石墨烯对聚乙烯表面摩擦磨损特效的影响

摘要在当今现代工业范畴，摩擦磨损问题极大地损害了设备性能与能源效率，传统润滑添加剂存在污染环境与热稳定性不足等方面的缺陷，急切需要新型材料提升润滑效果，聚乙烯（PE）鉴于优异的化学稳定性和自润滑性，在润滑领域被大量应用，然而其硬度与耐磨性欠佳，使其在高载荷和高温环境中的应用受限，新型二维纳米材料石墨烯，有着卓越的力学性能以及层间滑移特质，有望经复合改性增强聚乙烯的摩擦磨损性能。采用三维结构石墨烯作为添加剂，采用控制变量的方法制备了不同浓度（0.01wt%、0.03wt%、0.1wt%、0.3wt%）的石墨烯/聚乙烯复合材料样条，结合双螺杆挤出机的熔融共混及注塑成型工艺，全面探究了石墨烯浓度对聚乙烯表面摩擦磨损性能的作用，实验采用往复摩擦试验机，测定不同载荷（1-20N）作用下的摩擦系数，利用光学显微镜去观察磨损表面的形貌，弄清楚磨损的机制。并测量磨斑宽度。实验发现，三维结构石墨烯明显改进了聚乙烯的抗磨减摩性能，处于低载荷（1-10N）条件的时候，随着石墨烯浓度的升高，摩擦系数随着磨斑宽度慢慢下降，其中0.3wt%石墨烯复合材料展现出最优性能，同纯聚乙烯相比，摩擦系数降低了65%，磨斑宽度减少了42.3%，磨损主要以粘着磨损及疲劳磨损的形式呈现，石墨烯依靠形成连续润滑膜减少摩擦副间的直接接触。在承受高载荷（15-20N）期间，0.1wt%石墨烯复合材料表现出更卓越的性能，摩擦系数最低至0.023，磨斑宽度下降了18%，这是因为当石墨烯浓度为0.3%时，样品深层的石墨烯分散不均，易团聚，导致应力集中，相较于石墨烯浓度为0.1%的样品，0.1%wt石墨烯复合材料样品具有更好的分散性，样品磨痕宽度更小。实验表明，三维石墨烯的立体网络结构可物理阻隔片层堆叠，增强界面润滑膜的稳定性，降低表面粗糙度。关键词：石墨烯，聚乙烯，摩擦磨损，润滑性能，复合材料AbstractInthecurrentmodernindustrialcontext,theproblemoffrictionandwearhassignificantlyimpairedequipmentperformanceandenergyefficiency.Traditionallubricatingadditiveshavedrawbackssuchasenvironmentalpollutionandinsufficientthermalstability.Thereisanurgentneedfornewmaterialstoenhancelubricationeffects.Polyethylene(PE),duetoitsexcellentchemicalstabilityandself-lubricatingproperties,iswidelyusedinthelubricationfield.However,itshardnessandwearresistanceareinsufficient,limitingitsapplicationinhigh-loadandhigh-temperatureenvironments.Thenewtwo-dimensionalnanomaterialgraphene,withoutstandingmechanicalpropertiesandinterlayerslidingcharacteristics,isexpectedtoenhancethefrictionandwearperformanceofpolyethylenethroughcompositemodification.Usingthree-dimensionalgrapheneasanadditive,differentconcentrations(0.01wt%,0.03wt%,0.1wt%,0.3wt%)ofgraphene/polyethylenecompositematerialstripswerepreparedusingthemethodofcontrolledvariables.Combinedwiththemeltblendingandinjectionmoldingprocessofatwin-screwextruder,theeffectofgrapheneconcentrationonthesurfacefrictionandwearperformanceofpolyethylenewascomprehensivelyinvestigated.Theexperimentusedareciprocatingfrictiontestertomeasurethefrictioncoefficientunderdifferentloads(1-20N).Themorphologyofthewornsurfacewasobservedusinganopticalmicroscopetounderstandthewearmechanism.Thewidthofthewearspotwasalsomeasured.Theexperimentfoundthatthethree-dimensionalstructureofgraphenesignificantlyimprovedtheanti-wearandfriction-reducingperformanceofpolyethylene.Atlowloads(1-10N),asthegrapheneconcentrationincreased,thefrictioncoefficientgraduallydecreasedalongwiththewearspotwidth.Amongthem,the0.3wt%graphenecompositematerialexhibitedthebestperformance.Comparedwithpurepolyethylene,thefrictioncoefficientdecreasedby65%,andthewearspotwidthdecreasedby42.3%.Thewearmainlypresentedasadhesivewearandfatiguewear.Graphenereducedthedirectcontactbetweenthefrictionpairbyformingacontinuouslubricatingfilm.Duringhigh-load(15-20N)application,the0.1wt%graphenecompositematerialshowedmoreoutstandingperformance.Thefrictioncoefficientwasaslowas0.023,andthewearspotwidthdecreasedby18%.Thiswasbecausewhenthegrapheneconcentrationwas0.3%,thegraphenedispersioninthedeeplayerofthesamplewasuneven,pronetoagglomeration,resultinginstressconcentration.Comparedwiththesamplewithagrapheneconcentrationof0.1%,the0.1wt%graphenecompositematerialsamplehadbetterdispersion,andthewearmarkwidthwassmaller.Theexperimentshowedthatthethree-dimensionalnetworkstructureofgraphenecanphysicallyblockthelayerstackingandenhancethestabilityoftheinterfacelubricatingfilm,reducingsurfaceroughness.Keywords:Graphene,Polyethylene,FrictionandWear,LubricationPerformance,CompositeMaterial

目录摘要 [44]采用化学气相渗透（CVI）技术制备了三维石墨烯/聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合材料,制备的复合材料具有高灵敏度和良好的弹性，可用于应变传感器.而2D石墨烯由于层与层之间的范德华力作用，容易发生聚集团聚，在复合材料中的分散性和相容性相对较差，影响其性能的发挥。这些进展表明，三维结构不仅解决了二维材料易堆叠的瓶颈问题，更通过跨尺度结构设计实现了性能的协同提升，推动着从纳米器件到宏观工程材料的应用拓展。第三章：实验设计及其步骤过程3.1引言本次实验在选择合石墨烯材料——三维结构石墨烯后，接下来将研究加入了三维结构石墨烯的聚乙烯复合物的抗磨擦磨损能力是否提高了以及石墨烯浓度对聚乙烯表面润滑能力的影响，再在实验组中确定润滑能力最好时石墨烯的浓度。此实验在温度为常温的条件下进行，使用往复式摩擦试验机进行试验，将摩擦时间设置为10min-30min，从1-20N的试验力里挑一些力进行摩擦，从小到大进行。摩擦实验完成后，在光学显微镜下观察磨斑的宽度，多次测量并将其记录到Excel表格当中每次摩擦后都必须测量三个小球上的磨斑直径，批量测量后计算出磨斑直径的平均值，分析实验数据，比较磨斑大小，最后通过实验结果分析出石墨烯/聚乙烯复合物润滑能力最好时石墨烯的最佳浓度。本章的主要内容是讲述具体的实验内容、过程，同时会详细说明各种实验器材的使用方法、流程。本次实验设定了一组对照组（纯聚乙烯样条）和四组实验组（0.01%wt。0.03%wt，0.1%wt，0.3%wt），目的是为了对照石墨烯添加到聚乙烯中是否增强了其润滑能力，以及确定最佳浓度3.2实验材料以及设备3.2.1实验材料本次实验是在探究石墨烯作为添加剂添加到聚乙烯中是否能够有效提升其润滑能力以及石墨烯浓度对润滑效果的影响，需要用到以下三种材料进行实验，下表（表3-1）是实验所需材料的清单一览表。表3-1实验材料清单一览表序号材料名称1纯聚乙烯粉末2石墨烯粉末3无水乙醇纯聚乙烯粉末拿来制作样条作为对照组。无水乙醇主要的作用是和用于清洁小钢珠上面可能存在的油污。再进行下一次实验之前需要提前把小钢珠浸泡在无水乙醇中，待下一次实验拿起来后用纸巾擦拭干净再放到往复摩擦试验机中3.2.2实验设备以及工具本次实验所需的实验设备及工具如下表（表3-2）所示。