纯铜gcr15钢表面在含氧化石墨烯水润滑下的摩擦学行为研究
毕业设计说明书(论文)中文毕业设计说明书(论文)中文本文采用了Hummers方法制备氧化石墨烯，然后配置成溶液，在UMT摩擦磨损实验及上进行摩擦磨损实验。使用ADE三维形貌仪对试样的表面的磨损程度进行分析，并用扫描电镜观察了磨损形貌。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水溶液的润滑机理。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摩擦副的减磨性和耐磨性。纯铜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，从而避免了纯铜与钢的直接接触，从而起到润滑效果。关键词 氧化石墨烯，纯铜，摩擦因数，磨损量目 录
1绪论 1
1.1 纯铜介绍 1
1.2 氧化石墨烯介绍 1
1.3 本课题的研究方法 4
2 实验过程部分 5
2.1 氧化石墨烯制备 5
2.2 摩擦磨损实验. 6
2.3 氧化石墨烯的表征手段 8
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 磨损机理分析 16
结 论 18
致 谢 19
参考文献 20
1 绪论
1.1 铜
1.1.1铜的概况
铜在元素周期表中排在29位，与金、银是同一族元素(过渡族元素)。铜的密度为8.7g/cm3，相对密度8.94，为面心立方晶体结构[1]。铜的导电、导热性能较好，仅次于银，是电器工业中重要的导电材料[2]。
铜具有面心立方晶格结构，有很强的塑性变形能力，可用压延、挤压、拉伸等加工方法，制成各种半成品。铜可以在加工硬化状态下制作导线。铜的加工性能不会随温度的变化而变化，在低温下也不会显示出脆性，是一种非常理想的金属材料[3]。
1.1.2 纯铜的性质
(1) 纯铜的摩擦性质
纯 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
电、导热性能较好，仅次于银，是电器工业中重要的导电材料[2]。
铜具有面心立方晶格结构，有很强的塑性变形能力，可用压延、挤压、拉伸等加工方法，制成各种半成品。铜可以在加工硬化状态下制作导线。铜的加工性能不会随温度的变化而变化，在低温下也不会显示出脆性，是一种非常理想的金属材料[3]。
1.1.2 纯铜的性质
(1) 纯铜的摩擦性质
纯铜在干摩擦条件下具有摩擦系数波动程度明显，磨损体积大的问题，尤其是在摩擦速度快、摩擦温度高的条件下，摩擦表面易形成金属粘着而加剧磨损。纯铜摩擦时，形成的第三体颗粒尺寸大、粘着性强，金属间的粘着撕裂造成摩擦系数剧烈波动和磨损体积加大[4]。
(2)纯铜的导热性能
铜中含有的自由电子会使得其导热性能非常优良，仅次于银。又因为他的价格低廉，储量丰富，所以被广泛的用于制造电线电缆、引线框架等电子器件。另外还有以下设备如热交换器、散热器、冷凝器等，都使用到铜作为关键材料。
(3)铜的耐蚀性
铜比起一般的钢材，其耐蚀性能要好多，且在碱性气氛中要优于铝。铜是电位比较正的金属，在淡水中的腐蚀速度很低，并且在输水时不会沉积矿物质。因此在一些高级卫浴中经常使用铜制水管、龙头等。铜在大气中受腐蚀后表面会形成一层铜绿，可以起到隔离防护的作用。
(4)铜的导电性
铜具有很好的导电性，被广泛的应用于电子电器、工业设备等方面。它具有优良的导电性主要是因为它的结构中含有大量的自由电子，导电性仅次于银。
1.2 氧化石墨烯的概述
1.2.1 氧化石墨烯的结构和性能
氧化石墨烯是石墨烯重要的派生物，它的结构与石墨烯大体相同[5]。20世纪后半叶，人们发现石墨烯的二位结构可以稳定存在后，氧化石墨烯迅速成为研究中的热点问题。虽然制备石墨烯的方法很多，但只有化学还原氧化石墨烯可以制得大量的石墨烯，因此，由石墨制备氧化石墨烯被认为是大规模合成石墨烯的战略起点；同时由于氧化石墨烯上分布有很多亲水性的官能团，这使得氧化石墨烯不但拥有很好的亲水性和在水中的分散性，而且能够通过化学改性使其拥有更广泛的用途[6]。
图1-1是氧化石墨烯的结构模型。由图可见，在氧化石墨烯单片上随机分布着羟基和环氧基，而在单片的边缘则引入了羧基和羰基。由于氧化石墨烯原子层单一，所以可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米，也就是说，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度[7]。
图1-1 氧化石墨烯的结构
1.2.2 氧化石墨烯的制备
