CeF3/GO纳米微粒的制备及摩擦学性能研究*

韩　冰，赵　辉，王　丽

(开封大学功能材料研究中心，河南　开封　475004)



CeF3/GO纳米微粒的制备及摩擦学性能研究*

韩冰，赵辉，王丽

(开封大学功能材料研究中心，河南开封475004)

为解决氧化石墨和稀土纳米微粒作为润滑油添加剂在极性溶剂中的分散问题，采用水热合成法以氧化石墨(GO)、六氟钛酸铵和硝酸铈铵为原料一步制备出了CeF3/GO纳米微粒，对其结构进行表征，并利用四球摩擦磨损试验测定其作为基础油添加剂的摩擦学性能。结果表明，该纳米微粒在水和液体石蜡等极性溶剂中具有良好的分散性。当在液体石蜡中的添加量为0.5%时，摩擦系数降低至0.079，磨斑直径(WSD)减少至0.675 mm，具有良好的减磨抗磨性能。

三氟化铈；氧化石墨；摩擦学性能

氧化石墨(GO)因独特的层状纳米结构、高机械强度、弹性模量和热导率非常适合作为高性能液体润滑添加剂[1]。由于其表面含有有大量的含氧官能团，表现出较大的亲水性，作为添加剂在基础润滑油中使用时易团聚，阻碍发挥其抗磨减磨性能。

随着纳米技术的研究深入，研究表明纳米微粒能够以吸附或膜覆盖的方式作用于摩擦材料表面，通过纳米滚珠效应、摩擦化学反应和物理吸附膜[2-4]等机理产生优异的抗磨减摩性能，可适用于条件苛刻的工况环境，开辟了润滑材料研究的新领域。CeF3、LaF3等稀土纳米氟化物晶体结构特殊，在摩擦应力作用下能够有效地降低润滑剂的摩擦系数[5-6]。但是稀土纳米氟化物表面疏水性较强，限制了其应用范围。

目前许多研究通常围绕对稀土纳米氟化物进行表面修饰来改变其亲水性能，本文将GO与稀土纳米氟化物复合，以期制备出一种在水和油性等极性润滑剂中均具有良好分散性的润滑油添加剂。以氧化石墨、六氟钛酸铵和硝酸铈铵为原料，采用水热合成法一步制备了CeF3/GO纳米微粒，考察了其在不同极性溶剂中的分散性，探讨了其作为添加剂对基础油的摩擦学性能影响。

1　实验部分

1.1试剂

实验所用无水乙醇、六氟钛酸铵、硝酸铈铵、丙酮、二氯甲烷等主要试剂均为分析纯,液体石蜡为化学纯,鳞片状石墨为工业品。

1.2CeF3/GO 纳米微粒的合成

本文采用经典Hummers方法制备GO。六氟钛酸铵与硝酸铈铵按照摩尔比1:2的比例溶于20 mL蒸馏水中，加入10 mg GO，超声1 h，混合均匀后继续加入0.01 moL NH4Cl，产生白色絮状沉淀。将混合液倒入50 mL反应釜中，170℃反应7 h，所得白色沉淀离心、洗涤，60℃干燥即得产物。

取适量粉体作为样品，用四球试验机考察了所制备纳米颗粒作为润滑油添加剂在石蜡油中的摩擦学性能。

2　结果与讨论

2.1CeF3/GO 纳米微粒的分散性和形貌

图1a可以看出 CeF3/GO纳米微粒平均粒径为100 nm左右,有轻微团聚，团聚后颗粒大小不超过1 μm。考察CeF3/GO纳米微粒的分散性，将其在不同溶剂中超声分散，结果如图1b所示:样品在水和液体石蜡中能均匀分散且具有稳定性；在二氯甲烷和丙酮中分散稳定性较差，静置3 min后基本沉淀完全，表明纳米微粒表面基团极性较大，可以作为添加剂在溶剂极性较大的润滑剂中使用。

图1　CeF3/GO 纳米微粒扫描电子显微镜照片(a)和在水、石蜡油、二氯甲烷和丙酮中的分散性(b)

