| 题名 | 石墨烯及其复合薄膜的制备与摩擦学性能研究 |
| 作者 | 密永娟 |
| 学位类别 | 工学博士 |
| 答辩日期 | 2014-05-28 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 导师 | 王金清 |
| 关键词 | 石墨烯 多巴胺 自组装技术 层层自组装技术 结构与性能 Graphene Dopamine Self-assembly Layer-by-Layer self-assembly Structure and property |
| 学位专业 | 材料学 |
| 中文摘要 | 石墨烯以其独特的结构以及优异的力学和摩擦学等性能，成为微/纳电子机电系统(MEMS/NEMS)最具潜力的表面纳米润滑薄膜。本论文利用自组装技术和层层自组装技术设计、制备了一系列自组装单层薄膜(SAMs)和多层复合薄膜，采用多种表面分析手段表征薄膜微观结构和化学组成，并着重对薄膜的摩擦学性能进行了研究。主要研究内容和结果如下： 1. 以氧化石墨烯为前驱体，结合自组装技术和化学还原过程在单晶硅表面制备了还原氧化石墨烯(rGO)薄膜，讨论了三种还原剂(水合肼、氢碘酸、多巴胺)对rGO薄膜的组成形貌以及摩擦学性能的影响。表面分析以及摩擦学实验结果表明：相较于另外两种还原剂(水合肼和氢碘酸)，多巴胺原位还原获得的rGO薄膜结构更加完整，润滑性能更加显著。该方法简单可行，不受基底形状和尺寸的限制，为不同基底表面组装rGO薄膜提供了一种新途径，在许多领域中具有重大的潜在应用价值。 2. 以多巴胺为结构基础，利用其强黏着性和螯合能力，在单晶硅表面设计并组装了氧化锆纳米薄膜和稀土纳米薄膜，研究了薄膜的组成结构及其摩擦学性能，并讨论了多巴胺的引入对薄膜摩擦学性能的影响。实验结果表明，多巴胺是一种多功能性的表面成膜物质，一方面，它可以通过氧化聚合反应在多种基底表面形成牢固的聚多巴胺(PDA)表面薄膜，为进一步的组装或修饰提供活性平台；另一方面，它可以与众多无机纳米粒子发生螯合作用，从而提高纳米粒子的分散性和稳定性。在表面薄膜构筑过程中引入多巴胺可以显著改善薄膜的微观结构，提高其力学性能和摩擦学性能。 3. 结合层层自组装技术和原位还原反应，在单晶硅表面制备了氧化锆/还原氧化石墨烯(ZrO2/rGO)多层纳米复合薄膜。研究了微观结构与薄膜机械性能以及摩擦学性能之间的关系。实验结果证明，复合薄膜中rGO和ZrO2的引入以及多层结构的构筑赋予复合薄膜许多优异的性能。在不进行热处理的情况下，所构筑的ZrO2/rGO多层薄膜表现出优异的力学性能(硬度：11.54 GPa)和摩擦学性能(摩擦系数：0.12-0.17)，可作为减摩抗磨涂层被用于微/纳机电系统的表面保护和其他领域。 4. 首先利用多巴胺对稀土纳米粒子进行了表面修饰，然后通过自组装技术构筑了两种还原氧化石墨烯/稀土(rGO/RE)纳米复合薄膜：还原氧化石墨烯/稀土镧纳米复合薄膜(rGO/La)以及还原氧化石墨烯/稀土钐纳米复合薄膜(rGO/Sm)。对薄膜的组成结构及形貌进行了研究分析，并着重分析了稀土纳米粒子的引入对其摩擦学性能的影响。实验结果表明，由于无机纳米粒子相较于有机分子较高的承载能力和良好的耐磨损性能，以及rGO薄膜优异的润滑性能，相对于单一组分的rGO或RE纳米薄膜，实验中所制备的rGO/RE纳米复合薄膜的润滑性能和承载能力均获得了显著的提高。 |
| 学科主题 | 材料科学与物理化学 |
| 公开日期 | 2014-11-24 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://210.77.64.217/handle/362003/6759]  |
| 专题 | 兰州化学物理研究所_固体润滑国家重点实验室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 密永娟. 石墨烯及其复合薄膜的制备与摩擦学性能研究[D]. 中国科学院大学. 2014. |
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