一种超润滑固体防护材料及其制备方法和应用

本发明涉及固体润滑防护材料制备，具体涉及一种超润滑固体防护材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、摩擦磨损造成严重的经济损失和能源消耗。因此，研究摩擦机理并确定合适的材料组合以降低摩擦具有重要意义。二维层状材料由于其不相称的接触和弱的范德华相互作用，是实现超润滑的理想材料。此外，不同的二维材料可通过范德华作用组合形成异质结构材料，通过调整二维材料异质结构可调节材料的晶体结构、层间相互作用和滑动能垒。这样既可以实现摩擦力的调控，又可以根据不同工况需要设计不同的润滑材料。

2、新兴碳材料具有优异的物理化学性质和广泛的应用前景，已成为众多学科的前沿研究领域之一。二维石墨炔(gdy)材料具有sp和sp2碳原子共杂化的二维全碳网络，从结构来看，gdy是由炔键和苯环连接形成的二维平面网络，它被认为是一种结构几乎完美的碳材料。gdy中sp/sp2杂化碳原子的特殊排列赋予了其独特的化学与电子结构，使之具有稳定的化学性质、高的机械强度和层间剪切强度低等优点，这些特殊的性质为制备不同尺寸和大小的薄膜、异质结和复合材料体系提供了可能。

3、异质结由具有不同机械或物理特性的异质区域组成，这些异质区域之间的交互耦合产生了协同效应，其综合特性超过了混合规则的预测。异质结构具有良好的摩擦学性能，可改善摩擦副的摩擦系数和磨损特性，显著降低摩擦磨损，很多相关研究也证实了异质材料作为润滑材料的可行性。异质材料是实现超润滑的理想材料，目前摩擦学领域使用的石墨炔异质材料在滑动过程中仍然存在难以达到预期润滑效果等问题。此外，目前尚无采用本发明方法制备二硫化钼与石墨炔异质结的公开报道，且没有将其用于润滑领域的相关研究。

技术实现思路

1、针对上述的问题，本发明提出一种能有效克服上述问题的一种超润滑固体防护材料制备方法，并且制备的材料具有优异的润滑性能。

2、本发明还提供了该超润滑固体防护材料的制备方法。

3、本发明也提供了该超润滑固体防护材料在润滑等领域中的应用。

4、本发明为了实现上述目的所采用的技术方案为：

5、一种超润滑固体防护材料，二硫化钼与石墨炔组合形成的摩擦副在摩擦测试的过程中形成石墨炔/二硫化钼异质结从而起到润滑作用。

6、在本发明的第一方面，公开了一种超润滑固体防护材料的制备方法，包括以下步骤：

7、(1)将含有铜离子的溶液经过一段时间的超声处理后，采用喷枪喷涂的方式按照一定的喷涂方法将其喷涂沉积在基底上，干燥后得到含铜离子沉积膜的基底；

8、(2)石墨炔单体在溶剂中在一定条件下发生偶合反应生长在步骤(1)所述的含铜离子沉积膜的基底表面，反应结束后将其清洗并干燥，即得石墨炔薄膜；

9、(3)将二硫化钼粉末溶于的溶剂后进行超声处理，处理完后采用喷枪喷涂的方式按照一定的喷涂方法将其喷涂沉积在钢球上，干燥后得到喷涂二硫化钼的钢球；

10、(4)将步骤(2)所述的石墨炔薄膜与步骤(3)所述的喷涂二硫化钼的钢球进行摩擦测试即得超润滑固体防护材料。

11、进一步地，步骤(1)中，沉积之前对基底表面进行超声清洗，得到干净基底，超声清洗频率为40～80hz，时间为3～15min。

12、进一步地，步骤(1)中，所述含有铜离子的溶液包括醋酸铜溶液、氯化铜溶液、硝酸铜溶液、硫酸铜溶液中的至少一种，优选地，所述含有铜离子的溶液中铜离子的摩尔浓度为2～4mmol/l。

13、进一步地，步骤(1)中，超声处理的频率为40～60hz，时间为5～20min。喷涂方法采用逐次少量喷涂的方式，并在每次喷涂后等待其自然干燥后再进行下一次喷涂，直至所有喷涂工作完成。

14、进一步地，步骤(2)中，将所述含铜离子沉积膜的基底置于吡啶中，然后加入石墨炔单体，在沉积膜上铜离子的催化下发生偶合反应，使石墨炔单体转化为生长在该沉积膜表面的石墨炔薄膜。

15、进一步地，步骤(2)中，所述偶合反应全程在避光和无氧环境中进行，其原因在于用于合成石墨炔薄膜的单体化学性质不稳定，见光易分解，在氧气中易氧化。

16、进一步地，步骤(2)中，所述石墨炔单体的质量为0.4～0.5g，吡啶的体积为20～25ml。

17、进一步地，步骤(2)中，所述偶合反应在加热条件下进行，优选地，所述加热温度控制在60～65℃，所述反应时间为72～120h。

18、进一步地，步骤(2)中，将沉积在所述含铜离子沉积膜表面的石墨炔薄膜用乙醇反复洗涤后，等待其自然干燥，即得石墨炔薄膜。

19、进一步地，步骤(2)中，所述石墨炔单体的制备方法包括步骤：将六(三甲硅基乙炔基)苯溶于四氢呋喃中，反应后再加入四丁基氟化铵溶液后在无氧、黑暗以及低温条件(-8～0℃)下进行反应，对用乙酸乙酯稀释反应液后再饱和食盐水洗涤，萃取出有机相，用无水硫酸钠进行干燥，真空干燥处理后即得石墨炔单体。

