CeF3/GO納米微粒的制備及摩擦學性能研究*

韓　冰，趙　輝，王　麗

(開封大學功能材料研究中心，河南　開封　475004)

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CeF3/GO納米微粒的制備及摩擦學性能研究*

韓冰，趙輝，王麗

(開封大學功能材料研究中心，河南開封475004)

為解決氧化石墨和稀土納米微粒作為潤滑油添加劑在極性溶劑中的分散問題，采用水熱合成法以氧化石墨(GO)、六氟鈦酸銨和硝酸鈰銨為原料一步制備出了CeF3/GO納米微粒，對其結構進行表征，并利用四球摩擦磨損試驗測定其作為基礎油添加劑的摩擦學性能。結果表明，該納米微粒在水和液體石蠟等極性溶劑中具有良好的分散性。當在液體石蠟中的添加量為0.5%時，摩擦系數降低至0.079，磨斑直徑(WSD)減少至0.675 mm，具有良好的減磨抗磨性能。

三氟化鈰；氧化石墨；摩擦學性能

氧化石墨(GO)因獨特的層狀納米結構、高機械強度、彈性模量和熱導率非常適合作為高性能液體潤滑添加劑[1]。由于其表面含有有大量的含氧官能團，表現出較大的親水性，作為添加劑在基礎潤滑油中使用時易團聚，阻礙發揮其抗磨減磨性能。

隨著納米技術的研究深入，研究表明納米微粒能夠以吸附或膜覆蓋的方式作用于摩擦材料表面，通過納米滾珠效應、摩擦化學反應和物理吸附膜[2-4]等機理產生優異的抗磨減摩性能，可適用于條件苛刻的工況環境，開辟了潤滑材料研究的新領域。CeF3、LaF3等稀土納米氟化物晶體結構特殊，在摩擦應力作用下能夠有效地降低潤滑劑的摩擦系數[5-6]。但是稀土納米氟化物表面疏水性較強，限制了其應用范圍。

目前許多研究通常圍繞對稀土納米氟化物進行表面修飾來改變其親水性能，本文將GO與稀土納米氟化物復合，以期制備出一種在水和油性等極性潤滑劑中均具有良好分散性的潤滑油添加劑。以氧化石墨、六氟鈦酸銨和硝酸鈰銨為原料，采用水熱合成法一步制備了CeF3/GO納米微粒，考察了其在不同極性溶劑中的分散性，探討了其作為添加劑對基礎油的摩擦學性能影響。

1　實驗部分

1.1試劑

實驗所用無水乙醇、六氟鈦酸銨、硝酸鈰銨、丙酮、二氯甲烷等主要試劑均為分析純,液體石蠟為化學純,鱗片狀石墨為工業品。

1.2CeF3/GO 納米微粒的合成

本文采用經典Hummers方法制備GO。六氟鈦酸銨與硝酸鈰銨按照摩爾比1:2的比例溶于20 mL蒸餾水中，加入10 mg GO，超聲1 h，混合均勻后繼續加入0.01 moL NH4Cl，產生白色絮狀沉淀。將混合液倒入50 mL反應釜中，170℃反應7 h，所得白色沉淀離心、洗滌，60℃干燥即得產物。

取適量粉體作為樣品，用四球試驗機考察了所制備納米顆粒作為潤滑油添加劑在石蠟油中的摩擦學性能。

2　結果與討論

2.1CeF3/GO 納米微粒的分散性和形貌

圖1a可以看出 CeF3/GO納米微粒平均粒徑為100 nm左右,有輕微團聚，團聚后顆粒大小不超過1 μm。考察CeF3/GO納米微粒的分散性，將其在不同溶劑中超聲分散，結果如圖1b所示:樣品在水和液體石蠟中能均勻分散且具有穩定性；在二氯甲烷和丙酮中分散穩定性較差，靜置3 min后基本沉淀完全，表明納米微粒表面基團極性較大，可以作為添加劑在溶劑極性較大的潤滑劑中使用。

圖1　CeF3/GO 納米微粒掃描電子顯微鏡照片(a)和在水、石蠟油、二氯甲烷和丙酮中的分散性(b)

2.2CeF3/GO納米微粒的結構分析

從圖2a CeF3/GO納米微粒的紅外光譜中可以看出，3250 cm-1處的強吸收是水分子的OH 伸縮振動，這是由于氧化石墨結構中存在的含氧基團易吸附水分子。3110 cm-1處的吸收峰是氧化石墨結構中-OH的伸縮振動，2870 cm-1處的峰是-CH2的對稱伸縮振動，1640 cm-1處的峰是水分子的O-H 彎曲振動，1426 cm-1處的強峰是-OH 彎曲振動，406 cm-1的強峰為Ce-F鍵的振動峰，表明CeF3成功與GO復合形成納米微粒。

圖2　CeF3/GO納米微粒的紅外光譜(a)和XRD(b)

