tc4钛合金gcr15钢表面在含氧化石墨烯水润滑下的摩擦学行为研究(附件)
本文采用改进后Hummers方法制备氧化石墨烯，并配制成溶液，通过摩擦磨损试验机测定了摩擦因数，利用超景深显微镜分析了磨损量以及采用扫描电子显微镜观察了磨损形貌。系统研究了载荷、频率、氧化石墨烯浓度等对摩擦因数和磨损体积的影响，并探讨了氧化石墨烯的润滑机理。结果表明：摩擦因数随着载荷和频率增加而减小；磨损体积随着载荷和频率增加而减大；摩擦因数和磨损体积随着浓度的增加均减小。氧化石墨烯水溶液能提高了摩擦副的减磨性和耐磨性。钛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，从而避免了钛合金与GCr15的直接接触，从而起到润滑效果。关键词 氧化石墨烯，钛合金，摩擦因数，磨损量目 录
1 绪论 1
1.1 TC4钛合金概述 1
1.2 氧化石墨烯的概述 2
1.3 本课题的研究方法、目的和意义 4
2 实验部分 6
2.1 钛合金试样的制备 6
2.2 氧化石墨烯的制备 6
2.3 摩擦磨损试验 8
2.4 实验结果表征 9
3 实验结果及分析 9
3.1 氧化石墨烯的结构和形貌 9
3.2 摩擦因数 11
3.3 磨损体积 12
3.4 磨损机理分析 15
结 论 17
致 谢 18
参 考 文 献 19
1 绪论
1.1 TC4钛合金概述
TC4钛合金材料的组成成分为Ti6Al4V，为（α+β）型两相组织，化学成分（wt﹪）为Al：5.50~6.75，V：3.50~4.50，Fe：0.50，C：0.10，O：0.20，N余量，具有较好的综合力学性能。钛合金因为具有密度小、比强度高、耐蚀性良好等优点，主要用于航空航天、船舶工业、石油化工和生物医药等领域[1]，近年来虽然在体育器材、装甲、建筑、汽车等新领域的应用有所增长，但尚未取得具有突破性的进展。我国钛合金材料的产量呈稳定性增长，但需求量的上升非常快，目前已经供不应求，需要从国外大量的进口。TC4钛合金是 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
0~4.50，Fe：0.50，C：0.10，O：0.20，N余量，具有较好的综合力学性能。钛合金因为具有密度小、比强度高、耐蚀性良好等优点，主要用于航空航天、船舶工业、石油化工和生物医药等领域[1]，近年来虽然在体育器材、装甲、建筑、汽车等新领域的应用有所增长，但尚未取得具有突破性的进展。我国钛合金材料的产量呈稳定性增长，但需求量的上升非常快，目前已经供不应求，需要从国外大量的进口。TC4钛合金是在上个世纪五十年代最早研制成功的等轴马氏体型两相合金[2]，现在TC4钛合金已经发展为最广泛的钛合金之一，使用量超过了钛合金材料总量的50%。存在的问题是TC4钛合金的抗摩擦磨损性能较差，在磨损中容易出现粘着、咬合现象。基于这些问题，提高TC4钛合金抗摩擦磨损性能的相关表面改性技术在不断的进行改进，并且已经取得了广泛应用。目前，对TC4钛合金的研究正朝向高性能、低成本方向前进发展[3]。
钛合金材料具有如下优点：
（1）比强度高[4]。钛合金强度很高，抗拉强度范围为686-1176 MPa，而密度仅仅大约是钢的60%，所以比强度高。
（2）硬度较高。退火态的钛合金硬度范围为32-38 HRC。
（3）弹性模量较低。退火态的钛合金弹性模量差不多为钢和不锈钢的50%。
（4）高、低温性能良好[5]。在高的温度下，钛合金的机械性能仍保持良好，其耐热性远远比铝合金要高，并且保持正常工作的温度范围也较宽。
（5）抗腐蚀性能优良。在低于550℃的空气中，钛合金表面会形成薄且密的氧化膜，因此钛合金在大气、海水、硝酸、硫酸等氧化介质或强碱中，其耐蚀性比大多数不锈钢强。
