Ti6Al4V 钛合金/Si3N4陶瓷表面在摩擦学行为研究
本文采用 Hummers 法制备了氧化石墨烯，通过 X 射线衍射仪、透射电子显微
镜分析表征氧化石墨烯的相组成和组织形貌。然后，将其制成悬浮液，并通过摩
擦磨损实验机研究其对 Ti6Al4V/Si3N4摩擦磨损性能的影响。研究结果表明：
实验制得的氧化石墨烯呈片状结构，大小约为 750 nm 左右。添加氧化石墨烯
水溶液会使 Ti6Al4V/Si3N4间的摩擦因数和磨损体积均减小。钛合金在氧化石墨烯
水溶液润滑条件下的磨损机制主要为磨粒磨损。在滑动摩擦的过程中，氧化石墨
烯通过与接触的摩擦副表面形成转移膜，并且在片层间的相对滑动，从而避免了
金属间的直接接触，达到了减少摩擦，增加润滑的效果。
关键词 摩擦学行为， 氧化石墨烯水溶液，钛合金，磨损机制
1 引言 1
1.1 氧化石墨烯的基本概述 1
1.2 氧化石墨烯的制备方法 2
1.3 水的润滑性质 2
1.4 钛合金 Ti6Al4V 的基本概述4
1.5 本课题的研究目的和意义 5 2 氧化石墨烯的制备. 6
2.1 仪器设备及材料 6
2.2 实验技术方案 7
2.3 实验步骤 7
2.4 氧化石墨烯的表征手段 8
2.5 实验结果与分析 8 3 水中添加氧化石墨烯作为润滑介质的摩擦磨损性能研究. 10
3.1 摩擦介质和材料 10
3.2 摩擦设备及参数 10
3.3 实验结果与分析 11 结 论. 20 致 谢. 21
参考文献. 22
1 引言
1.1 氧化石墨烯的基本概述
1.1.1 简介
氧化石墨烯(GO)薄片的由来，是由石墨粉末经过化学方法的氧化及剥离后而形成
的产物，氧化石墨烯具有单一的原子层结构，完全可以随意在横向的尺寸上延展到数
十微米[1]。氧化石墨烯可以被看做是一种非传统型态上的软性的材料，具有比如像聚
合物、薄膜、胶体，以及两性分子的独特性质。氧化石墨烯一直以来，就被认作是亲
水性的材料[2]，因为它在水中的分散性比较优越。但是，根据相关的实验结果资料显
示，氧化石墨烯事实上具有两亲性的性质。
1.1.2 结构
经过氧化处理后，氧化石墨仍然可以保持石墨的层状的结构，但是在每一层的石
墨烯单片上，加入了很多的氧基功能团。这些氧基功能团的加入，使得单一的石墨烯
结构变得异常复杂[4]。在自然界中，碳元素广泛存在着。随着人类不断进步的科技，
其物理性质的独特性和形态多样性被人们逐渐所发现，一般可以用石墨经过强酸氧化
[5,6]可以得到氧化石墨烯。大体上有三种氧化石墨制备的方法：Brodie 法，Staudenmaier
法和 Hummers 法。大家普遍能够接受的氧化石墨烯的结构模型，是氧化石墨烯层片
上随机的分布着羟基和环氧基[7]，而在单片的边缘部位则加入了羧基和羰基的结构。
图 1-1 氧化石墨烯的结构图 图 1-2 氧化石墨烯的水溶液
1.1.3 应用
氧化石墨烯具有很广的材料应用范围。氧化石墨烯是一种新型的性能优异的碳
材料，具有较高的比表面积和表面丰富的官能团[8]。氧化石墨烯复合材料包括聚合物
类复合材料以及无机物类复合材料，更是具有广泛的应用领域，因此另一个研究重点
就是氧化石墨烯的表面改性。其次，新型的化学电源体系，尤其是目前重要的“绿色” 储能装置是二次电池和超级电容器。碳材料如无定形碳、多孔碳、石墨等已经广泛地
应用于锂离子电池中[9]。由于纳米材料一般具有较大的比表面积、较小的尺寸效应及
优良的催化活性，因而可以增加电池的比容量，在许多不相同的碳纳米材料中，CNTs
由于其独特的结构，已经被广泛用作锂离子电池的电极材料。类似于 CNTs，氧化石
墨烯有着较高的比表面积和独特的电子传导能力。在锂离子电池应用的领域内，应用
前景比较广泛，因而被研究者普遍关注。氧化石墨稀具有优秀的机械性能，由于片层
之间很小的剪切力。相比石墨而言，理论上具有更低的摩擦系数，因此在减少摩擦增
加润滑方面也受到极大的关注。
1.2 氧化石墨烯的制备方法
