铜合金gcr15钢在含氧化石墨烯水润滑下的摩擦学行为研究
本文选用Hummers方法来制备氧化石墨烯，并将其配制成水溶液，通过ADE三维形貌表征、摩擦磨损试验机测定磨损量和摩擦因数，用扫描电子显微镜观察磨损形貌。研究了氧化石墨烯浓度、载荷、频率等对摩擦因数和磨损体积的影响，并进一步探讨了氧化石墨烯的润滑机理。由实验结果得出随着载荷和频率的增加，摩擦因数逐渐减小，磨损体积逐渐减大；摩擦因数和磨损体积随着浓度的增加均减小。氧化石墨烯水溶液提高了摩擦副的耐磨性和减磨性。铜合金在氧化石墨烯水溶液润滑下的磨损机制主要为磨粒磨损。摩擦过程中，由于氧化石墨烯的片层结构，可以与摩擦副表面接触而发生相对滑动，从而避免了铜合金与GCr15钢的直接接触，从而起到润滑的效果。关键词 氧化石墨烯，铜合金，摩擦因数，磨损量
目 录
1引言 1
1.1 氧化石墨烯的概述 1
1.2 铜合金的概述 4
1.3 本课题的研究方法、目的和意义 5
2 实验部分 6
2.1 氧化石墨烯制备 6
2.2 氧化石墨烯的表征手段. 7
2.3 摩擦磨损实验 7
3 实验结果与分析 8
3.1 氧化石墨烯的结构与形貌 8
3.2 摩擦因数 10
3.3 磨损量 11
3.4 磨损形貌 14
3.5 磨损机理分析 16
结 论 18
致 谢 19
参考文献 20
1 引言
1.1 氧化石墨烯的概述
1.1.1 氧化石墨烯的结构和性能
氧化石墨烯，简称GO，是由石墨烯经氧化后形成的氧化物，呈棕色或黄色，一般以粉末状、片状以及溶液状在市面流通。下面是氧化石墨烯的结构模型图：环氧基功能团和羟基功能团不定数量的附着在氧化石墨烯单片上，羰基功能团和羧基功能团也附着在氧化石墨烯单片上，只是在远离单片中心的位置。由于氧化石墨烯属于原子层结构，且结构单一，所以在横向方向上，其尺寸可以任意延展到几十微米，也就是说，它在结构方面打破了一般材料科学和化学的典型尺度范围。另外，石墨在经过氧化处理后不会改变其原来的层状结构，只是会有许多氧基功能团被吸附在每一层的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
石墨烯单片上。，氧化石墨烯的结构从单一转变为复杂正是仰仗于这些氧基功能团[1]。
图11氧化石墨烯的结构模型图
氧化石墨烯表面有大量的含氧功能团，因此氧化石墨烯的特性很活跃，如：优越的亲水性、良好的分散性、与聚合物相容性高等。但由于功能基团的引入，使层面内的π键不能相连接，平面的sp2杂化轨道遭到破坏，传导电子的能力丧失，因此，氧化石墨烯的导电能力非常差。由于含氧官能团亲水性较好，因此在氧化石墨烯的应用中，这些含氧官能团能使氧化石墨烯和水溶液充分相结合。与此同时，由于羟基、羧基具有能够与有机分子、聚合物有效复合的化学特性，所以可以使之形成崭新的功能纳米复合材料[2]。
另外，氧化石墨烯被看做是一种具有特殊型态的非硬性材料，涵盖了胶体、聚合物、薄膜以及两性分子的一些特征。因为氧化石墨烯在水中能够充分的扩散出来，所以它又被视为亲水性物质。
1.1.2 氧化石墨烯的制取
制备氧化石墨烯方法中最经典的有以下三种：Brodie方法[3]、Staudenmaier方法[4]和Hummers方法[5]。这三种方法依据的原理都为：在强氧化剂(如高锰酸钾)和强酸(如浓硝酸钠、浓硫酸）的相互作用下，石墨的固有结构被破坏，得到的氧化石墨具有不同的氧化程度，然后经过一段时间磁力搅拌器的机械搅拌或者超声震荡获得氧化石墨烯的水溶液。
(a) Brodie（布罗迪）方法
