以CuSO4與氧化石墨烯為原料利用原位還原技術(shù)制得納微米結(jié)構(gòu)銅/氧化石墨烯復合微粒。利用透射電鏡(TEM) 、場發(fā)射掃描電鏡(FESEM) 和X 射線衍射(XRD) 對Cu /氧化石墨烯復合微粒進行表征。將復合微粒修飾并添加到液體石蠟中，利用四球摩擦磨損試驗機考察其摩擦學性能。結(jié)果表明，利用原位還原技術(shù)制備的納微米結(jié)構(gòu)的Cu /氧化石墨烯復合微粒中銅的粒徑在100 nm 之內(nèi)；在392 N、1 450 r /min、30 min 實驗條件下，質(zhì)量分數(shù)2.0% 的復合微粒可使液體石蠟的摩擦因數(shù)下降33%，質(zhì)量分數(shù)0.5%的復合微粒可使鋼球磨斑直徑下降25%。

　　碳材料由于具有優(yōu)異的物理和化學性質(zhì)成為近期研究的熱點。隨著碳素材料的發(fā)展，碳素家族相繼出現(xiàn)了碳納米管、石墨烯等新成員。石墨烯是單層碳原子緊密排列而形成的一種炭質(zhì)新材料，具有單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，是目前世界上公認的最薄的二維材料( 厚度只有0. 335 nm) 。由于其特殊的微觀結(jié)構(gòu)，石墨烯具有極好的力學、熱導性和電學性能，在微電子、信息、能源、材料和生物醫(yī)藥等領域具有重大的應用前景。

　　納米材料是一種尺度在100 nm 以內(nèi)的材料，廣泛應用于催化、力學、材料摩擦學等領域。金屬銅納米材料在導電墨水、高效催化劑和潤滑劑等應用領域顯現(xiàn)出巨大的應用前景。作為潤滑添加劑，納米銅能顯著提高油品的耐磨性和抗壓性。歐雪梅等在四球摩擦試驗機和萬能摩擦磨損試驗機上考察了納米銅的摩擦學行為。研究表明，納米銅能顯著提高潤滑油的減摩抗磨性能，其中在高載下納米銅對抗壓能力的提高更為明顯。在失油的條件下，納米銅在摩擦副表面能發(fā)生冶金結(jié)合，使磨斑直徑減少一半，表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩抗磨性能。

　　研究表明，將銅和碳復合能制備出性能更優(yōu)異的潤滑油減摩抗磨劑。如曹宏等人研究了經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑和其他分散劑修飾的納米銅/石墨復合添加劑的摩擦學性能，所用基礎油為市售長城CF-420W/F 汽車用柴油機油。研究發(fā)現(xiàn)納米銅/石墨復合粉體可顯著增大潤滑油的承壓能力和降低摩擦因數(shù)，特別是高載荷下的摩擦因數(shù)，并可提高其抗磨能力。真空技術(shù)網(wǎng)(http://bjjyhsfdc.com/)認為氧化石墨烯相對于石墨烯而言具有更多的—OH 等極性鍵，有利于與其他材料的復合。本文作者利用原位復合技術(shù)制備了納微米結(jié)構(gòu)銅/氧化石墨烯復合微粒，將所制備的復合微粒進行表面修飾后考察了其摩擦學性能，發(fā)現(xiàn)復合微粒能起到顯著的減摩抗磨作用。

1、實驗部分

　　1.1、實驗材料

　　主要材料: CuSO4·5H2O (AR，天津市科密歐化學試劑有限公司生產(chǎn))；80% 水合肼(AR，天津市科密歐化學試劑有限公司生產(chǎn))；液體石蠟(CP，西隴化工股份有限公司生產(chǎn)) ，修飾劑( 實驗室自制)；氨水(AR，天津科密歐化學試劑有限公司生產(chǎn)) 。

　　1.2、實驗過程

　　向三口瓶中加入100 mL 蒸餾水，再加入20 mL水合肼，在油浴鍋中攪拌均勻，同時再分別加入不同含量的氧化石墨烯與20 mL 質(zhì)量分數(shù)為5% 的CuSO4溶液、20 mL 氨水配成相應的溶液，升高溫度至80℃保溫3 h，經(jīng)冷卻、抽濾得目的產(chǎn)物。取一定量的目的產(chǎn)物用自制的修飾劑修飾，加入到液體石蠟中考察其摩擦學性能。