石墨在强氧化剂（一种或多种强酸）中氧化可以合成氧化石墨烯。大约在 150 年 前，Brodie 首次合成了氧化石墨烯，反复使用高氯酸钾和硝酸氧化石墨。随后又出现
了 Staudenmaier 法和 hummers 法等。
(a) Hummers 法 在置于冰浴内的浓硫酸中加入将石墨粉和无水硝酸钠(NaNO3)，
加入 KMnO4 的同时强力搅拌，剩余的高锰酸钾和 MnO2用体积分数 3%的 H2O2还原，
使其变为无色的可溶的 MnSO4。使用双氧水处理后，悬浮液变成亮黄色。过滤、洗涤 3 次，然后真空脱水得到氧化石墨烯。傅玲等[10]将 Hummers 法制备氧化石墨烯的步骤
分为低温、中温、高温反应三个阶段，并指出影响最终产物结构和性能的主要工艺因
素是高锰酸钾、石墨用量、浓硫酸体积、低温反应时间、高温反应中的加水方式等，
对产物氧化程度影响较小的是硝酸钠的用量。相比于其他方法，此法比较安全。
(b) Brodie 法 首先天然的微粉石墨用发烟硝酸处理，石墨被氧化时，石墨片层
间侵入了硝酸离子，然后再投入 KClO4进一步地氧化，随后将反应物放入到大量水中
进行反应，进行过滤，水洗，直到滤液接近中性后，然后干燥，最后得到氧化石墨烯。
(c) Staudemaier 法 对石墨粉进行用发烟硝酸和浓硫酸混合的酸处理，同样也是
以 KClO4为氧化剂。这类方法会严重破坏了氧化石墨烯碳层，大量的羧基等含氧官能
团也加入了氧化石墨烯的端面。
1.3 水的润滑
1.3.1 水润滑的性质
长久以来，各种摩擦副都是以机械传动系统中的金属构件组成的，并用油作
润滑介质和工作介质。因此，不仅消耗了许多贵重的有色金属和大量的油料，而且因
不能避免地存在油泄漏的问题，从而污染了环境。由于水具有无污染、安全、节省能
源、不易燃等性质，而成为最具发展潜力的润滑介质。因此，为了减少各种由于摩擦
副运动而产生的摩擦、磨损、振动、噪声、功能耗、可靠性差和寿命较短等问题，节
省大量的油料和贵重有色金属等主要资源，特别是为了保护人类赖以生存的环境，怎
样用水替换油，作为各种机械传动系统的润滑的介质，引起了人们较为普遍的关注，
并已经成为世界上的工业发达国家竞相研究的一大热点。水的比热容是油的两倍，不
大的温升，平稳的粘温特性，粘度较低，较小的功能消耗，不能燃烧，使用安全性高，
在绝大多数地方，是取之比较方便的资源，特别是没有污染问题。与油相比，水膜厚
度会变得很小，但是金属材料的性质是大的弹性系数、高硬度，当理论的水膜厚度小
于金属表面的微观不平度时，不可能形成润滑水膜，不能实现流体润滑。同时，水对
金属的腐蚀也不能忽视。因此肯定要寻找一种耐水体腐蚀较好、承载能力强又有一定
回弹性的亲水材料，或者耐水体腐蚀强、具有很好自润滑性的水润滑材料。目前研究
较多的是橡胶、工程陶瓷、塑料、特种高分子复合材料等，这些材料和水具有较好的
匹配性。
1.3.2 水润滑的特点及优点
摩擦副水润滑有如下优点。
(a) 低的使用成本 替代油用水作为润滑介质，既节省了能源，又减少了购买、
运输、储存油液所花费的费用。
(b) 有利于环境的保护 润滑介质使用矿物油对环境的污染是众知的，泄漏的油
液，会使空气中充满难闻的异味，工作环境和周边环境会变得比较恶劣，使用过的废
液，必须做回收处理。用水作为摩擦副的润滑介质，工作场所会变得异常清洁，对环
境和人类的健康没有任何危害。
(c) 安全性较好 水不会燃烧，而油液在高温、明火下很容易燃烧，而可能导致
较为严重的事故。
(d) 容易维护和保养 水本身就具有清洁的功能，所以水作摩擦介质的摩擦副系
统时，它的维护保养非常方便，清洁、维护成本比油介质低很多。
1.3.3 应用研究与产品开发的现状
水润滑摩擦副的应用研究最初开始的是水介质的工作设备，目前在水润滑轴承方
面上取得了较大的突破，虽然还存在一些问题，但是已经成功应用水润滑的橡胶轴承
原文链接：http://www.jxszl.com/hxycl/jscl/24707.html