1.1.1 TC4钛合金表面改性技术
由于TC4钛合金主要用于航空航天、船舶工业、石油化工和生物医药等高科技领域，需要在恶劣、复杂的条件下工作，但由于其耐磨性差、生物相容性差、疏水性能差等缺点极大的限制TC4钛合金在这些领域的应用[6]。因此，目前很多科学家研究了各种TC4钛合金表面改性技术，来减小或克服其某种特定缺陷，实现TC4钛合金在某种特定方面性能的改善。
（1）提高耐磨性
在忽略摩擦副间初始磨合的条件下，TC4钛合金表面硬度越高，其耐磨性就越优良。因此提高TC4钛合金表面硬度是改善耐磨性的有效手段之一[7]，目前应用较多的主要有喷丸、化学镀、离子注入、磁控溅射、微弧氧化、激光表面处理等等。喷丸强化的作用主要是在预处理阶段细化TC4钛合金表面晶粒，获得较大残余应力，从而使表面硬度和耐磨性得以提高，此工艺适合大面积的TC4钛合金工件表面改性。离子注入、磁控溅射等技术主要是通过在TC4钛合金表面涂覆各种高硬度耐磨涂层来提高其耐磨性。如TiN涂层，由于钛的氮化物涂层具备耐磨性好、摩擦因数低、化学稳定性好等特性，国内外学者对提高钛合金表面耐磨性和提高植入体使用寿命的相关研究十分活跃，尤其是通过TiN涂层、氮离子注入、离子氮化等方法。TiN涂层可以有效降低钛合金与超高分子量聚乙烯对摩时的氧化磨损以及由PMMA骨水泥导致的第三体磨损，从而能够保护钛合金表面。此外，若将钛合金基体放置在氮气中通过电弧沉积技术在表面沉积出TiN耐磨涂层，则会发现在不同的载荷下，TiN涂层的磨损率比TC4基体减小很多。
（2）提高生物相容性
目前主要可以从三个方面着手：一是通过降低TC4钛合金的弹性模量来消除或减小应力屏蔽；而是降低有毒物质的析出；三是通过降低摩擦磨损使产生的磨屑变少。现在广泛应用的方法是利用气相沉积、磁控溅射、激光熔覆、溶胶一凝胶等在TC4钛合金表面涂覆具有耐磨且无毒的生物陶瓷涂层，如羟基磷灰石涂层(HA )、含氟羟基磷灰石梯度复合涂层(HAF / YSZ )、6PM-B5-F4[8-9]玻璃陶瓷涂层等。在选择生物陶瓷涂层时，不仅要考虑具备相近的弹性模量、较好的耐磨性，而且要考虑具备与TC4钛合金相近的热膨胀系数，否则会在涂覆过程中产生较大的内应力。
（3）改善疏水性
TC4钛合金表面为亲水端，经过抛光后静态接触角为51.6°[10]。研究表明，表面获得疏水性的工艺主要有两类：一种是在疏水表面是构造微纳结构，另一种是在表面修饰低表面能物质[11]。TC4钛合金表面微纳结构主要是通过仿生技术模仿生物超疏水表面形貌，比如超疏水的蝉翼、荷叶等。在TC4钛合金你们涂覆低表面能材料，比如氟硅烷、聚四氟乙烯等，是一种比较可靠的方法。
1.2 氧化石墨烯的概述
1.2.1 氧化石墨烯的结构
氧化石墨烯(graphene oxide，GO)是单层的氧化石墨，是石墨烯通过氧化还原法制备过程中重要的中间产物。其结构与石墨烯的差别是外围连接大量的含氧功能团：大量的羟，基和环氧基连接在石墨烯的上下表层，而大量的羧基和羰基等功能团则附在边缘处[12]。示意图如图1-1所示。
图1-1 氧化石墨烯的结构示意图
1.2.2 氧化石墨烯的性能及应用
氧化石墨烯是在石墨烯的结构表面连接大量的含氧功能团，具有很好的溶解性。此外，由于氧化石墨烯具有石墨烯比表面积大等结构特点，使氧化石墨烯和石墨烯一样具有非常广泛的应用前景。
（1）光响应：目前，氧化石墨烯在电子和光电子器件中起到十分重要的地位，其中的柔性材料和透明材料就是以氧化石墨烯为基础制造的[13]。光响应是由于氧化石墨烯中的电子受到光子的激发，导致产生电流的现象，它的研究是近来对于氧化石墨烯光电特性研究的重要发现。通过研究可以发现，氧化石墨烯最有可能可以作为近红外区光电探测器最有前景的材料之一[14]。
