石墨烯/Cu基复合材料的制备及摩擦学性能研究①

邢艳红 孔孟菲 郑旭涵 杨 明 郇延伟 车肖涛 卢志炜 姬嗣钰 贾正锋，2

(1．聊城大学 材料科学与工程学院，山东 聊城 252059；2．中国科学院 兰州化学与物理研究所， 固体润滑国家重点实验室，甘肃 兰州 730000)

石墨烯/Cu基复合材料的制备及摩擦学性能研究①

邢艳红1孔孟菲1郑旭涵1杨 明1郇延伟1车肖涛1卢志炜1姬嗣钰1贾正锋1，2

(1．聊城大学 材料科学与工程学院，山东 聊城 252059；2．中国科学院 兰州化学与物理研究所， 固体润滑国家重点实验室，甘肃 兰州 730000)

利用原位还原技术制备了Cu/石墨烯基纳米复合材料.以纳米Cu/石墨烯基复合微粒为原料，利用球磨技术将Cu/石墨烯基复合微粒与Cu粉复合.利用冷压成型技术制备石墨烯/Cu基复合材料，得到目的产物.利用高速环块摩擦磨损试验机考察目的产物的摩擦学性能，发现石墨烯的加入提高了材料的减摩性能.

石墨烯/Cu基复合材料,摩擦学,冷压成型

0 前言

炭材料由于优异的物理和化学性能成为近期研究的热点.石墨烯具有单层原子紧密排列结构，具有二维蜂窝状晶格结构，是目前最薄的二维材料(厚度只有0.335 nm)[1-3].由于其特殊的微观结构，石墨烯具有极好的力学、热学和电学性能，在微电子、能源、信息、材料和生物医药等领域具有重大的应用前景[4-9].

碳/铜基复合材料具有良好的导电导热和耐磨性能，广泛应用于电接触插头材料、电机电刷材料和电气化铁路机车的受电材料[10-13].在制备铜/碳复合材料过程中石墨和碳纳米管是常见的增强体.相对于石墨和碳纳米管，石墨烯具有更加优异的热学、力学、电学性能，并具有优异的与层片数有关的自润滑性能.但是，结构完整的石墨烯具有化学惰性从而限制了其深入应用[5, 6].

利用原位还原技术，在原子尺度实现Cu与石墨烯的复合是一种有效方法.作者通过hummers法制备氧化石墨烯(GO)，通过原位复合技术制备Cu/石墨烯基纳米复合粉体(rGO/Cu)[7].本文利用球磨技术将rGO/Cu添加到铜粉中，然后通过冷压技术制备石墨烯/Cu基复合块体材料.利用高速环块摩擦磨损试验机考察其摩擦学性能.

1 实验部分

1．1 实验材料

CuSO4·5H2O(AR 天津市科密欧化学试剂有限公司)；80%水合肼(AR 天津市科密欧化学试剂有限公司)；氧化石墨烯溶液(上海阿拉丁生物科技有限公司)；铜粉(华南金属有限公司)；氨水(AR, 天津科密欧化学试剂有限公司).

1.2 实验过程

在剧烈搅拌状态下，向三口瓶中加入100 mL蒸馏水和20 mL水合肼，再加入20 mL氧化石墨烯溶液,与10 mL 浓度Wt.5% CuSO4溶液、20 mL氨水配成相应的溶液，升高温度至80 ℃保温3 h，经冷却、抽滤得石墨烯/ Cu (rGO/Cu)复合微粒.将复合微粒与铜粉混合，在真空状态下利用球磨技术(转速300 r/m,时间30 min)球磨rGO/Cu与铜粉的混体系，得到石墨烯/铜基复合粉体.利用冷压成型技术制备块体材料，所施加压力20 MPa保压2 min，得到目的产物.

1.3 样品表征

采用JEM-1200 EX-TEM透射电子显微镜观察粉末形貌.利用德国BRUKER D8 ADVANCE X射线衍射仪对粉体的晶相组成进行分析.以美国PHI公司生产的PHI-5702型多功能电子能谱仪考察磨痕表面元素价态.以 MRH-3 型高速环块摩擦磨损试验机考察石墨烯的含量对材料摩擦学性能的影响，所施加载荷10 N转速300 rpm，运行时间8 min.