表3-2实验设备及工具一览表序号名称数量单位1往复摩擦试验机1台2双螺旋杆挤出机1台3电子天平1台4注塑机1台5勺子1把6砝码若干个7钢珠若干颗8防潮纸若干张9小钳子1个10送料勺1只11光学放大镜1台往复摩擦试验机为主要的实验仪器，这里详细介绍一下：MFT-R4000高速往复摩擦磨损试验仪运用球-盘之间摩擦原理及微机自控技术，将砝码或可变载入机构加至磨球上，材料试样随试验台运用偏心轮原理，以设定的频率，实现摩擦副的高速往复运动，通过传感器获取摩擦时的摩擦力信号，经放大处理，输入计算机经A/D转换将摩擦力信号通过运算得到摩擦系数曲线。μ=F/N（μ—摩擦系数F—摩擦力N—正压力（载荷））通过摩擦系数曲线的变化得到材料或薄膜的摩擦性能和耐磨强度，即在特定载荷下，经过多长时间（多长距离）摩擦系数会发生变化，此时薄膜被磨损并通过称重法得到材料表面磨损量。下面是仪器主机的总体结构：1、砝码定位杆7、基座2、砝码托盘8、载入梁平衡调整螺钉3、载入梁9、载入梁固定旋钮4、压头连接架10、载入梁升降调整手轮5、摩擦副夹具11、升降架定位螺钉6、试样固定夹具12、阻尼调整螺杆下面是试验机的控制系统原理图：下面是摩擦试验机的调节面板：1、摩擦力调零2、电机开关3、载入调零4、照明亮度3.3实验步骤本次实验是为了验证石墨烯添加到聚乙烯中是否能提高聚乙烯表面的抗磨能力，以及确定石墨烯添加到聚乙烯中使得其表面润滑效果最好的浓度。所以需要准备纯聚乙烯粉末，石墨烯粉末。通过计算得到各浓度中两种粉末的所需克数，再用电子天平测量准确的克数后放入保鲜袋中摇晃均匀后，再放到双螺旋杆挤出机中混匀至熔融状态，并加入到注塑机中注塑成长方条形，制作出纯聚乙烯样条（对照组），还有石墨烯浓度分别为0.01%wt，0.03%wt，0.1%wt，0.3%wt的石墨烯/聚乙烯复合样条（实验组），将上述五种实验样条一一使用往复摩擦试验机进行抗磨擦性能测试，并用电子显微镜（SEM）观察磨斑宽度记录下来，得到数据后输入到excel，并进行数据分析。3.3.1石墨烯/聚乙烯样条的制备此次实验需要用到纯聚乙烯样条作为对照组，还有石墨烯浓度分别为0.01%wt，0.03%wt，0.1%wt，0.3%wt的石墨烯/聚乙烯复合样条。以石墨烯浓度为0.01%的复合体制备为例，假设实验用的混合粉末总质量为100g，则首先需要用电子天平称出99.99g的聚乙烯颗粒，再往里加入0.01g立体石墨烯粉末，再用实验保鲜袋把它们装在一起摇晃，直至每一粒聚乙烯尽量都沾上石墨烯粉末（干混法）。以此类推，石墨烯浓度分别为0.03%wt，0.1%wt，0.3%wt的石墨烯/聚乙烯复合物需要添加聚乙烯的量分别是99.97g，99.90g，99.70g，需要添加石墨烯的量分别是0.03g，0.1g，0.3g。至此，所有样品的粉末都混合均匀了。原料制备阶段：下面开始用双螺旋杆挤出机将它们混匀密炼后挤出。（这里以聚乙烯为例）首先需要打开实验室里的空压机，并打开机器确保设备正常运行后开始预热，机筒温度分五段设定（进料段160-180℃、熔融段190-210℃、高剪切混合段200-220℃、排气段190-200℃、均化段200-210℃），把密炼时间设定为5分钟，螺杆转速调至低速50rpm，空转1分钟确认无异常。待预热完成后，用料筒往机器里加入过量纯聚乙烯，运行2-3分钟，待机器将聚乙烯完全吐出来后，代表着这台机器里面上一个试验样品已经被聚乙烯完全洗出来。这时候将双螺旋杆及的螺杆速度调至200-400rpm，注意转速不能过高，过高会导致纯聚乙烯降解。过低会导致聚乙烯不能分散。下面开始正式使用机器制备均匀熔融态的聚乙烯，用料筒以一个均匀的速度将聚乙烯颗粒送入机器，建议喂料量占螺杆理论容积的70-80%（太满的话还没来得及密炼料已经喷出来），送完料后打开机器的密炼，等待5分钟，其主要目的是将聚乙烯颗粒全部熔化并均匀混合，五分钟过后机器自动打开喷嘴，熔融态的聚乙烯从喷嘴里冒出，这时要提前30秒用另外一个料筒对准喷嘴，等到时间后熔融态聚乙烯自动排入料筒中，料筒大约接理论容量的80%左右的熔融态聚乙烯量。至此，混合均匀的熔融态聚乙烯制备完成，以此类推，不同浓度的石墨烯混合聚乙烯粉末也是一样的操作，要注意的是，每次到下一个样品时，要将下一个样品过量的送入机器，目的是为了把前面的试验样品完全洗出来。注塑成型阶段：下面是注塑机的操作，要用注塑机将熔融态聚乙烯做成聚乙烯样条。首先启动注塑机，将料筒加热至设定温度并保温15分钟。设定好温度与时间参数以及压力参数。温度参数：料筒温度设定为后段160-180℃、中段180-200℃、前段190-210℃，模具预热至80-100℃并通过冷却水循环（20-40℃）控制冷却速率。压力参数：注射压力设为80-120MPa、保压压力设为注射压力的60%-80%（50-80MPa）、背压设为5-15Mpa。时间参数：注射时间设为3秒、保压时间设为5秒、冷却时间设为5秒。操作步骤：注塑机预热完成后，将装满熔融态聚乙烯的料筒放入注塑机内，合上注塑机顶盖，启动注射系统，使螺杆在注射气缸的作用下向前移动，将熔体注入模具型腔中。在注射过程中，应观察注射压力、注射速度等参数的变化，确保熔体能够顺利地填充模具型腔。如果发现注射压力过高、注射速度过慢等情况，应及时调整注塑机的参数。在样条填充完成后，进入保压阶段。注塑机按照设定的保压压力和保压时间，对样条进行保压处理。