石墨烯合金剎車片的制備與摩擦學性能研究

熊萬軍　陶濤

摘 要：2004年，英國曼徹斯特大學AndreGeim[1]團隊用一種簡單易行的膠帶剝離法成功制備出了石墨烯。石墨烯具有的褶皺結構或附著在基底上才可在空氣中穩定存在，屬于準二維原子晶體材料[2]，具有出色的電、熱特性及機械特性[3]，在微電子、能源、信息，特別在材料和生物醫藥等領域具有重大的應用前景。

關鍵詞：石墨烯合金；摩擦學性能；剎車片的制備

中圖分類號：TH117 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）04-0067-01

1 引言

本研究通過對稻麥秸稈氧化石墨烯進行改性處理后，制成稻麥秸稈石墨烯改性材料，制造動力車輛剎車片，并研究其摩擦學性能。

2 試驗過程

2.1 制備改性氧化石墨烯粉末

制備過程如下：

（1）以稻麥秸稈為原料，以一定的工序制成人造石墨，后通過氧化還原反應，制成石墨烯原液。（2）采用合金爐對材料進行處理。稻麥秸稈氧化石墨烯原液，加溫到220℃添加1%的99.99銀進行攪拌，10分鐘后，停止攪拌，沖入氯氣，密封，加壓10兆帕，恒溫保溫30分鐘；繼續攪拌升溫至400℃，恒溫1小時后排出氯氣；氯氣排出后，攪拌過程升溫至1100℃，添加二硫化鉬后繼續攪拌并充入氮氣，這個升溫過程控制約3小時；3小時后降溫到800℃，添加稀土鹽，攪拌30分鐘。恒溫3小時；降溫到300℃，添加還原劑。攪拌1小時。恒溫30分鐘；30分鐘后，排除氮氣，加入還原劑，攪拌至自然降溫到常溫；干燥處理，制成稻麥秸稈改性氧化石墨烯粉末。（3）制線。改性后的稻麥秸稈氧化石墨烯材料與樹脂按照1：1.5，制成混合液體，升溫至70℃，攪拌均勻；將棉纖維浸泡到改性稻麥秸稈氧化石墨烯材料與樹脂混合液體中，震動并完全浸泡透；將浸泡后的稻麥秸稈改性氧化石墨烯棉纖維在烘箱中烘干，烘干溫度約90℃，時間為2小時；將烘干后的改性氧化石墨烯棉纖維放入增強處理爐中進行增強處理，溫度約600℃，時間為12小時，處理時確保爐內氣體循環；上捻后制成石墨烯線。（4）機械加工。將浸泡后的稻麥秸稈改性氧化石墨烯棉纖維切段，根據產品需要稱重，放入溫度為150℃-170℃模具中，用高噸四柱位油壓機壓制成形；根據圖紙要求進行磨削、開槽、清邊、噴涂等工序處理，最后將加工好的剎車片放進增強處理爐中進行增強處理，溫度約300℃，時間為20小時。

2.2 力學性能試驗

沖擊韌性試驗按GB/T9096規定的方法進行，試樣尺寸為10mm×10mm×55mm，不帶缺口?？估瓘姸仍囼灠碐B/T7964規定的方法進行，試樣為兩端帶螺紋的圓柱形?？箯潖姸仍囼灠碐B/T 5319規定的方法進行，試樣尺寸為30mm×6mm×12mm。

2.3 摩擦性能試驗

使用的HT-1000高溫摩擦磨損試驗機完成摩擦性能試驗。用線切割將剎車片制成尺寸為20mm×20mm×20mm的試樣，并對試驗表面進行打磨、清洗、除油。對磨件為φ6mm的氧化鋯鋼球，載荷500g，轉速560r/min，摩擦半徑2mm，時間30min。實驗中選取不同溫度：100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃，摩擦系數測試結果直接由測試計算機得到，磨損率計算公式為：w=Δv/sF，其中w：磨損率（mm3/N*m）；Δv：磨損體積（mm3）；s：滑動距離（m）；F：施加的載荷（N）。

3 結果與分析

3.1 形貌結構

通過檢測得到碳的形態分布為：單形態碳占5.7%、10-50層石墨烯占15%的、50層以上石墨烯占43%、剩余36.3%為環形碳。

3.2 強度試驗結果

通過力學性能試驗測得石墨烯基剎車片與傳統剎車片的性能對比，見表1。可以看出，通過改善制備工藝條件制備的石墨烯基剎車片具有更好的服役性能，能有效提高基材的性能。

3.3 摩擦學性能

圖1為傳統剎車片和石墨烯剎車片的摩擦性能對比圖。從磨損率對比圖可以看出，以石墨烯為主要原料、添加Ag、MoS2通過熱壓方式得到的剎車片要比傳統剎車片的在各個溫度段的磨損率都要低的多，100℃-350℃的實驗范圍內均要低于0.1*10-7mm3/N*m，隨著溫度的上升，磨損率變化并不大，這可能是由于石墨烯以及MoS2的優異潤滑性能確保了剎車片在常溫和200℃以下的耐磨性，而銀常作為400℃以下的潤滑劑得到廣泛的應用，它確保了剎車片在200℃及以上溫度段的潤滑性能，從而確保了剎車片在一定溫度區域內確保了潤滑性能，在摩擦磨損工況下，能夠有效防護涂層表面，降低摩磨損率。

4 結語

（1）采用以稻麥秸稈為原料制備得到氧化石墨烯原液，添加銀和二硫化鉬等添加劑得到的改性氧化烯粉末為原料，通過熱壓燒結的方法制備了石墨烯剎車片。（2）石墨烯基剎車片與傳統剎車片相比，具有更高的彎曲強度、最大應變強度和抗沖擊性能，且熱膨脹率更低。（3）石墨烯基增強材料顯示出高耐磨性和低摩擦系數，這是由于石墨烯基體以及添加的銀和二硫化鉬的潤滑作用，使剎車片在100℃-350℃的溫度范圍內具有很好的使用性能。

參考文獻

[1]Novoselov K S，Geim A K，Morozov S V，et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films[J].Science，2004，306（5696）：666.

[2]Geim A K， Novoselov K S.The rise of graphene[J].Nature Materials，2007，6（3）：183.

[3]Lee C，Wei X，Kysar J W，et al. Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene.[J].Science，2008，321（5887）：385-388.