　　1.3、樣品表征及摩擦學性能測試

　　采用JSM-6380LV 掃描電子顯微鏡及其所附帶的EDS 分析物質(zhì)元素的組成；利用JEOL JSM-6701SEM型冷場發(fā)射掃描電鏡JEM-1200 EX 型透射電鏡研究復合材料的形貌；利用德國BRUKER D8 ADVANCEX 射線衍射儀對粉體的晶相組成進行分析；利用濟南試金集團生產(chǎn)的MRS-10A 四球摩擦磨損試驗機考察其減摩抗磨能力。

2、結(jié)果與分析

　　2.1、分析結(jié)果

　　圖1 所示為納微米結(jié)構(gòu)Cu /氧化石墨烯復合微粒的FE-SEM 照片和TEM 照片，發(fā)現(xiàn)銅微粒的粒徑100nm 之內(nèi)且有一定團聚現(xiàn)象。銅微粒擔載于片狀氧化石墨烯之上，石墨烯的片層厚度約10 nm，可以推論氧化石墨烯為多層結(jié)構(gòu)。

圖1 納微米Cu /氧化石墨烯復合微粒的FE-SEM 圖和TEM 圖

　　圖2 所示為納微結(jié)構(gòu)Cu /氧化石墨烯復合微粒的EDS 分析，發(fā)現(xiàn)粉末中含有C、O、Cu 等元素，證明了氧化石墨烯和銅的存在。

圖2 納微米Cu/氧化石墨烯復合微粒的EDS 分析結(jié)果

　　圖3 所示為Cu 微粒和Cu /氧化石墨烯復合微粒的XRD 分析結(jié)果。可見，所生成的銅為面心立方，2θ 在43.5°、50.4°、74.2°分別對應(111) 、(200) 和(220) 面；Cu /氧化石墨烯復合微粒，除了具備單質(zhì)銅的所有峰之外，還存在氧化石墨烯的(002) 峰，證明了氧化石墨烯的存在。氧化石墨烯在2θ = 10.8°對應于層間距0.7 nm。石墨的XRD 峰位于2θ =26.6°強烈而尖銳對應于層間距為0.33 nm。氧化后石墨的衍射峰消失，表明石墨嚴重氧化，層間距增加形成氧化石墨烯。

圖3 納微米Cu/氧化石墨烯復合微粒的XRD分析結(jié)果

　　2.2、摩擦學性能

　　將所制備的Cu/氧化石墨烯復合微粒用實驗室自制的修飾劑修飾，添加到液體石蠟中考察其摩擦學性能，添加劑的質(zhì)量分數(shù)為0.5% ～2%。實驗在MRS-10A 四球摩擦磨損試驗機上進行，試驗載荷為392 N，運行頻率為1 450 r /min，運行時間為30 min。圖4 所示為Cu/氧化石墨烯復合微粒經(jīng)修飾作為添加劑添加到液體石蠟中測得的摩擦因數(shù)，發(fā)現(xiàn)當復合微粒質(zhì)量分數(shù)為2.0% 時基礎油的摩擦因數(shù)由0.03 降低到0.02，減小了33%。

圖4 Cu/氧化石墨烯復合微粒的摩擦因數(shù)

　　圖5 所示為Cu/氧化石墨烯復合微粒作為添加劑時測得的鋼球磨斑直徑，發(fā)現(xiàn)添加復合微粒后，鋼球磨斑直徑減小；當復合微粒質(zhì)量分數(shù)為0.5% 時鋼球磨斑直徑由基礎油潤滑時的0.60 nm 降低到0.45 nm左右，減小了25%；而當復合微粒質(zhì)量分數(shù)繼續(xù)增加時，鋼球磨斑直徑相差不大。

圖5 Cu /氧化石墨烯復合微粒的磨斑直徑

3、結(jié)論

　　(1) 利用原位還原技術(shù)制備了納微米結(jié)構(gòu)的Cu /氧化石墨烯復合微粒，銅的粒徑在100 nm 之內(nèi)。XRD 分析顯示，CuSO4·5H2O 被還原為純銅。

　　(2) 修飾后的納微米結(jié)構(gòu)Cu /氧化石墨烯復合微粒可顯著提高液體石蠟的摩擦學性能，其中質(zhì)量分數(shù)2.0%的復合微粒可使液體石蠟的摩擦因數(shù)減小33%，質(zhì)量分數(shù)0.5%的復合微粒可使鋼球磨斑直徑降低25%。