保压结束后，进入冷却阶段。模具通过冷却系统进行冷却，使样条在模具型腔内逐渐凝固。等待到设定的保压和冷却时间完成后，打开注塑机顶盖，用钳子取出聚乙烯样条，此时应该观察聚乙烯样条有无气泡，有无缺陷，是否光滑，是否完全凝固，根据这些情况，及时对保压压力等压力参数和冷却时间等时间参数进行调整。至此，一个完整试验样样条制作完毕，以此类推，各浓度石墨烯/聚乙烯样条的制备也是如此。3.3.2往复摩擦试验机摩擦磨损实验以及磨斑观察本次摩擦磨损测试实验用的是MFT-R400往复式摩擦磨损试验机，其操作如下：打开计算机电源，预热20分钟，进入到以下界面，并点击“大载荷”然后进行设备准备，检查并确保运动部件无卡阻。松开载入梁固定旋钮，将悬梁顺时针转动45°，将试样固定在夹具上（磨头离开试样表面），再将悬梁复位，并拧紧载入梁固定旋钮。转动偏心轮，看压头是否划出试样测试范围，若有划出，还需调整试样位置；并且在试验时，必须保证连杆与转盘齿口保持在同一水平线。开机预热20分钟后，按“试样调整”操作菜单中的“上”键，使磨头完全离开试样表面。调整“载入调零”旋钮，使“加载力”栏显示为“0”。鼠标单击“参数设定”，弹出“参数设定”对话框单击“载荷”按钮，弹出“载荷设定”窗口，选择“砝码”加载模式，在“初始载荷”及“载荷”栏内输入自己需要的试验力，“时间”栏输入任意时间，点“确定”按钮单击“频率”按钮，输入“2”，点“确定”单击“长度”设定试验长度，此次毕设选择6mm。点击“退出”，退出“参数设定”。在“试验控制”栏里，点击“开始”按钮，在仪器控制箱前面板调整“摩擦力调零”旋钮，待“摩擦力”栏中显示的数字为“0”即可，点“结束按钮”，下面输入样片编号、材料名称。[注]：参数设定范围频率（Hz）20-1010-22-0.50.5以下注：试验频率越快，摩擦长度应越短长度（mm）2.5-55-105-2020-50完成以上步骤。在“试验控制”栏里，点击“开始”按钮，开始试验；参数显示栏内显示各试验参数试验完毕，保存试验资料。点击“保存数据”按钮将实验结果保存。试验完成后，将实验样条拿到光学显微镜下，观察磨斑宽度大小，多次测量，求得平均值，并将其数据保存到Excel表格中，便于分析数据。第四章：实验结果与数据分析4.1引言虽然石墨烯在润滑和散热方面表现出色，但其易团聚的特性限制了润滑性能。通过利用三维结构石墨烯，石墨烯的分散性和稳定性得到优化，显著增强了抗磨损摩擦的能力。本章将分析实验所得数据，论证三维石墨烯复合聚乙烯是否有润滑提升的效果以及浓度对润滑效果的影响。最后确定石墨烯增强聚乙烯润滑能力的机制。经过实验后，得到了纯聚乙烯和四种不同浓度的石墨烯/聚乙烯复合材料的抗磨擦磨损性能数据。4.2纯聚乙烯与石墨烯/聚乙烯复合物抗磨能力对比4.2.1各浓度石墨烯/聚乙烯复合物与纯聚乙烯摩擦系数对比以及分析为了研究石墨烯/聚乙烯中石墨烯有没有起到润滑效果以及石墨烯浓度变化对聚乙烯表面润滑摩擦特性的影响，用往复摩擦试验机对聚乙烯以及四种不同浓度的石墨烯/聚乙烯样品进行了摩擦测试，下面是五种样品在不同试验力下的平均摩擦系数,测试时间为10min如图4-1平均摩擦系数试验力纯聚乙烯0.01wt%0.03wt%0.1wt%0.3wt%1N0.3350.2180.2410.1720.2052N0.2210.1660.1950.11701353N0.1340.1430.1270.0660.0664N0.1620.1400.1280.0580.0485N0.1360.0980.0510.0550.0466N0.1250.0710.0660.0580.0407N0.0490.0470.0460.0440.040图4-1对于一般材料的摩擦磨损性能，摩擦系数是重要的指标之一，横向看4-1表的数据，摩擦系数大致呈现一个下降的状态，即在相同的试验力下，石墨烯的浓度越大，平均摩擦系数则越小。在低载荷下（1-7N），从纯聚乙烯到石墨烯浓度为0.3%wt的石墨烯/聚乙烯复合材料，平均摩擦系数分别降了39%，39%，51%，70%，66%，68%，18%这个现象说明，石墨烯有助于减小材料的摩擦系数，增强聚乙烯的润滑能力，这是因为在往复摩擦的过程中，机械活化能增加，石墨烯可能参与摩擦化学反应，一些纳米颗粒相互作用，与对磨材料形成一层低剪切力的膜。以及石墨烯的三维立体结构使其能够在摩擦副表面形成连续且致密的润滑层，覆盖聚乙烯基体的粗糙表面，从而减少摩擦副的直接接触，有效地降低了摩擦系数，增强了润滑能力。整体纵向来看表4-1，随着载荷的增大，除了个别可能因环境误差所导致的数据以外，摩擦系数整体呈现一个逐渐减小的趋势。推测其原因有二：第一个是因为摩擦热积累导致聚乙烯和石墨烯/聚乙烯复合材料表面发生软化，降低了剪切强度，同时在表面形成一层较薄的润滑膜。这层润滑膜在两个摩擦副表面之间起到了润滑剂的作用，导致了摩擦系数的下降。第二个是因为在中低载荷状态下，聚乙烯表面是弹性变形，距离塑性变形还有一段时间，石墨烯/聚乙烯表面切向摩擦力的大小受到实际接触面积的影响，载荷的增大，使得实际接触面积也在增大。根据赫兹接触理论，当负载上升时，接触部分面压力的上升（载荷的上升）快于接触面面积的上升（接触面积随接触面载荷的2/3次方增长），又因为摩擦力的大小等于剪切强度乘以实际接触面积的大小，所以相当于载荷的上升快于切向摩擦力的上升，所以导致了摩擦系数的下降。