石墨烯合金刹车片的制备与摩擦学性能研究

熊万军　陶涛

摘 要：2004年，英国曼彻斯特大学AndreGeim[1]团队用一种简单易行的胶带剥离法成功制备出了石墨烯。石墨烯具有的褶皱结构或附着在基底上才可在空气中稳定存在，属于准二维原子晶体材料[2]，具有出色的电、热特性及机械特性[3]，在微电子、能源、信息，特别在材料和生物医药等领域具有重大的应用前景。

关键词：石墨烯合金；摩擦学性能；刹车片的制备

中图分类号：TH117 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）04-0067-01

1 引言

本研究通过对稻麦秸秆氧化石墨烯进行改性处理后，制成稻麦秸秆石墨烯改性材料，制造动力车辆刹车片，并研究其摩擦学性能。

2 试验过程

2.1 制备改性氧化石墨烯粉末

制备过程如下：

（1）以稻麦秸秆为原料，以一定的工序制成人造石墨，后通过氧化还原反应，制成石墨烯原液。（2）采用合金炉对材料进行处理。稻麦秸秆氧化石墨烯原液，加温到220℃添加1%的99.99银进行搅拌，10分钟后，停止搅拌，冲入氯气，密封，加压10兆帕，恒温保温30分钟；继续搅拌升温至400℃，恒温1小时后排出氯气；氯气排出后，搅拌过程升温至1100℃，添加二硫化钼后继续搅拌并充入氮气，这个升温过程控制约3小时；3小时后降温到800℃，添加稀土盐，搅拌30分钟。恒温3小时；降温到300℃，添加还原剂。搅拌1小时。恒温30分钟；30分钟后，排除氮气，加入还原剂，搅拌至自然降温到常温；干燥处理，制成稻麦秸秆改性氧化石墨烯粉末。（3）制线。改性后的稻麦秸秆氧化石墨烯材料与树脂按照1：1.5，制成混合液体，升温至70℃，搅拌均匀；将棉纤维浸泡到改性稻麦秸秆氧化石墨烯材料与树脂混合液体中，震动并完全浸泡透；将浸泡后的稻麦秸秆改性氧化石墨烯棉纤维在烘箱中烘干，烘干温度约90℃，时间为2小时；将烘干后的改性氧化石墨烯棉纤维放入增强处理炉中进行增强处理，温度约600℃，时间为12小时，处理时确保炉内气体循环；上捻后制成石墨烯线。（4）机械加工。将浸泡后的稻麦秸秆改性氧化石墨烯棉纤维切段，根据产品需要称重，放入温度为150℃-170℃模具中，用高吨四柱位油压机压制成形；根据图纸要求进行磨削、开槽、清边、喷涂等工序处理，最后将加工好的刹车片放进增强处理炉中进行增强处理，温度约300℃，时间为20小时。

2.2 力学性能试验

冲击韧性试验按GB/T9096规定的方法进行，试样尺寸为10mm×10mm×55mm，不带缺口。抗拉强度试验按GB/T7964规定的方法进行，试样为两端带螺纹的圆柱形。抗弯强度试验按GB/T 5319规定的方法进行，试样尺寸为30mm×6mm×12mm。

2.3 摩擦性能试验

使用的HT-1000高温摩擦磨损试验机完成摩擦性能试验。用线切割将刹车片制成尺寸为20mm×20mm×20mm的试样，并对试验表面进行打磨、清洗、除油。对磨件为φ6mm的氧化锆钢球，载荷500g，转速560r/min，摩擦半径2mm，时间30min。实验中选取不同温度：100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃，摩擦系数测试结果直接由测试计算机得到，磨损率计算公式为：w=Δv/sF，其中w：磨损率（mm3/N*m）；Δv：磨损体积（mm3）；s：滑动距离（m）；F：施加的载荷（N）。

3 结果与分析

3.1 形貌结构

通过检测得到碳的形态分布为：单形态碳占5.7%、10-50层石墨烯占15%的、50层以上石墨烯占43%、剩余36.3%为环形碳。

3.2 强度试验结果

通过力学性能试验测得石墨烯基刹车片与传统刹车片的性能对比，见表1。可以看出，通过改善制备工艺条件制备的石墨烯基刹车片具有更好的服役性能，能有效提高基材的性能。

3.3 摩擦学性能

图1为传统刹车片和石墨烯刹车片的摩擦性能对比图。从磨损率对比图可以看出，以石墨烯为主要原料、添加Ag、MoS2通过热压方式得到的刹车片要比传统刹车片的在各个温度段的磨损率都要低的多，100℃-350℃的实验范围内均要低于0.1*10-7mm3/N*m，随着温度的上升，磨损率变化并不大，这可能是由于石墨烯以及MoS2的优异润滑性能确保了刹车片在常温和200℃以下的耐磨性，而银常作为400℃以下的润滑剂得到广泛的应用，它确保了刹车片在200℃及以上温度段的润滑性能，从而确保了刹车片在一定温度区域内确保了润滑性能，在摩擦磨损工况下，能够有效防护涂层表面，降低摩磨损率。

4 结语

（1）采用以稻麦秸秆为原料制备得到氧化石墨烯原液，添加银和二硫化钼等添加剂得到的改性氧化烯粉末為原料，通过热压烧结的方法制备了石墨烯刹车片。（2）石墨烯基刹车片与传统刹车片相比，具有更高的弯曲强度、最大应变强度和抗冲击性能，且热膨胀率更低。（3）石墨烯基增强材料显示出高耐磨性和低摩擦系数，这是由于石墨烯基体以及添加的银和二硫化钼的润滑作用，使刹车片在100℃-350℃的温度范围内具有很好的使用性能。

参考文献

[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.