比较常见的氧化石墨烯制备方法有以下三种：Brodie方法、Staudenmaier方法和Hummers方法[8]。这三种方法的基本原理均为石墨在强酸(如浓H2SO4、浓NaNO3)和强氧化剂(如KMnO4)的共同作用下，其固有结构被打破，得到不同氧化程度的氧化石墨，然后通过长时间振荡或者搅拌来获得分散比较均匀的氧化石墨烯溶液，然后再烘干得到片状的氧化石墨烯[9]。
(a) Brodie方法
首先将天然的石墨粉用发烟浓硝酸处理，即氧化步骤。石墨被初步氧化后，硝酸根离子会进入石墨片层之间，然后加入强氧化剂KClO4使其氧化充分。最后加入大量的水，去除溶液中的杂质离子，至中性，超声处理，干燥即可获得氧化石墨烯[10]。并且在此过程中一直保持搅拌状态。
(b) Staudenmaier方法
先将发烟浓硝酸和浓硫酸按照一定的比例配置成混合酸性溶液，再对天然的石墨粉末进行处理，最后也同样利用KClO4作为强氧化剂，最终得到氧化石墨烯[11]。
(c) Hummers方法
将天然石墨粉和无水的硝酸钠一起加入到置于冰水浴环境的浓硫酸中[12]，并在不停的搅拌条件下，缓慢的加入氧化剂KMnO4，并且利用体积分数为3%的双氧水处理多余的KMnO4和生成的 MnO2，最后加入大量的水，去除溶液中的其他离子，获得氧化石墨烯。
研究调查发现，Brodie 法和Staudenmaier 法获得的氧化石墨烯，虽然氧化效果好，但反应过程中易产生ClO2、NO2和N2O4等有毒气体[13]，不仅污染环境还对人体有害，并且其结构上碳层会受到较为严重的破环。Hummers方法是利用无毒和无危害的原料试剂对石墨进行氧化处理，并且制备出的氧化石墨烯结构较为完整。Hummers法虽使用较为普遍[14]，但其中氧化剂KMnO4的过量使用又会给后续工作带来影响，基于以上各因素，人们又开发出了改进的Hummers 法[15]，该法以Hummers法为基础，在石墨氧化之前先进行一步预氧化，一般采用K2S2O8和P2O5作为混合氧化剂，这样既能提高石墨的氧化程度，又可以减少氧化过程中氧化剂的使用量[16]。
1.1.3 氧化石墨烯的应用领域
氧化石墨烯是一种性能优异的新型碳材料，具有较高的比表面积和表面丰富的官能团[17]。氧化石墨烯经过表面处理和表面改性得到的复合材料具有广泛的应用领域，因此氧化石墨烯的表面改性成为另一个研究重点。
(1) 分析检测领域的应用
研究发现将氧化石墨烯应用于PCR技术中[18]，可显著提高PCR的特异性、灵敏度和扩增产量，并可消除扩增中形成的引物二聚体，且优化区间广，可广泛适用于各种浓度和复杂程度的DNA模板[19]。与其他已应用于PCR技术中的碳纳米材料相比，氧化石墨烯对PCR的优化具有更加优异的综合效果。
1绪论 1
1.1 纯铜介绍 1
1.2 氧化石墨烯介绍 1
1.3 本课题的研究方法 4
2 实验过程部分 5
2.1 氧化石墨烯制备 5
2.2 摩擦磨损实验. 6
2.3 氧化石墨烯的表征手段 8
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 磨损机理分析 16
结 论 18
致 谢 19
参考文献 20
1 绪论
1.1 铜
1.1.1铜的概况
铜在元素周期表中排在29位，与金、银是同一族元素(过渡族元素)。铜的密度为8.7g/cm3，相对密度8.94，为面心立方晶体结构[1]。铜的导电、导热性能较好，仅次于银，是电器工业中重要的导电材料[2]。
铜具有面心立方晶格结构，有很强的塑性变形能力，可用压延、挤压、拉伸等加工方法，制成各种半成品。铜可以在加工硬化状态下制作导线。铜的加工性能不会随温度的变化而变化，在低温下也不会显示出脆性，是一种非常理想的金属材料[3]。
1.1.2 纯铜的性质
(1) 纯铜的摩擦性质
纯 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
电、导热性能较好，仅次于银，是电器工业中重要的导电材料[2]。
铜具有面心立方晶格结构，有很强的塑性变形能力，可用压延、挤压、拉伸等加工方法，制成各种半成品。铜可以在加工硬化状态下制作导线。铜的加工性能不会随温度的变化而变化，在低温下也不会显示出脆性，是一种非常理想的金属材料[3]。
1.1.2 纯铜的性质
(1) 纯铜的摩擦性质
纯铜在干摩擦条件下具有摩擦系数波动程度明显，磨损体积大的问题，尤其是在摩擦速度快、摩擦温度高的条件下，摩擦表面易形成金属粘着而加剧磨损。纯铜摩擦时，形成的第三体颗粒尺寸大、粘着性强，金属间的粘着撕裂造成摩擦系数剧烈波动和磨损体积加大[4]。
(2)纯铜的导热性能