下面是实验时间为30min时，五种不同样品在不同试验力下的平均摩擦系数，如图4-2.试验力试验力样品试验力平均摩擦系数样品试验力平均摩擦系数样品纯聚乙烯样品0．01%wt0．03%wt0．1%wt0．3%wt5N0.1210.0990.0660.0450.04210N0.0470.0480.0440.0350.03315N0.0680.0510.0430.0320.03920N0.0420.0330.0300.0230.042图4-2横向来看图4-2，不难发现，在载荷为5N和10N时，随着石墨烯的浓度增大，平均摩擦系数逐渐减小，证明着摩擦性能不断提高。从4-1表和4-2表来看，1N-10N中低载荷的状态下，0.3%浓度的石墨烯润滑表现效果最好，分别比纯聚乙烯平均摩擦系数下降了65%和30%。随着载荷的提升，在高载荷15N和20N的试验力下，0.3%石墨烯浓度的样品平均摩擦系数反而比0.1%石墨烯浓度样品的高，在试验力为20N时，甚至超过了纯聚乙烯。并且在10-20N范围试验力下，随着载荷的提升，0.3%wt的样品平均摩擦系数有所上升。下面是在5N载荷下，五种不同样品的摩擦系数变化图，如图a图a由图a可知，在5N的载荷下，随着石墨烯浓度的增长，摩擦系数变化的曲线不断下降，证明了石墨烯通过剪切作用在摩擦界面形成连续润滑膜，减少了摩擦副之间的直接接触面积。其中摩擦系数变化曲线最低的是石墨烯浓度为0.3%的样品，说明了在5N下，它的润滑能力最强。但是可以注意到石墨烯浓度为0.1%和0.3%的样品在摩擦实验的末尾摩擦系数曲线有明显的波动变化，甚至一度接近石墨烯浓度为0.03%的样品，其很有可能是因为个体试验样品的问题，在经历了一段时间的摩擦之后，压痕下面部分石墨烯分散不均匀导致复合材料的机械性能，摩擦性能下降所导致的波动。但是0.3%石墨烯浓度的样品润滑性能在此条件下依然是最好的。下面是在10N载荷下，五种不同样品的摩擦系数变化图，如图b图b由图b可发现，在10N的载荷下，石墨烯浓度为0.1%和0.3%的复合材料摩擦系数变化曲线相近，但是由图4-2可知平均摩擦系数0.3%wt的要比0.1%wt的要低，所以在此状态下石墨烯浓度为0.3%的样品润滑效果最好。值得注意的是，石墨烯浓度为0.01%和0.03%的复合材料在前半段摩擦系数曲线在纯聚乙烯之下，随着摩擦的进行，大约到13,14min之后，两者的摩擦系数变化曲线均超过了聚乙烯。对比下面的图c之后，我认为这是环境或者仪器导致的个体样品实验误差，此次实验的两个样品可能是硬度或者其他机械性能很差，其机理是低浓度的纳米填料可能不足以形成特别有效的润滑膜，在中高载荷下，在前13min中的摩擦中，0.01%wt和0.03%wt的样品表面形成的润滑膜可能已经被磨破，此时样品里面的三维石墨烯因为其拥有大表面积，给聚乙烯提供了很多接触的位点，聚乙烯分子链与三维石墨烯缠绕，石墨烯和聚乙烯的分子层间滑移困难所造成的摩擦系数上升。下面是在15N载荷下，五种不同样品的摩擦系数变化图，如图c图c由图c可以知道，在15N的载荷下，石墨烯浓度在0.01%到0.1%范围内，浓度越大，摩擦系数越小。此时可以注意到，0.3%wt的样品摩擦系数变化曲线在0.1%wt摩擦系数曲线之上，这是因为在此时高载荷下（15N）,304钢球把0.3%wt样品表面磨破之后到了样品深层区域，其中的石墨烯因为浓度太高而发生了团聚，石墨烯分子层失去层间滑动的能力，无法有效形成润滑膜，导致局部摩擦增大。此时还因为部分的应力集中引发了磨粒磨损，导致磨损的加剧。所以在15N的载荷下，石墨烯浓度为0.1%的样品发挥了最好的润滑效果。下面是在20N载荷下，五种不同样品的摩擦系数变化图，如图d图d由图d可知，在高载荷下（20N），在石墨烯浓度范围为0.01%-0.1%内，随着石墨烯浓度升高，摩擦系数曲线越低，形成的润滑膜越致密连续，润滑效果越好。到了0.3%的石墨烯浓度时，样品的摩擦系数在4min之前还是比纯聚乙烯摩擦系数低，过了4min之后，0.3%wt的样品摩擦系数与聚乙烯持平甚至在聚乙烯摩擦系数曲线之上，证明了0.3%wt样品内部石墨烯团聚严重，磨粒磨损严重，导致摩擦系数上升，摩擦性能大大下降。总结：单从样品的摩擦系数方面来看，在1-15N时，石墨烯浓度为0.3%的样品润滑效果最好，随着载荷地增大，0.3%石墨烯浓度的样品中石墨烯团聚的问题就暴露了出来，在15N-20N的范围内，石墨烯浓度为0.1%的复合材料样品润滑效果最好。4.3.2实验磨斑宽度以及磨痕表面分析下面是五种不同的样品分别在5N,10N,15N,20N试验力下的磨痕宽度，如图4-3，单位为微米试验力试验力样品磨斑宽度样品磨斑宽度纯聚乙烯0.01%wt0.03%wt0.1%wt0.3%wt5N645.38um417.57um400.65um394.21um372.54um10N741.18um637.58um614.73um579.87um510.57um15N893,70um816.98um802.82um729.05um745.34um20N899.94um874.58um848.56um805.725um865.48um从图4-3可以得出的结论跟上面所讲的无异，当载荷为5N，10N时，随着石墨烯的浓度增加，样品上的磨痕宽度越小，其中润滑效果最好的是0.3%wt，磨痕宽度相较于聚乙烯分别下降了42.3%，31.1%；当载荷为15N,20N时，石墨烯浓度为0.1%的时候润滑效果是最好的，相较于聚乙烯，磨痕宽度分别下降了18.4%，10.5%。