2.2CeF3/GO纳米微粒的结构分析

从图2a CeF3/GO纳米微粒的红外光谱中可以看出，3250 cm-1处的强吸收是水分子的OH 伸缩振动，这是由于氧化石墨结构中存在的含氧基团易吸附水分子。3110 cm-1处的吸收峰是氧化石墨结构中-OH的伸缩振动，2870 cm-1处的峰是-CH2的对称伸缩振动，1640 cm-1处的峰是水分子的O-H 弯曲振动，1426 cm-1处的强峰是-OH 弯曲振动，406 cm-1的强峰为Ce-F键的振动峰，表明CeF3成功与GO复合形成纳米微粒。

图2　CeF3/GO纳米微粒的红外光谱(a)和XRD(b)

从图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°的衍射峰分别归属为CeF3，与标准谱图库JCPDS 72-1436一致，证明该复合材料中含有CeF3。2θ位于10.663°的衍射峰归属为氧化石墨，与文献报道一致[7]，证明该复合材料中含有GO；位于25.774°的强峰归属于石墨，对比标准谱图衍射峰位置发生偏移，这可能是由于在制备氧化石墨的过程中部分石墨片层未能插层氧化完全，保有原石墨的周期性的同时改变了片层之间的间距，在170℃的高温反应过程中被水还原成石墨。其余衍射峰与标准谱图库JCPDS 70-4378一致，是在反应过程中形成的少量副产物H25.5(NH4)10.5(Ce9O27F18)。

2.3CeF3/GO纳米微粒的摩擦学性能

在300 N、30 min、1000 rpm的条件下,考察CeF3/GO 纳米微粒浓度对摩擦系数和磨斑直径的影响。从图4中可以看出，在 0wt%～0.5wt%范围内,摩擦系数总体随添加剂含量提高而减小，磨斑直径由0.894 mm减少到0.675 mm，降低了24.5%；随着添加浓度的继续增加，摩擦系数增大。当添加剂质量百分数为0.5%时，减摩效果较好，摩擦系数低至0.079。表明CeF3/GO纳米微粒作为润滑油添加剂能起到良好的抗磨作用，主要由于在摩擦过程中纳米颗粒在摩擦副表面形成了保护膜，降低干摩擦现象发生的可能性。当添加量为1.0%时，磨斑直径增大至0.804 mm，这是由于随着CeF3/GO纳米微粒浓度的增加，过量的纳米颗粒在液体石蜡中容易发生团聚形成较大粒径的颗粒导致摩损的增加。

图3　CeF3/GO纳米微粒在液体石錯中，摩擦系数、磨斑直径与添加浓度的关系曲线

3　结　论

本文采用水热合成法以六氟钛酸铵、硝酸铈铵和氧化石墨为原料，通过合理控制反应条件，制备了在水和基础油等极性溶剂中均具有良好分散性的CeF3/GO纳米微粒。当其在基础油中的添加量为0.5%时，摩擦系数为0.079，降低了14.1%，磨斑直径减少至0.675 mm，显著提高了基础油的减摩抗磨性能。

[1]李娜．氧化石墨烯纳米复合材料的制备及其摩擦学性能研究[D]．镇江：江苏大学硕士学位论文，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．石墨烯摩擦学及石墨烯基复合润滑材料的研究进展[J].摩擦学学报，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]张杰，朱保利，侯延超，等．水溶性 LaF3纳米微粒的制备及其摩擦学行为研究[J]．润滑与密封，2012，37(5)：48-51．

[6]陈荣，李屹，周元康，等．表面修饰氟化镧纳米粒子的制备及摩擦学性能研究[J]．润滑与密封，2011，36(12)：50-54．

[7]黄桥，孙红娟，杨勇辉.氧化石墨的谱学表征及分析[J]．无机化学学报，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

河南省高等学校重点科研项目计划(15B15007)；开封市科技发展计划平台建设项目(No.1408001)。

韩冰(1986-)，女，助教，研究内容：主要从事无机纳米复合材料的制备及应用。

O61

A

1001-9677(2016)04-0032-03