铜中含有的自由电子会使得其导热性能非常优良，仅次于银。又因为他的价格低廉，储量丰富，所以被广泛的用于制造电线电缆、引线框架等电子器件。另外还有以下设备如热交换器、散热器、冷凝器等，都使用到铜作为关键材料。
(3)铜的耐蚀性
铜比起一般的钢材，其耐蚀性能要好多，且在碱性气氛中要优于铝。铜是电位比较正的金属，在淡水中的腐蚀速度很低，并且在输水时不会沉积矿物质。因此在一些高级卫浴中经常使用铜制水管、龙头等。铜在大气中受腐蚀后表面会形成一层铜绿，可以起到隔离防护的作用。
(4)铜的导电性
铜具有很好的导电性，被广泛的应用于电子电器、工业设备等方面。它具有优良的导电性主要是因为它的结构中含有大量的自由电子，导电性仅次于银。
1.2 氧化石墨烯的概述
1.2.1 氧化石墨烯的结构和性能
氧化石墨烯是石墨烯重要的派生物，它的结构与石墨烯大体相同[5]。20世纪后半叶，人们发现石墨烯的二位结构可以稳定存在后，氧化石墨烯迅速成为研究中的热点问题。虽然制备石墨烯的方法很多，但只有化学还原氧化石墨烯可以制得大量的石墨烯，因此，由石墨制备氧化石墨烯被认为是大规模合成石墨烯的战略起点；同时由于氧化石墨烯上分布有很多亲水性的官能团，这使得氧化石墨烯不但拥有很好的亲水性和在水中的分散性，而且能够通过化学改性使其拥有更广泛的用途[6]。
图1-1是氧化石墨烯的结构模型。由图可见，在氧化石墨烯单片上随机分布着羟基和环氧基，而在单片的边缘则引入了羧基和羰基。由于氧化石墨烯原子层单一，所以可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米，也就是说，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度[7]。
图1-1 氧化石墨烯的结构
1.2.2 氧化石墨烯的制备
比较常见的氧化石墨烯制备方法有以下三种：Brodie方法、Staudenmaier方法和Hummers方法[8]。这三种方法的基本原理均为石墨在强酸(如浓H2SO4、浓NaNO3)和强氧化剂(如KMnO4)的共同作用下，其固有结构被打破，得到不同氧化程度的氧化石墨，然后通过长时间振荡或者搅拌来获得分散比较均匀的氧化石墨烯溶液，然后再烘干得到片状的氧化石墨烯[9]。
(a) Brodie方法
首先将天然的石墨粉用发烟浓硝酸处理，即氧化步骤。石墨被初步氧化后，硝酸根离子会进入石墨片层之间，然后加入强氧化剂KClO4使其氧化充分。最后加入大量的水，去除溶液中的杂质离子，至中性，超声处理，干燥即可获得氧化石墨烯[10]。并且在此过程中一直保持搅拌状态。
(b) Staudenmaier方法
先将发烟浓硝酸和浓硫酸按照一定的比例配置成混合酸性溶液，再对天然的石墨粉末进行处理，最后也同样利用KClO4作为强氧化剂，最终得到氧化石墨烯[11]。
(c) Hummers方法
将天然石墨粉和无水的硝酸钠一起加入到置于冰水浴环境的浓硫酸中[12]，并在不停的搅拌条件下，缓慢的加入氧化剂KMnO4，并且利用体积分数为3%的双氧水处理多余的KMnO4和生成的 MnO2，最后加入大量的水，去除溶液中的其他离子，获得氧化石墨烯。
研究调查发现，Brodie 法和Staudenmaier 法获得的氧化石墨烯，虽然氧化效果好，但反应过程中易产生ClO2、NO2和N2O4等有毒气体[13]，不仅污染环境还对人体有害，并且其结构上碳层会受到较为严重的破环。Hummers方法是利用无毒和无危害的原料试剂对石墨进行氧化处理，并且制备出的氧化石墨烯结构较为完整。Hummers法虽使用较为普遍[14]，但其中氧化剂KMnO4的过量使用又会给后续工作带来影响，基于以上各因素，人们又开发出了改进的Hummers 法[15]，该法以Hummers法为基础，在石墨氧化之前先进行一步预氧化，一般采用K2S2O8和P2O5作为混合氧化剂，这样既能提高石墨的氧化程度，又可以减少氧化过程中氧化剂的使用量[16]。
1.1.3 氧化石墨烯的应用领域
氧化石墨烯是一种性能优异的新型碳材料，具有较高的比表面积和表面丰富的官能团[17]。氧化石墨烯经过表面处理和表面改性得到的复合材料具有广泛的应用领域，因此氧化石墨烯的表面改性成为另一个研究重点。
(1) 分析检测领域的应用
研究发现将氧化石墨烯应用于PCR技术中[18]，可显著提高PCR的特异性、灵敏度和扩增产量，并可消除扩增中形成的引物二聚体，且优化区间广，可广泛适用于各种浓度和复杂程度的DNA模板[19]。与其他已应用于PCR技术中的碳纳米材料相比，氧化石墨烯对PCR的优化具有更加优异的综合效果。
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