从上面的表还可以发现，到了高载荷的时候（15N,20N），磨痕宽度下降没有中低载荷这么多，其原因可能是高载荷下摩擦对形成的润滑膜破坏效果较大。下面分别是在5N，30min实验条件下，纯聚乙烯，和石墨烯浓度分别为0.01%。0.03%，0.1%，0.3%复合材料的磨痕表面观察（a）（b）（c）（d）（e）（a）聚乙烯（b）0.01%wt（c）0.03%wt（d）0.1%wt（e）0.3%wt在本次毕设实验中发现，所有样品的磨损形式大约有三种，分别是粘着磨损，磨粒磨损，疲劳磨损。粘着磨损是由接触表面微观凸起粘着后断裂引发，表现为大分子材料转移，一般是犁沟状或者是粘着疤痕；磨粒磨损是硬质颗粒或粗糙表面在接触时切削或刮擦材料表面，导致材料损失，一般在石墨烯团聚严重的地方会发生磨粒磨损，表现为平行的沟槽或划痕；疲劳磨损是在超过了某个特定的疲劳应力之后材料表面或次表面因疲劳裂纹扩展而剥落的情况，表现为“麻点”或“鱼鳞状”剥落。有上面的图集可知，在5N的试验力下，聚乙烯的磨痕处特别粗糙且凹凸不平，磨痕里面还有一些斑点状的掉落，磨痕附近还有着明显的鱼鳞状的痕迹。此时聚乙烯的磨损形式主要是疲劳磨损，在长时间的摩擦下，聚乙烯分子链可能被拉伸、断裂或重新排列，导致表面出现凸起和凹陷的不平整现象。随着石墨烯的加入，很明显的可以看到磨痕处变得光滑且磨痕宽度逐渐减小。这说明了石墨烯在摩擦的过程中形成了致密的润滑膜，避免了摩擦副的直接接触。再看图（b），此时石墨烯的浓度为0.01%，可以明显地观察到有少量的犁沟状的磨痕和材料堆积现象。说明了此时的0.01%wt样品主要磨损形式为粘着磨损，推测其可能是因为石墨烯含量不高，形成的润滑膜强度不够，导致材料转移。随着石墨烯浓度的增加，粘着磨损逐渐减轻致消失。上面的图片可以证明，在5N的试验力下，0.3%wt样品表现出来的润滑性能与机械性能最好（0.3%wt样品的磨痕宽度最为小，表面最光滑）。下面分别是在10N，30min实验条件下，纯聚乙烯，和石墨烯浓度分别为0.01%。0.03%，0.1%，0.3%复合材料的磨痕表面特征（a）（b）（c）（d）（e）（a）聚乙烯（b）0.01%wt（c）0.03%wt（d）0.1%wt（e）0.3%wt从上面的图集可以发现，聚乙烯，0.01%wt和0.03%wt的样品表面都出现了鱼鳞状的磨痕，这是因为在10N载荷的长时间摩擦下，这三个样品表面都有明显的裂纹及扩展，说明其表面发生的主要磨损方式是疲劳磨损。值得注意的是，0.01%wt和0.03%wt的样品表面跟聚乙烯磨痕表面差不多粗糙甚至0.03%wt的样品比聚乙烯磨痕的表面还要粗糙。正如前面分析摩擦系数变化曲线一样，这是由于环境和样品的个体差异所导致的，0.01%和0.03%石墨烯浓度并不算高，在10N载荷下长时间摩擦可能导致润滑膜破裂，又因为三维石墨烯具有极大的表面积，为聚乙烯分子提供了很多接触位点，润滑膜破裂后，石墨烯分子链和聚乙烯分子链互相缠绕，导致复合分子间滑移困难，机械性能和摩擦性能下降所导致的。还可以看到，0.03%wt样品磨痕中还有褶皱，材料堆积的痕迹，所以0.03%wt的样品主要磨损形式为粘着磨损和疲劳磨损。当石墨烯的浓度来到0.1%和0.3%时，可以看到磨痕逐渐变得光滑平坦。当石墨烯浓度为0.1%时，可以看到磨痕表面有明显的犁沟和微裂纹，还有一些材料堆积的现象，这说明了0.1%wt样品主要磨损形式为粘着磨损。在石墨烯浓度为0.1%和0.3%的时候都可以发现磨痕表面有些轻微的，平行的划痕，这是典型的磨粒磨损的现象。推测其原因是因为在长时间中载荷的摩擦下，材料表面发生磨损，产生的磨屑颗粒落到磨痕处，与钢珠一起摩擦样品表面，导致两者磨痕表面产生了平行的划痕。下面分别是在15N，30min实验条件下，纯聚乙烯，和石墨烯浓度分别为0.01%。0.03%，0.1%，0.3%复合材料的磨痕表面特征（a）（b）（c）(d)（e）（a）聚乙烯（b）0.01%wt（c）0.03%wt（d）0.1%wt（e）0.3%wt由上面的图集可以知道，在载荷15N下，随着石墨烯的浓度增加，样品表面磨痕逐渐从粗糙变得光滑，其中聚乙烯和0.01%wt的样品磨损形式主要是疲劳磨损，0.03%wt，0.1%wt，0.3%wt样品磨痕表面有着明显的平行划痕，其中0.1%wt的样品磨痕表面还有材料堆积的现象，所以这三者主要的磨损形式是粘着磨损和磨粒磨损。可以注意到石墨烯浓度为0.3%wt时，磨痕两边有两条清晰的，平行的黑色划痕，这主要是因为在15N高载荷长时间的摩擦之下，钢珠压到样品深层，由于0.3%wt样品石墨烯浓度较高，其中有些石墨烯分散不均团聚导致的，这两条“黑痕”就是分散的石墨烯颗粒，从磨痕宽度和光滑程度来看，在15N载荷下，当石墨烯浓度为0.1%的时候润滑减磨效果最好。下面分别是在20N，30min实验条件下，纯聚乙烯，和石墨烯浓度分别为0.01%。0.03%，0.1%，0.3%复合材料的磨痕表面特征(b)(d)(e)（a）聚乙烯（b）0.01%wt（c）0.03%wt（d）0.1%wt（e）0.3%wt由以上图集可以发现，在20N载荷下，随着石墨烯浓度增大，磨痕表面也是越来越平整光滑。