《石墨烯/炭基納米複合材料製備及其摩擦學研究》是依託江蘇大學，由宋浩傑擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：石墨烯/炭基納米複合材料製備及其摩擦學研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：宋浩傑
- 依託單位：江蘇大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
現代國防、民用工業的許多領域需要大量低成本、高強、高耐磨的炭基複合材料。本項目針對目前多數增強材料與炭基體存在分散不均勻、相容性差及其製備工藝複雜、周期長、成本高等問題，提出採用熱壓燒結炭化聚丙烯腈/石墨烯納米複合前驅體製備低成本、高性能的炭基納米複合材料的新方法。該方法通過醯化反應在石墨烯表面共價接枝具有可控聚合反應功能的丙烯基基團，經自由基引發使接枝的丙烯基與前驅體聚丙烯腈樹脂的單體發生原位聚合，實現石墨烯在炭前驅體樹脂中的均勻分散和相容。通過本項目的研究，認識和揭示石墨烯在炭前驅體樹脂中的分散狀態和相容情況對複合材料在炭化過程中微觀結構變化的影響規律，探究複合材料在不同工況下的摩擦磨損行為，建立複合材料組成、微觀結構與磨損表面的形貌特徵和磨損的物理、化學過程的關係，為我國石墨資源的高值利用、石墨烯在高分子材料中的廣泛套用以及高性能、低成本炭基納米複合材料的製備技術發展和套用奠定基礎。
結題摘要
現代國防、民用工業的許多領域需要大量低成本、高強、高耐磨的炭基複合材料。本項目針對目前多數增強材料與炭基體存在分散不均勻、相容性差及其製備工藝複雜、周期長、成本高等問題，提出採用熱壓燒結炭化聚合物/石墨烯納米複合前驅體製備低成本、高性能的炭基納米複合材料的新方法。利用改性Hummers方法製備了氧化石墨烯納米片，同時考察了氧化石墨烯納米片作為水基潤滑添加劑的摩擦磨損性能，與氧化碳納米管相比，片狀結構的石墨烯更容易在摩擦界面形成轉移膜，降低摩擦副的磨損劃傷。儘管氧化石墨烯納米片具有良好的抗磨減摩效果，但是由於氧化石墨烯比表面很大，且表面存在大量活性基團，這些特徵導致其在乾燥過程中容易團聚，為了抑制團聚情況的發生，本項目利用原位沉積技術在氧化石墨烯表面原位沉積一些半導體氧化物，如氧化鐵、四氧化三鐵和二氧化鈦等，這些氧化物在石墨烯表面的均勻沉積不僅抑制了石墨烯表面的二次團聚，而且拓展了石墨烯基複合材料的功能，本項目考查了石墨烯/氧化鐵納米棒作為潤滑添加劑的摩擦特性，在摩擦過程中，複合材料中的氧化石墨烯由於其片狀結構優先在摩擦界面成膜，而氧化石墨烯表面的氧化鐵納米棒在摩擦界面上可以起到微觀軸承的作用，使摩擦方式由滑動變為滾動，降低摩擦對偶的摩擦磨損，此外，由於石墨烯/氧化鐵納米棒複合材料還具有光催化效果，其必將導致廢棄的潤滑油通過太陽光降解，不會對環境造成污染。為了獲得性能優異石墨烯/炭基納米複合材料，必須解決石墨烯在聚合物前期體中的分散和相容，我們利用磺化的聚醚醚酮改性氧化石墨烯，使氧化石墨烯通過表面的羧基和羥基與磺化聚醚醚酮的磺酸基形成氫鍵，由於在石墨烯表面含有聚醚醚酮大分子鏈，其能均勻的分散到聚醚醚酮基體中，所製備的薄膜材料表面光滑，柔韌性非常好，與碳納米管增強的複合材料相比，氧化石墨烯增強的薄膜材料具有更高的力學和摩擦學性能。最後，我們以氧化石墨烯為填料，採用冷壓成型法製備了氧化石墨烯改性聚醯亞胺( PI) 納米複合材料，經進一步預氧化和炭化得到納米炭材料。結果表明，加入石墨烯後，PI的分子取向變大，結晶度下降。對氧化、環化和脫氫反應可產生一定的抑制作用，導致預氧化反應程度下降。同時，石墨烯可作為炭化階段微晶生長的晶核，有利於碳網平面的快速生長。添加石墨烯之後導致炭納米複合材料的摩擦係數降低，抗磨性能提高。