先在石墨粉中加入发烟浓硝酸，使石墨发生氧化反应，每层石墨之间都会有硝酸离子，再加入高氯酸钾作为氧化剂，使之互相反应氧化。最后加水使溶液呈中性，将溶液中的杂质离子除去，经超声处理并干燥后获得的就是氧化石墨烯。注意，从头到尾都要不断搅拌。
(b) Staudenmaier（施陶登迈尔）方法
先将浓硫酸和发烟浓硝酸按比例调配成混合性酸性溶液，再将石墨粉经过这些酸性溶液处理，加入高氯酸钾作为强氧化剂，获得氧化石墨烯。
(c) Hummers（赫默）方法
提前准备一个冰水浴环境，在这个环境中，在装有浓硫酸的烧杯中加入无水的硝酸钠和石墨粉，并不停的搅拌，分次加入高锰酸钾氧化剂，再用体积分数为3%的双氧水处理生成的氧化锰和多余的高锰酸钾，最后加水中和，使游离在溶液的其他离子去除，获得氧化石墨烯。
据研究调查，施陶登迈尔法和布罗迪法制出的氧化石墨烯，虽然有较高的氧化程度，但在反应过程中，由于大量的使用强酸，易产生二氧化氮、四氧化二氮和二氧化氯等有毒气体，而且在一定程度上会污染环境，并且会较为严重的破环其结构上的碳层。赫默法是通过无危害和无毒的原料试剂和石墨进行氧化反应，并且能够避免制备过程中氧化石墨烯结构被破坏。赫默法虽然通常被使用，但其中过量的使用高锰酸钾又会影响实验结果，因此，人们又进一步改进了赫默法，该法在原来的基础上，对石墨在氧化之前先预先进行了氧化，一般采用高硫酸钾和氧化磷的混合物作为氧化剂，这样既能减少氧化剂的使用，又可以提高氧化反应的氧化程度[6]。
1.1.3 氧化石墨烯的应用
氧化石墨烯是一种新型碳材料，具有优异的性能，较高的比表面积和丰富的表面官能团。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，应用规模更加广泛，因此氧化石墨烯的表面改性是研究的重点[7]。
(1) 分析检测领域的应用
在多聚酶链式反应（以下简称PCR）方面，如果在反应中加入氧化石墨烯，那么反应的特异性会更加突出、灵敏度更加明显，扩增产量也会得到大幅度的提升，还可以使扩增区中形成的引物二聚体得到减少，使优化区间扩大。还可以打破受复杂程度和浓度约束的DNA模板的僵局。与PCR技术中用到的碳纳米材料相比，氧化石墨烯对PCR优化后的成效具有更加显著的综合性[8]。
目 录
1引言 1
1.1 氧化石墨烯的概述 1
1.2 铜合金的概述 4
1.3 本课题的研究方法、目的和意义 5
2 实验部分 6
2.1 氧化石墨烯制备 6
2.2 氧化石墨烯的表征手段. 7
2.3 摩擦磨损实验 7
3 实验结果与分析 8
3.1 氧化石墨烯的结构与形貌 8
3.2 摩擦因数 10
3.3 磨损量 11
3.4 磨损形貌 14
3.5 磨损机理分析 16
结 论 18
致 谢 19
参考文献 20
1 引言
1.1 氧化石墨烯的概述
1.1.1 氧化石墨烯的结构和性能
氧化石墨烯，简称GO，是由石墨烯经氧化后形成的氧化物，呈棕色或黄色，一般以粉末状、片状以及溶液状在市面流通。下面是氧化石墨烯的结构模型图：环氧基功能团和羟基功能团不定数量的附着在氧化石墨烯单片上，羰基功能团和羧基功能团也附着在氧化石墨烯单片上，只是在远离单片中心的位置。由于氧化石墨烯属于原子层结构，且结构单一，所以在横向方向上，其尺寸可以任意延展到几十微米，也就是说，它在结构方面打破了一般材料科学和化学的典型尺度范围。另外，石墨在经过氧化处理后不会改变其原来的层状结构，只是会有许多氧基功能团被吸附在每一层的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
石墨烯单片上。，氧化石墨烯的结构从单一转变为复杂正是仰仗于这些氧基功能团[1]。
图11氧化石墨烯的结构模型图