有些甚至比10N，15N的磨痕表面都要光滑些，这个现象复合载荷越大，摩擦系数变小的特征。但是测量出来的磨痕宽度是不断变大的，这是因为载荷越大，材料弹性，塑性变形也会越大，钢球所接触的样品面积也会变大。上图中聚乙烯磨痕表面有鱼鳞状的痕迹，其主要磨损形式是疲劳磨损。0.01%wt样品磨痕表面有着明显的平行划痕和鱼鳞状痕迹，还有少量材料堆积痕迹，说明其主要磨损形式为磨粒磨损和疲劳磨损还有粘着磨损。0.03%wt样品磨痕表面有明显的犁沟状痕迹，其主要的磨损形式为磨粒磨损。当石墨烯浓度来到0.1%以上时，0.1%wt和0.3%wt的样品磨痕表面都非常光滑，但是可以注意到0.3%wt样品磨痕表面有着明显的孔洞，这是因为深层的石墨烯浓度较大，石墨烯分散不均，团聚成小块，在长时间的摩擦下被钢球磨掉留下了孔洞，局部应力集中，导致了摩擦性能下降。经过测量0.1%wt样品磨痕宽度比0.3%wt磨痕宽度要小，再结合以上几点，可以得出，在20N载荷下，0.1%wt样品的润滑减磨效果最好。第五章总结与展望5.1总结本次研究主要探讨了三维石墨烯作为添加剂对聚乙烯表面摩擦磨损特性的影响。实验结果表明，在低载荷条件下，随着石墨烯浓度的增加，聚乙烯的摩擦系数和磨斑宽度逐渐降低，其中0.3wt%石墨烯复合材料展现出最佳的抗磨减摩性能，与纯聚乙烯相比，摩擦系数降低了65%，磨斑宽度减少了42.3%。在高载荷条件下，0.1wt%石墨烯复合材料表现出更卓越的性能，摩擦系数最低至0.023，磨斑宽度下降了18%。这表明三维石墨烯能够显著改善聚乙烯的摩擦磨损性能，且不同浓度的石墨烯在不同载荷条件下具有不同的效果。三维石墨烯的立体网络结构可以有效阻止片层堆叠，增强界面润滑膜的稳定性，降低表面粗糙度。然而，当石墨烯浓度过高时，容易导致团聚现象，反而会降低聚乙烯的摩擦磨损性能。5.2展望在实施石墨烯改性聚乙烯复合材料制备的过程里，除了留意材料性能的提高外，也需要考量其安全性以及对环境的影响，尽管石墨烯自身有着不错的生物相容性，但在大规模生产与使用期间，仍需对其对环境以及人体健康的潜在风险展开评估，这涉及在制备、加工和使用阶段可能产生的石墨烯粉尘、废水和废料等对环境的污染以及对操作人员健康的危害情况，未来研究还需强化对石墨烯全生命周期安全性与环境影响的评估，以让其实现可持续的发展。就材料应用的角度而言，现今的研究主要聚焦于宏观尺度摩擦磨损性能的测试，但对石墨烯在复合材料内的微观作用机制和界面相互作用，深入把握依然不足，往后可借助先进的表征技术，诸如原位透射电子显微镜（in-situTEM）、原子力显微镜（AFM）等相关仪器，实时观测石墨烯在摩擦时的动态表现、界面结构改变以及润滑膜的形成与演化机理，由此为优化材料性能提供更直接的理论参考。在实际的工作情形里，除载荷和浓度这两项外，诸如温度、湿度和化学环境等外界因素，也会对石墨烯改性复合材料的摩擦磨损性能造成显著影响，面临高温环境之际，石墨烯或许会经历氧化或结构的改变，影响到它的润滑性能；处于既潮湿又有腐蚀性的环境当中，复合材料大概会遭受化学方面的腐蚀，引起性能下滑，未来得开展针对各类环境条件的系统研究，以开发能适配各种复杂工况的高性能石墨烯改性润滑材料。石墨烯改性复合材料在润滑领域展现出广阔应用前景，但要推动其大规模工业化应用的实现，依然要在材料制备、性能优化、增强分散特性、开展安全性评估以及对复杂工况适应性开展深入研究等方面深入探索创新。六：参考文献温诗铸.材料磨损研究的进展与思考[J].摩擦学学报,2008,(01):1-5.雒建斌.超滑与摩擦起源的探索[J].科学通报,2020,65(27):2966-2978朱华,吴兆宏,李刚,等.煤矿机械磨损失效研究[J].煤炭学报,2006,(03):380-385.邵一伦,崔文,张小刚,等.金属对聚乙烯型人工髋关节摩擦学性能研究进展[J].润滑与密封,2021,46(05):126-136.王艳艳,杜雪岭,刘卜瑜,等.二烷基二硫代磷酸锌的摩擦化学反应机理及其替代品研究现状[J].表面技术,2023,52(07):103-116.DOI:10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.07.008.Holmberg,K.,&Erdemir,A.(2017).Influenceoftribologyonglobalenergyconsumption,costsandemissions.Friction,5(3),263-284.NovoselovK.,GeimA.，MorozovS.，etal.Electricfieldeffectinatomicallythincarbonfilms[J].Science,2004,306(5696):666-669DINGM,CONGY,LIR,etal.Effectofsurfacetopographyonanisotropicfrictionofgraphenelayers[J].ExtremeMechanicsLetters,2020,40:100988(1-11).乔玉林,崔庆生,臧艳,等.石墨烯油润滑添加剂的减摩抗磨性能[J].