（2）氧化石墨烯的修饰：化学修饰主要有共价键修饰和非共价键修饰。共价键修饰原理是在一定条件下利用氧化石墨烯表面的大量的含氧功能团和其他物质以共价键的方式结合在一起。Niu[15]通过修饰的聚左旋赖氨酸功能化石墨烯材料，发现其具有非常好的水溶性和生物相容性，这一成果使
1 绪论 1
1.1 TC4钛合金概述 1
1.2 氧化石墨烯的概述 2
1.3 本课题的研究方法、目的和意义 4
2 实验部分 6
2.1 钛合金试样的制备 6
2.2 氧化石墨烯的制备 6
2.3 摩擦磨损试验 8
2.4 实验结果表征 9
3 实验结果及分析 9
3.1 氧化石墨烯的结构和形貌 9
3.2 摩擦因数 11
3.3 磨损体积 12
3.4 磨损机理分析 15
结 论 17
致 谢 18
参 考 文 献 19
1 绪论
1.1 TC4钛合金概述
TC4钛合金材料的组成成分为Ti6Al4V，为（α+β）型两相组织，化学成分（wt﹪）为Al：5.50~6.75，V：3.50~4.50，Fe：0.50，C：0.10，O：0.20，N余量，具有较好的综合力学性能。钛合金因为具有密度小、比强度高、耐蚀性良好等优点，主要用于航空航天、船舶工业、石油化工和生物医药等领域[1]，近年来虽然在体育器材、装甲、建筑、汽车等新领域的应用有所增长，但尚未取得具有突破性的进展。我国钛合金材料的产量呈稳定性增长，但需求量的上升非常快，目前已经供不应求，需要从国外大量的进口。TC4钛合金是 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
0~4.50，Fe：0.50，C：0.10，O：0.20，N余量，具有较好的综合力学性能。钛合金因为具有密度小、比强度高、耐蚀性良好等优点，主要用于航空航天、船舶工业、石油化工和生物医药等领域[1]，近年来虽然在体育器材、装甲、建筑、汽车等新领域的应用有所增长，但尚未取得具有突破性的进展。我国钛合金材料的产量呈稳定性增长，但需求量的上升非常快，目前已经供不应求，需要从国外大量的进口。TC4钛合金是在上个世纪五十年代最早研制成功的等轴马氏体型两相合金[2]，现在TC4钛合金已经发展为最广泛的钛合金之一，使用量超过了钛合金材料总量的50%。存在的问题是TC4钛合金的抗摩擦磨损性能较差，在磨损中容易出现粘着、咬合现象。基于这些问题，提高TC4钛合金抗摩擦磨损性能的相关表面改性技术在不断的进行改进，并且已经取得了广泛应用。目前，对TC4钛合金的研究正朝向高性能、低成本方向前进发展[3]。
钛合金材料具有如下优点：
（1）比强度高[4]。钛合金强度很高，抗拉强度范围为686-1176 MPa，而密度仅仅大约是钢的60%，所以比强度高。
（2）硬度较高。退火态的钛合金硬度范围为32-38 HRC。
（3）弹性模量较低。退火态的钛合金弹性模量差不多为钢和不锈钢的50%。
（4）高、低温性能良好[5]。在高的温度下，钛合金的机械性能仍保持良好，其耐热性远远比铝合金要高，并且保持正常工作的温度范围也较宽。
（5）抗腐蚀性能优良。在低于550℃的空气中，钛合金表面会形成薄且密的氧化膜，因此钛合金在大气、海水、硝酸、硫酸等氧化介质或强碱中，其耐蚀性比大多数不锈钢强。
1.1.1 TC4钛合金表面改性技术
由于TC4钛合金主要用于航空航天、船舶工业、石油化工和生物医药等高科技领域，需要在恶劣、复杂的条件下工作，但由于其耐磨性差、生物相容性差、疏水性能差等缺点极大的限制TC4钛合金在这些领域的应用[6]。因此，目前很多科学家研究了各种TC4钛合金表面改性技术，来减小或克服其某种特定缺陷，实现TC4钛合金在某种特定方面性能的改善。
（1）提高耐磨性