2 结果与分析

2.1 透射电镜分析

图1所示为rGO/Cu复合微粒的TEM分析.发现石墨烯呈片状结构，直径在微米量级，石墨烯颜色较浅可能归因于其厚度太小所致.所制备铜微粒呈球形直径在100 nm以内，rGO/CuA样品有直径100 nm左右Cu微粒存在可有与石墨烯溶液含量较少有关.高分辨分析显示，片层结构的层间距0.38 nm，与石墨烯的层间距相符，石墨烯以5-20 层聚集.

图1 rGO/Cu复合微粒的TEM分析

2.2 XPS和XRD分析

图2所示为rGO/Cu复合微粒的XPS和XRD图谱.XPS分析显示复合微粒含有C、O和Cu元素.XRD分析显示rGO/Cu复合微粒中2θ 位于11.5°的峰为石墨烯的(001)晶面， 2θ 位于43°、52°和74°的峰分别表示Cu的(111)、(200)和(220)峰.说明复合微粒中含有石墨烯和Cu微粒.目的产物经压制以后的XRD图谱中未出现石墨烯的特征峰，可能石墨烯的含量少所致.

图2 复合材料的(a)XPS和(b)XRD分析

图3 不同含量rGO/Cu复合微粒对摩擦系数的影响曲线

2.3 摩擦学分析

图3所示为所制备复合材料的摩擦系数曲线，发现rGO/Cu复合微粒的含量为2.0 wt%时，其摩擦系数由纯Cu的0.6降低到0.2，且曲线平滑.较低的摩擦系数可能由于rGO/Cu含量较高相应的石墨烯含量较高，降低其摩擦系数.图4所示为纯Cu和rGO/Cu含量分别为0.5 wt%和2.0 wt%试样磨痕的SEM图片.发现当2.0 wt%的rGO/C添加到基体中，其磨损面较光滑平整犁沟较浅，与其具有较低的摩擦系数相一致.

图4 (A)纯Cu, (B)rGO/Cu含量0.5wt%和(C)2.0wt%试样磨痕的SEM分析

3 结论

利用原位还原技术在纳米尺度制备石墨烯/Cu复合微粒，将复合微粒与Cu粉混均利用冷压成型技术制备石墨烯/Cu基复合材料.当rGO/Cu添加量为2.0wt%时，所制备材料的摩擦系数由纯Cu的0.6降低到0.2.SEM分析发现，当rGO/Cu添加量为2.0 wt%时磨痕平整光滑，犁沟较浅.

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ThePreparationandTribologicalPropertiesofReducedGrapheneOxide/CuMatrixComposites

XING Yan-hong1KONG Meng-fei1ZHEN Xu-han1YANG Ming1HUAN Yan-wei1CHE Xiao-tao1LU Zhi-wei1JI Si-yu1JIA Zheng-feng1，2

(1.School of Materials Science and Engineering, Liaocheng University, Liaocheng 252059, China;2.State Key Laboratory of Solid Lubrication, Lanzhou Institute of Chemical Physics,Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 73000, China)

The nano-scale reduced graphene oxide/copper (rGO/Cu) pellets were synthesized by reducing graphene oxide and CuSO4.The Cu/rGO bulks were fabricated by ball-milling and cold-pressing technology,The tribological properties of the formed Cu/rGO bulks were executed by a high speed ring on block friction and wear tester.The results show that the reduced graphene oxide reduced the friction coefficient of the bulks.

reduced graphene oxide/copper matrix composites,Tribology,Cold-pressing forming

2017-06-23

国家自然科学基金项目(51172102)；山东省高等学校科技计划(J15LA60)；中科院兰州化物所固体润滑国家重点实验室开放课题(LSL-1504)；聊城大学大学生科技文化创新基金(26312171926，26312161910，26312161936)资助

贾正锋，E-mail：jiazhfeng@qq.com.

TQ12

A

1672-6634(2017)03-0056-03