装甲兵工程学院学报,2014,28(06):97-100.Aabid,M.A.Murtuza,S.A.Khan,M.Baig,Optimizationofdryslidingwearbehaviorofaluminium-basedhybridMMC'susingexperimentalandDOEmethods,J.Mater.Res.Technol.16(2022)743–763.P.Ravindran,K.Manisekar,P.Rathika,P.Narayanasamy,Tribologicalpropertiesofpowdermetallurgy–processedaluminiumselflubricatinghybridcompositeswithSiCadditions,Mater.Des.45(2013)561–565.王代莲.类金刚石薄膜摩擦自组织行为调控与超低摩擦研究[D].兰州交通大学,2020.DOI:10.27205/ki.gltec.2020.000037.McMillan,FrankM.Thechainstraighteners:Fruitfulinnovation:thediscoveryoflinearandstereoregularsyntheticpolymers.Springer,1979.袁俊霞.超高分子量聚乙烯的性能、改性及应用[J].化工新型材料,2003,(03):19-21徐龙华.氟化石墨烯/超高分子量聚乙烯复合材料的制备和性能研究[D].兰州大学,2016.朱杰,倪自丰,陈国美,等.氧化石墨烯/超高摩尔质量聚乙烯复合材料摩擦磨损性能研究[J].塑料工业,2014,42(03):103-106.杨超振.熔融温度及分子量对UHMWPE水润滑材料摩擦学性能影响研究[D].武汉理工大学,2022.DOI:10.27381/ki.gwlgu.2022.001507.张瑾.石墨烯在水溶液及基体中的分散研究[D].安徽理工大学,2013.周文博,余雯雯,石建高.渔用超高分子量聚乙烯/石墨烯纳米复合纤维的结构与蠕变性能[J].水产学报,2019,43(03):697-705.朱杰,倪自丰,陈国美,等.氧化石墨烯/超高摩尔质量聚乙烯复合材料摩擦磨损性能研究[J].塑料工业,2014,42(03):103-106.王书博.石墨烯微片/高密度聚乙烯复合材料的制备及其性能研究[D].福州大学,2020.DOI:10.27022/ki.gfzhu.2020.000195.ZhangB,ZhangY,PengC等.Preparationofpolymerdecoratedgrapheneoxideby[gamma]-rayinducedgraftpolymerization[J].Nanoscale,2012,4(5):1742-1748。赵瑜,王雷,刘洋,等.聚合物/石墨烯智能复合材料及器件研究进展[J].化工新型材料,2017,45(09):9-11.DongL,TongX,ZhangH,etal.Near-infraredlight-drivenlocomotionofaliquidcrystalpolymertrilayeractuator[J].MaterialsChemistryFrontiers,2018,2(7):1383-1388王玉.石墨烯智能材料3D打印可控制备与传感特性研究[D].兰州大学,2019.胡耀娟,金娟,张卉,等.石墨烯的制备、功能化及在化学中的应用[J].物理化学学报,2010,26(08):2073-2086.HEＲNANDEZY，NICOLOSIV，LOTYAM，etal．Highyieldproductionofgraphenebyliquid-phaseexfoliationofgraphite［J．NatureNanotechnology，2008，3(9):563-568．Pu,Nen-Wen,etal."Productionoffew-layergraphenebysupercriticalCO2exfoliationofgraphite."MaterialsLetters63.23(2009):1987-1989WuB,YangX.AmolecularsimulationofinteractionsbetweengraphenenanosheetsandsupercriticalCO2[J].Journalofcolloidandinterfacescience,2011,361(1):1-8.SimHS,KimTA,LeeKH,etal.Preparationofgraphenenanosheetsthroughrepeatedsupercriticalcarbondioxideprocess[J].MaterialsLetters,2012,89:343-346.LihuaL,XiaoliZ,JianjunW,etal.Solvent-ExfoliatedandFunctionalizedGraphenewithAssistanceofSupercriticalCarbonDioxide[J].2013.Conley,Hiram,etal."Graphenebimetallic-likecantilevers:probinggraphene/substrateinteractions."Nano