20、进一步地，步骤(2)中，所述石墨炔单体的制备在低温下进行，优选地，所述低温条件反应温度控制在-8～0℃之间为宜。

21、进一步地，步骤(3)中，沉积之前对钢球表面进行超声清洗，得到干净的钢球，超声清洗频率为40～80hz，时间为3～15min。

22、进一步地，步骤(3)中，所述二硫化钼分散液选用乙醇作为溶剂。优选地，所述二硫化钼分散液中二硫化钼的摩尔浓度为0.04～0.06mmol/l。

23、进一步地，步骤(3)中，超声处理的频率为40～60hz，时间为3～10min。喷涂方法采用逐次少量喷涂的方式，并在每次喷涂后等待其自然干燥后再进行下一次喷涂，直至所有喷涂工作完成。

24、在本发明的第二方面，公开上述方法制备的超润滑固体防护材料在润滑等领域中的应用。

25、本发明的有益成果：

26、(1)本发明首次提出石墨炔和二硫化钼作为摩擦副，并且其所需的仪器设备简单、成本低、制备过程简单，摩擦过程中形成异质结的磨合期短，能在较短时间内起到超润滑效果。

27、(2)本发明提出的摩擦副在摩擦过程中可形成一层转移膜，能显著提高材料表面的润滑性能，从而降低摩擦系数；转移膜的存在可避免材料表面直接接触而出现严重的摩擦和磨损，从而提高材料的抗磨耐磨性。

28、(3)本发明构建的石墨炔/二硫化钼异质结润滑体系具有优异的润滑性能，可在长时间内始终保持超润滑水平，从而延长材料的使用寿命。

技术特征：

1.一种超润滑固体防护材料，其特征在于，采用石墨炔和二硫化钼作为摩擦副材料，在摩擦测试的过程中形成石墨炔/二硫化钼异质结，具有超低的摩擦系数。

2.一种权利要求1所述的超润滑固体防护材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的超润滑固体防护材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述含有铜离子的溶液包括醋酸铜溶液、氯化铜溶液、硝酸铜溶液、硫酸铜溶液中的至少一种，其铜离子的摩尔浓度为2～4mmol/l；

4.根据权利要求2所述的超润滑固体防护材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，将所述含铜离子沉积膜的基底置于吡啶中，然后加入石墨炔单体与吡啶的混合溶液，石墨炔单体的质量为0.4～0.5g，吡啶的体积为20～25ml，在沉积的铜离子的催化下发生偶合反应，使石墨炔单体反应生成沉积在基底表面的石墨炔薄膜。

5.根据权利要求4所述的超润滑固体防护材料的制备方法，其特征在于，所述偶合反应在加热条件下进行，优选地，所述加热温度控制在60～65℃之间，所述反应时间为72～120h。

6.根据权利要求2-5任一项所述的超润滑固体防护材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述石墨炔单体的制备方法包括步骤：将六(三甲硅基乙炔基)苯溶于四氢呋喃中，反应后再加入四丁基氟化铵溶液后在黑暗、无氧以及低温条件(-8～0℃)下进行反应，用乙酸乙酯稀释后再用饱和食盐水洗涤，萃取出有机相，用无水硫酸钠进行干燥，在45℃下旋干，并经冷冻干燥处理后即得石墨炔单体。

7.根据权利要求2所述的超润滑固体防护材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述二硫化钼的摩尔浓度为0.04～0.06mmol/l，超声处理的频率为40～60hz，时间为3～10min；喷涂方法采用逐次少量喷涂的方式，并在每次喷涂后等待其自然干燥后再进行下一次喷涂，直至所有喷涂工作完成。

8.一种权利要求2-7任一项所述的方法制备的一种超润滑固体防护材料。

9.一种权利要求8所述的超润滑固体防护材料在润滑领域中的应用。

技术总结本发明涉及一种超润滑固体防护材料，二硫化钼与石墨炔组合形成的摩擦副可在摩擦测试过程中形成石墨炔/二硫化钼异质结，层间滑动能垒显著降低，从而起到润滑作用。本发明所涉及材料的合成设备简单，制备过程简便，且本发明构建的石墨炔/二硫化钼异质结润滑体系具有优异的减摩抗磨性能。该润滑体系在多种测试条件下均表现出超润滑特性，其摩擦系数可达到0.002，能在很大程度上降低材料的磨损，并且在机械运动部件等表面具有良好的防护效果，能显著延长材料的润滑寿命。技术研发人员：公培伟,公圣鉴,刘哲,王丹丹,王百忍,刘建喜,刘维民受保护的技术使用者：曲阜师范大学技术研发日：技术公布日：2024/1/22