氧化石墨烯表面有大量的含氧功能团，因此氧化石墨烯的特性很活跃，如：优越的亲水性、良好的分散性、与聚合物相容性高等。但由于功能基团的引入，使层面内的π键不能相连接，平面的sp2杂化轨道遭到破坏，传导电子的能力丧失，因此，氧化石墨烯的导电能力非常差。由于含氧官能团亲水性较好，因此在氧化石墨烯的应用中，这些含氧官能团能使氧化石墨烯和水溶液充分相结合。与此同时，由于羟基、羧基具有能够与有机分子、聚合物有效复合的化学特性，所以可以使之形成崭新的功能纳米复合材料[2]。
另外，氧化石墨烯被看做是一种具有特殊型态的非硬性材料，涵盖了胶体、聚合物、薄膜以及两性分子的一些特征。因为氧化石墨烯在水中能够充分的扩散出来，所以它又被视为亲水性物质。
1.1.2 氧化石墨烯的制取
制备氧化石墨烯方法中最经典的有以下三种：Brodie方法[3]、Staudenmaier方法[4]和Hummers方法[5]。这三种方法依据的原理都为：在强氧化剂(如高锰酸钾)和强酸(如浓硝酸钠、浓硫酸）的相互作用下，石墨的固有结构被破坏，得到的氧化石墨具有不同的氧化程度，然后经过一段时间磁力搅拌器的机械搅拌或者超声震荡获得氧化石墨烯的水溶液。
(a) Brodie（布罗迪）方法
先在石墨粉中加入发烟浓硝酸，使石墨发生氧化反应，每层石墨之间都会有硝酸离子，再加入高氯酸钾作为氧化剂，使之互相反应氧化。最后加水使溶液呈中性，将溶液中的杂质离子除去，经超声处理并干燥后获得的就是氧化石墨烯。注意，从头到尾都要不断搅拌。
(b) Staudenmaier（施陶登迈尔）方法
先将浓硫酸和发烟浓硝酸按比例调配成混合性酸性溶液，再将石墨粉经过这些酸性溶液处理，加入高氯酸钾作为强氧化剂，获得氧化石墨烯。
(c) Hummers（赫默）方法
提前准备一个冰水浴环境，在这个环境中，在装有浓硫酸的烧杯中加入无水的硝酸钠和石墨粉，并不停的搅拌，分次加入高锰酸钾氧化剂，再用体积分数为3%的双氧水处理生成的氧化锰和多余的高锰酸钾，最后加水中和，使游离在溶液的其他离子去除，获得氧化石墨烯。
据研究调查，施陶登迈尔法和布罗迪法制出的氧化石墨烯，虽然有较高的氧化程度，但在反应过程中，由于大量的使用强酸，易产生二氧化氮、四氧化二氮和二氧化氯等有毒气体，而且在一定程度上会污染环境，并且会较为严重的破环其结构上的碳层。赫默法是通过无危害和无毒的原料试剂和石墨进行氧化反应，并且能够避免制备过程中氧化石墨烯结构被破坏。赫默法虽然通常被使用，但其中过量的使用高锰酸钾又会影响实验结果，因此，人们又进一步改进了赫默法，该法在原来的基础上，对石墨在氧化之前先预先进行了氧化，一般采用高硫酸钾和氧化磷的混合物作为氧化剂，这样既能减少氧化剂的使用，又可以提高氧化反应的氧化程度[6]。
1.1.3 氧化石墨烯的应用
氧化石墨烯是一种新型碳材料，具有优异的性能，较高的比表面积和丰富的表面官能团。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，应用规模更加广泛，因此氧化石墨烯的表面改性是研究的重点[7]。
(1) 分析检测领域的应用
在多聚酶链式反应（以下简称PCR）方面，如果在反应中加入氧化石墨烯，那么反应的特异性会更加突出、灵敏度更加明显，扩增产量也会得到大幅度的提升，还可以使扩增区中形成的引物二聚体得到减少，使优化区间扩大。还可以打破受复杂程度和浓度约束的DNA模板的僵局。与PCR技术中用到的碳纳米材料相比，氧化石墨烯对PCR优化后的成效具有更加显著的综合性[8]。
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