在忽略摩擦副间初始磨合的条件下，TC4钛合金表面硬度越高，其耐磨性就越优良。因此提高TC4钛合金表面硬度是改善耐磨性的有效手段之一[7]，目前应用较多的主要有喷丸、化学镀、离子注入、磁控溅射、微弧氧化、激光表面处理等等。喷丸强化的作用主要是在预处理阶段细化TC4钛合金表面晶粒，获得较大残余应力，从而使表面硬度和耐磨性得以提高，此工艺适合大面积的TC4钛合金工件表面改性。离子注入、磁控溅射等技术主要是通过在TC4钛合金表面涂覆各种高硬度耐磨涂层来提高其耐磨性。如TiN涂层，由于钛的氮化物涂层具备耐磨性好、摩擦因数低、化学稳定性好等特性，国内外学者对提高钛合金表面耐磨性和提高植入体使用寿命的相关研究十分活跃，尤其是通过TiN涂层、氮离子注入、离子氮化等方法。TiN涂层可以有效降低钛合金与超高分子量聚乙烯对摩时的氧化磨损以及由PMMA骨水泥导致的第三体磨损，从而能够保护钛合金表面。此外，若将钛合金基体放置在氮气中通过电弧沉积技术在表面沉积出TiN耐磨涂层，则会发现在不同的载荷下，TiN涂层的磨损率比TC4基体减小很多。
（2）提高生物相容性
目前主要可以从三个方面着手：一是通过降低TC4钛合金的弹性模量来消除或减小应力屏蔽；而是降低有毒物质的析出；三是通过降低摩擦磨损使产生的磨屑变少。现在广泛应用的方法是利用气相沉积、磁控溅射、激光熔覆、溶胶一凝胶等在TC4钛合金表面涂覆具有耐磨且无毒的生物陶瓷涂层，如羟基磷灰石涂层(HA )、含氟羟基磷灰石梯度复合涂层(HAF / YSZ )、6PM-B5-F4[8-9]玻璃陶瓷涂层等。在选择生物陶瓷涂层时，不仅要考虑具备相近的弹性模量、较好的耐磨性，而且要考虑具备与TC4钛合金相近的热膨胀系数，否则会在涂覆过程中产生较大的内应力。
（3）改善疏水性
TC4钛合金表面为亲水端，经过抛光后静态接触角为51.6°[10]。研究表明，表面获得疏水性的工艺主要有两类：一种是在疏水表面是构造微纳结构，另一种是在表面修饰低表面能物质[11]。TC4钛合金表面微纳结构主要是通过仿生技术模仿生物超疏水表面形貌，比如超疏水的蝉翼、荷叶等。在TC4钛合金你们涂覆低表面能材料，比如氟硅烷、聚四氟乙烯等，是一种比较可靠的方法。
1.2 氧化石墨烯的概述
1.2.1 氧化石墨烯的结构
氧化石墨烯(graphene oxide，GO)是单层的氧化石墨，是石墨烯通过氧化还原法制备过程中重要的中间产物。其结构与石墨烯的差别是外围连接大量的含氧功能团：大量的羟，基和环氧基连接在石墨烯的上下表层，而大量的羧基和羰基等功能团则附在边缘处[12]。示意图如图1-1所示。
图1-1 氧化石墨烯的结构示意图
1.2.2 氧化石墨烯的性能及应用
氧化石墨烯是在石墨烯的结构表面连接大量的含氧功能团，具有很好的溶解性。此外，由于氧化石墨烯具有石墨烯比表面积大等结构特点，使氧化石墨烯和石墨烯一样具有非常广泛的应用前景。
（1）光响应：目前，氧化石墨烯在电子和光电子器件中起到十分重要的地位，其中的柔性材料和透明材料就是以氧化石墨烯为基础制造的[13]。光响应是由于氧化石墨烯中的电子受到光子的激发，导致产生电流的现象，它的研究是近来对于氧化石墨烯光电特性研究的重要发现。通过研究可以发现，氧化石墨烯最有可能可以作为近红外区光电探测器最有前景的材料之一[14]。
（2）氧化石墨烯的修饰：化学修饰主要有共价键修饰和非共价键修饰。共价键修饰原理是在一定条件下利用氧化石墨烯表面的大量的含氧功能团和其他物质以共价键的方式结合在一起。Niu[15]通过修饰的聚左旋赖氨酸功能化石墨烯材料，发现其具有非常好的水溶性和生物相容性，这一成果使
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