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三维石墨烯复合材料设计与摩擦学性能研究

2020-12-03阅读(875)

三维石墨烯复合材料设计与摩擦学性能研究

论文摘要

石墨烯是如今炙手可热的材料,具有良好的导电性、导热性、自润滑特性和高比强度等,在未来科技的发展中有很大潜力。本课题在石墨烯材料的基础上,采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯（GO）,选用商品化的聚氨酯海绵（PU）和三聚氰胺海绵（Me）为基础框架构建了三维氧化石墨烯海绵,研究了三维石墨烯海绵的吸附性能;再以不同规格的相变材料固体石蜡（Wa）为润滑剂,以己内酰胺为基体进行原位聚合,制备了三维石墨烯复合材料。研究了石墨烯含量和润滑剂含量对复合材料摩擦磨损性能影响,并通过扫描电子显微镜（SEM）探讨了复合材料的摩擦磨损机理,通过红外（FTIR）、X-射线衍射（XRD）、热重（TGA）、扫描电子显微镜能谱（EDS）等分析手段探讨了三维石墨烯复合材料的结构对摩擦学性能的影响,具体结果如下:1)成功制备了GO并制备了三维PU/GO海绵和三维Me/GO海绵;其中典型的PU/GO海绵对Wa的吸附量比PU海绵少3.67wt%,但解吸后对Wa的保留量比PU海绵多36.76wt%,说明GO的加入有助于增强海绵对Wa的保留能力。2)分别采用PU海绵和Me海绵吸附0.5mg/ml、1.5mg/ml、2.5mg/ml、3.5mg/ml浓度的GO,然后吸附Wa至饱和后进行摩擦磨损性能测试。结果显示PU/GO/Wa的摩擦系数低于Me/GO/Wa;随着GO浓度的增加,摩擦系数相应变小,并且有助于摩擦系数的稳定。3)采用原位聚合法制备了铸型尼龙6（MCPA6）制备了三维石墨烯复合材料,GO与Wa同时加入时复合材料的摩擦磨损性能要好于只加单一GO或Wa。4)添加剂含量测试结果显示,添加1.5倍于海绵自身重量的润滑剂表现出相对优异的摩擦学性能,磨损明显较低,且摩擦系数一直稳定于0.09左右。5)不同条件下测试结果显示,工况条件越苛刻,MCPA6/PU/GO/1.5Wa52摩擦性能的提升越明显。在180N、600r/min条件下,纯MCPA6在45min即达到20mm的磨痕宽度,而MCPA6/PU/GO/1.5Wa52持续摩擦3h,磨痕宽度不超过4mm,磨损率降低81.6%。6)纯MCPA6表现为严重的粘着磨损和疲劳磨损,三维石墨烯复合材料的磨损表面均表现为磨粒磨损为主。

论文目录

  • 摘要
  • abstract
  • 符号表
  • 第一章 绪论
  •   1.1 前言
  •   1.2 石墨烯简介
  •     1.2.1 石墨烯结构
  •     1.2.2 国内外石墨烯材料的发展
  •     1.2.3 未来发展方向
  •     1.2.4 三维石墨烯材料
  •     1.2.5 三维石墨烯的制备
  •   1.3 聚合物基三维石墨烯复合材料
  •     1.3.1 三维石墨烯复合材料制备方法
  •     1.3.2 聚合物基三维石墨烯复合材料应用方向
  •   1.4 尼龙6（PA6）的性能及应用现状
  •   1.5 PA6的摩擦学性能改性
  •   1.6 PA6摩擦磨损机理
  •     1.6.1 聚合物摩擦机理
  •     1.6.2 磨损机理
  •   1.7 本课题的构思及意义
  • 第二章 三维石墨烯的制备及吸附石蜡后的摩擦学性能
  •   2.1 实验原料及设备
  •   2.2 实验过程
  •     2.2.1 GO制备步骤
  •     2.2.2 三维石墨烯海绵制备
  •     2.2.3 GO表征
  •     2.2.4 摩擦磨损性能测试
  •     2.2.5 磨痕形貌分析
  •     2.2.6 海绵硬度测试
  •     2.2.7 海绵接触角测试
  •     2.2.8 海绵吸附情况
  •   2.3 结果与讨论
  •     2.3.1 GO制备结果
  •     2.3.2 三维石墨烯海绵吸附石蜡摩擦学性能测试
  •     2.3.3 海绵硬度
  •     2.3.4 海绵接触角
  •     2.3.5 海绵的吸附性能
  •     2.3.6 三维石墨烯海绵摩擦学性能测试
  •     2.3.7 PU及 PU/GO海绵160℃下渗出石蜡
  •   2.4 本章小结
  • 第三章 MCPA6/PU/GO/Wa聚合及低速摩擦实验
  •   3.1 实验材料及设备
  •   3.2 试验过程
  •     3.2.1 三维石墨烯复合材料制备流程图
  •     3.2.2 海绵吸附石蜡
  •     3.2.3 聚合
  •     3.2.4 摩擦样条制备
  •     3.2.5 FTIR测试
  •     3.2.6 XRD分析
  •     3.2.7 EDS能谱分析
  •     3.2.8 硬度测试
  •     3.2.9 冲击性能测试
  •     3.2.10 磨痕及断面形貌分析
  •     3.2.11 摩擦磨损性能测试
  •   3.3 结果与讨论
  •     3.3.1 不同配比材料红外表征
  •     3.3.2 不同配比材料XRD分析
  •     3.3.3 不同配比材料EDS能谱
  •     3.3.4 润滑剂添加量对复合材料摩擦学性能影响
  •     3.3.5 不同载荷与转速下材料的摩擦学性能
  •   3.4 本章小结
  • 第四章 结论与创新
  •   4.1 结论
  •   4.2 创新之处
  • 参考文献
  • 致谢
  • 研究生期间取得的学术成果

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 谭金龙

    导师: 潘炳力

    关键词: 三维石墨烯,聚氨酯海绵,石蜡,摩擦磨损

    来源: 河南科技大学

    年度: 2019

    分类: 工程科技Ⅰ辑

    专业: 无机化工,材料科学

    单位: 河南科技大学

    基金: 国家自然科学基金(编号:51675162,U1704144)

    分类号: TQ127.11;TB33

    总页数: 78

    文件大小: 3765K

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