從圖2b中可以看出，2θ位于24.525°、25.021°、27.956°、44.112°、45.291°、51.091°、52.980°、56.954°、57.875°、65.000°、68.924°、69.883°、71.293°、75.375°的衍射峰分別歸屬為CeF3，與標準譜圖庫JCPDS 72-1436一致，證明該復合材料中含有CeF3。2θ位于10.663°的衍射峰歸屬為氧化石墨，與文獻報道一致[7]，證明該復合材料中含有GO；位于25.774°的強峰歸屬于石墨，對比標準譜圖衍射峰位置發生偏移，這可能是由于在制備氧化石墨的過程中部分石墨片層未能插層氧化完全，保有原石墨的周期性的同時改變了片層之間的間距，在170℃的高溫反應過程中被水還原成石墨。其余衍射峰與標準譜圖庫JCPDS 70-4378一致，是在反應過程中形成的少量副產物H25.5(NH4)10.5(Ce9O27F18)。

2.3CeF3/GO納米微粒的摩擦學性能

在300 N、30 min、1000 rpm的條件下,考察CeF3/GO 納米微粒濃度對摩擦系數和磨斑直徑的影響。從圖4中可以看出，在 0wt%～0.5wt%范圍內,摩擦系數總體隨添加劑含量提高而減小，磨斑直徑由0.894 mm減少到0.675 mm，降低了24.5%；隨著添加濃度的繼續增加，摩擦系數增大。當添加劑質量百分數為0.5%時，減摩效果較好，摩擦系數低至0.079。表明CeF3/GO納米微粒作為潤滑油添加劑能起到良好的抗磨作用，主要由于在摩擦過程中納米顆粒在摩擦副表面形成了保護膜，降低干摩擦現象發生的可能性。當添加量為1.0%時，磨斑直徑增大至0.804 mm，這是由于隨著CeF3/GO納米微粒濃度的增加，過量的納米顆粒在液體石蠟中容易發生團聚形成較大粒徑的顆粒導致摩損的增加。

圖3　CeF3/GO納米微粒在液體石錯中，摩擦系數、磨斑直徑與添加濃度的關系曲線

3　結　論

本文采用水熱合成法以六氟鈦酸銨、硝酸鈰銨和氧化石墨為原料，通過合理控制反應條件，制備了在水和基礎油等極性溶劑中均具有良好分散性的CeF3/GO納米微粒。當其在基礎油中的添加量為0.5%時，摩擦系數為0.079，降低了14.1%，磨斑直徑減少至0.675 mm，顯著提高了基礎油的減摩抗磨性能。

[1]李娜．氧化石墨烯納米復合材料的制備及其摩擦學性能研究[D]．鎮江：江蘇大學碩士學位論文，2013.

[2]Yu HL，Xu Y，Shi PJ，et al．Characterization and nano-mechanical properties of tribo films using Cu nanoparticles as additives[J]．Surface and Coatings Technology，2008，203(1-2)：28-34．

[3]蒲吉斌，王立平，薛群基，等．石墨烯摩擦學及石墨烯基復合潤滑材料的研究進展[J].摩擦學學報，2014，34(1)：93-112.

[4]Choi Y，Lee C，Hwang Y，et al．Tribological behavior of copper nanoparticles as additives in oil[J]．Current Applied Physics，2009，9(2)：124-127．

[5]張杰，朱保利，侯延超，等．水溶性 LaF3納米微粒的制備及其摩擦學行為研究[J]．潤滑與密封，2012，37(5)：48-51．

[6]陳榮，李屹，周元康，等．表面修飾氟化鑭納米粒子的制備及摩擦學性能研究[J]．潤滑與密封，2011，36(12)：50-54．

[7]黃橋，孫紅娟，楊勇輝.氧化石墨的譜學表征及分析[J]．無機化學學報，2011，27(9)：1721-1726．

Preparation and Tribological Properties of CeF3/GO Nanoparticles*

HAN Bing,ZHAO Hui,WANG Li

(Research Center of Functional Materials,Kaifeng University,Henan Kaifeng 475004,China)

To solve the dispersion of the graphite oxide and rare earth nanoparticles as lubricating oil additives in polar solvents,graphite oxide (GO),ammonium fluotitanate and ammonium ceric nitrate were introduced to synthesize CeF3/GO nano particles by hydrothermal method.The structure was characterized.The tribological properties of CeF3/GO nanoparticles were evaluated with a four-ball test machine.The results indicated that CeF3/GO nanoparticles can be well dispersed in polar solvent as water and liquid paraffin.The count of additives at 0.5% showed the best tribological properties among the tested oil samples,decreasing friction coefficient to 0.079 and wear scar diameter (WSD) to 0.675 mm.

cerium fluoride;graphite oxide;tribological properties

河南省高等學校重點科研項目計劃(15B15007)；開封市科技發展計劃平臺建設項目(No.1408001)。

韓冰(1986-)，女，助教，研究內容：主要從事無機納米復合材料的制備及應用。

O61

A

1001-9677(2016)04-0032-03