石墨烯合金剎車片的制備與摩擦學(xué)性能研究

熊萬軍　陶濤

摘 要：2004年，英國曼徹斯特大學(xué)AndreGeim[1]團隊用一種簡單易行的膠帶剝離法成功制備出了石墨烯。石墨烯具有的褶皺結(jié)構(gòu)或附著在基底上才可在空氣中穩(wěn)定存在，屬于準二維原子晶體材料[2]，具有出色的電、熱特性及機械特性[3]，在微電子、能源、信息，特別在材料和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：石墨烯合金；摩擦學(xué)性能；剎車片的制備

中圖分類號：TH117 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）04-0067-01

1 引言

本研究通過對稻麥秸稈氧化石墨烯進行改性處理后，制成稻麥秸稈石墨烯改性材料，制造動力車輛剎車片，并研究其摩擦學(xué)性能。

2 試驗過程

2.1 制備改性氧化石墨烯粉末

制備過程如下：

（1）以稻麥秸稈為原料，以一定的工序制成人造石墨，后通過氧化還原反應(yīng)，制成石墨烯原液。（2）采用合金爐對材料進行處理。稻麥秸稈氧化石墨烯原液，加溫到220℃添加1%的99.99銀進行攪拌，10分鐘后，停止攪拌，沖入氯氣，密封，加壓10兆帕，恒溫保溫30分鐘；繼續(xù)攪拌升溫至400℃，恒溫1小時后排出氯氣；氯氣排出后，攪拌過程升溫至1100℃，添加二硫化鉬后繼續(xù)攪拌并充入氮氣，這個升溫過程控制約3小時；3小時后降溫到800℃，添加稀土鹽，攪拌30分鐘。恒溫3小時；降溫到300℃，添加還原劑。攪拌1小時。恒溫30分鐘；30分鐘后，排除氮氣，加入還原劑，攪拌至自然降溫到常溫；干燥處理，制成稻麥秸稈改性氧化石墨烯粉末。（3）制線。改性后的稻麥秸稈氧化石墨烯材料與樹脂按照1：1.5，制成混合液體，升溫至70℃，攪拌均勻；將棉纖維浸泡到改性稻麥秸稈氧化石墨烯材料與樹脂混合液體中，震動并完全浸泡透；將浸泡后的稻麥秸稈改性氧化石墨烯棉纖維在烘箱中烘干，烘干溫度約90℃，時間為2小時；將烘干后的改性氧化石墨烯棉纖維放入增強處理爐中進行增強處理，溫度約600℃，時間為12小時，處理時確保爐內(nèi)氣體循環(huán)；上捻后制成石墨烯線。（4）機械加工。將浸泡后的稻麥秸稈改性氧化石墨烯棉纖維切段，根據(jù)產(chǎn)品需要稱重，放入溫度為150℃-170℃模具中，用高噸四柱位油壓機壓制成形；根據(jù)圖紙要求進行磨削、開槽、清邊、噴涂等工序處理，最后將加工好的剎車片放進增強處理爐中進行增強處理，溫度約300℃，時間為20小時。

2.2 力學(xué)性能試驗

沖擊韌性試驗按GB/T9096規(guī)定的方法進行，試樣尺寸為10mm×10mm×55mm，不帶缺口。抗拉強度試驗按GB/T7964規(guī)定的方法進行，試樣為兩端帶螺紋的圓柱形。抗彎強度試驗按GB/T 5319規(guī)定的方法進行，試樣尺寸為30mm×6mm×12mm。

2.3 摩擦性能試驗

使用的HT-1000高溫摩擦磨損試驗機完成摩擦性能試驗。用線切割將剎車片制成尺寸為20mm×20mm×20mm的試樣，并對試驗表面進行打磨、清洗、除油。對磨件為φ6mm的氧化鋯鋼球，載荷500g，轉(zhuǎn)速560r/min，摩擦半徑2mm，時間30min。實驗中選取不同溫度：100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃，摩擦系數(shù)測試結(jié)果直接由測試計算機得到，磨損率計算公式為：w=Δv/sF，其中w：磨損率（mm3/N*m）；Δv：磨損體積（mm3）；s：滑動距離（m）；F：施加的載荷（N）。

3 結(jié)果與分析

3.1 形貌結(jié)構(gòu)

通過檢測得到碳的形態(tài)分布為：單形態(tài)碳占5.7%、10-50層石墨烯占15%的、50層以上石墨烯占43%、剩余36.3%為環(huán)形碳。

3.2 強度試驗結(jié)果

通過力學(xué)性能試驗測得石墨烯基剎車片與傳統(tǒng)剎車片的性能對比，見表1?？梢钥闯?，通過改善制備工藝條件制備的石墨烯基剎車片具有更好的服役性能，能有效提高基材的性能。

3.3 摩擦學(xué)性能

圖1為傳統(tǒng)剎車片和石墨烯剎車片的摩擦性能對比圖。從磨損率對比圖可以看出，以石墨烯為主要原料、添加Ag、MoS2通過熱壓方式得到的剎車片要比傳統(tǒng)剎車片的在各個溫度段的磨損率都要低的多，100℃-350℃的實驗范圍內(nèi)均要低于0.1*10-7mm3/N*m，隨著溫度的上升，磨損率變化并不大，這可能是由于石墨烯以及MoS2的優(yōu)異潤滑性能確保了剎車片在常溫和200℃以下的耐磨性，而銀常作為400℃以下的潤滑劑得到廣泛的應(yīng)用，它確保了剎車片在200℃及以上溫度段的潤滑性能，從而確保了剎車片在一定溫度區(qū)域內(nèi)確保了潤滑性能，在摩擦磨損工況下，能夠有效防護涂層表面，降低摩磨損率。

4 結(jié)語

（1）采用以稻麥秸稈為原料制備得到氧化石墨烯原液，添加銀和二硫化鉬等添加劑得到的改性氧化烯粉末為原料，通過熱壓燒結(jié)的方法制備了石墨烯剎車片。（2）石墨烯基剎車片與傳統(tǒng)剎車片相比，具有更高的彎曲強度、最大應(yīng)變強度和抗沖擊性能，且熱膨脹率更低。（3）石墨烯基增強材料顯示出高耐磨性和低摩擦系數(shù)，這是由于石墨烯基體以及添加的銀和二硫化鉬的潤滑作用，使剎車片在100℃-350℃的溫度范圍內(nèi)具有很好的使用性能。

參考文獻

[1]Novoselov K S，Geim A K，Morozov S V，et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films[J].Science，2004，306（5696）：666.

[2]Geim A K， Novoselov K S.The rise of graphene[J].Nature Materials，2007，6（3）：183.

[3]Lee C，Wei X，Kysar J W，et al. Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene.[J].Science，2008，321（5887）：385-388.