by ionic bond coordination has a compact multilayer structure similar to shell nacreous, showing excellent mechanical and lubricating properties under multiple environmental conditions. However, the microscopic mechanism of the interlayer binding and the corresponding lubrication mechanism has not been studied. In this project, nacre-like lamellar GO film is designed to be prepared by self-assembly method and by regulating the types and valence states of metal ions. By studying the influence of binding mode between metal ions and oxygen-containing functional groups within layers on the microstructure, interlayer interaction, mechanical and lubricating properties of as-prepared GO films. The lubrication mechanism of GO films under the coupled effect between internal structure and external service environment in the friction process will be illustrated. The relationship between microstructure and interlayer interaction, mechanical properties and lubricating properties of GO films will be revealed. A strategy for optimizing the lubrication performance of GO films by regulating the interlayer binding mode will be proposed. The results will provide theoretical and technical support of the development of GO lubricating films with high performances.
本项目针对金属离子配位自组装氧化石墨烯薄膜可控制备与构效关系两项关键科学问题,阐明了金属离子种类、价态、浓度等因素对氧化石墨烯薄膜层间键合与微观结构的调控机制,揭示了薄膜结构与不同服役环境工况下的摩擦学性能的关联关系。具体研究内容如下:.1. 以金属离子与氧化石墨烯纳米片之间的静电引力和离子配位为驱动力,构筑了系列化具有仿贝壳层状结构、厚度可控(纳米到微米级)的氧化石墨烯薄膜,实现了自组装氧化石墨烯薄膜的高效制备(数分钟),改善了传统层层自组装技术制备氧化石墨烯薄膜费时、费力、薄膜厚度薄和层间作用力弱等问题,提出了金属离子与氧化石墨烯纳米片表面羟基、环氧和边缘羧基等含氧官能团交联的键合模型。.2. 揭示了氧化石墨烯薄膜层间结构和层间作用力对薄膜润滑性能的影响规律。层间弱键合使得薄膜结构松散且无序,有效结合面积小,含氧官能团和缺陷易暴露于环境中,增加了摩擦阻力从而引起薄膜损伤;在较强离子键合下,薄膜层间结构有序、致密,有效增大了片层间的接触面积,抑制了摩擦过程中的应力集中,且金属离子可与含氧官能团配位和钝化缺陷,在真空环境下摩擦系数低至~0.03。.3. 建立了金属阳离子种类、价态和浓度对氧化石墨烯薄膜层间键合和润滑性能的关联关系。薄膜厚度随氧化石墨烯浓度增加线性增大,高价态金属阳离子与含氧官能团键合能力更强,层间作用力更大,薄膜层间结构更致密,薄膜机械性能与润滑性能得到显著提升,尤其在真空环境下三价Fe3+和Cr3+配位氧化石墨烯薄膜摩擦系数大幅降低。.4. 研究了服役工况环境对氧化石墨烯薄膜摩擦学性能的影响,确定了适用摩擦工况范围。低湿度和外加油介质有利于进一步提升氧化石墨烯薄膜的润滑性能。研制氧化石墨烯薄膜在真空环境下,通过配位作用和钝化缺陷可有效抑制钉扎效应,普遍具有低而稳定的摩擦系数。
混相超临界 CO2 环境下干气密封表面微织构与DLC 薄膜协同调控机制研究
  • 批准号:
    LQ22E050020
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    王梦娇
  • 依托单位:
国内基金
海外基金