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编辑|梧桐呜

前言

氧化石墨烯（GO）/氧化钇稳定的四方氧化锆多晶（3Y-TZP）复合材料是通过将 GO 分散体浸渍到氧化锆陶瓷中并通过微波法烧结制备的。 采用盘上法测试了复合材料的磨损和摩擦性能，结果表明随着GO体积分数的增加，摩擦系数和磨损率均降低，碳化硅球的磨损率基本相似. 分别使用扫描电子显微镜研究了还原氧化石墨烯 (RGO)/3Y-TZP 复合材料和 3Y-TZP 磨损表面的微观结构。这表明在 RGO/3Y-TZP 复合材料中发生塑性变形并形成富碳摩擦膜。

一、介绍

氧化钇稳定四方氧化锆多晶 (3Y-TZP) 具有良好的化学稳定性、耐腐蚀性、高硬度和高耐磨性等显着性能，是基础研究中的优秀材料。陶瓷材料具有高耐磨性，可用于制造切削工具，如泵叶片和计算机支撑部件。陶瓷具有良好的研磨效果，几乎不污染研磨后的产品，因此被广泛应用于不同领域。

为了进一步扩大其在切削工具中的应用，一个研究热点是提高氧化锆陶瓷的耐磨性。 在润滑条件下，添加纳米润滑剂添加剂是在粗糙接触位置形成摩擦膜以分离滑动表面的最有效方法。 因此纳米材料的选择对于提高3Y-TZP陶瓷的摩擦学性能和性能非常重要。

石墨烯是一种由单原子厚的六边形碳原子层组成的二维薄片，由于其优异的润滑性能，是自润滑剂的良好候选者。当氧化石墨烯 (GO) 与 3Y-TZP 陶瓷混合时，会形成较大的比界面面积，提高基体与 GO 之间的应力传递效率。 陶瓷复合材料的机械性能（例如摩擦和磨损性能）将得到改善，因为磨损过程会导致形成可以润滑和保护接触表面的富含碳的摩擦膜。略伦特等人。

报告在干滑动条件下，20 vol% 石墨烯/碳化硅 (SiC) 复合材料的磨损和摩擦提高了 70%。这是由于形成粘附的润滑摩擦膜。观察到在异辛烷润滑条件下，将 3 wt% 的石墨烯纳米片添加到氮化硅基体中可减少摩擦并将耐磨性提高高达 56%，这归因于纳米片的剥落和粘附保护性摩擦膜的形成。与整体氧化铝相比，石墨烯/Al 2 O 3复合材料18、19也显示出耐磨性的显着改善。

二、陶瓷具有提高的耐磨性

另一方面，由碳和碳衍生物增强的氧化锆陶瓷具有提高的耐磨性和降低的摩擦系数。Melk 等人的20 种多壁碳纳米管 (MWCNT) 增强氧化锆复合材料表明，随着 MWCNT 含量的增加，摩擦系数 (COF) 和耐磨性都会降低。 研究了 3Y-TZP 与 1.07 wt% 碳纳米纤维 (CNFs) 复合材料的摩擦磨损行为，主要磨损机制是磨损和作为界面润滑介质的 CNFs 的拉出。 卡巴斯基等。碳含量为 5.16 wt% 的 3Y-TZP/CNT 复合材料具有较低的 COF，因为在滑动过程中会产生高剪切应力，导致 MWCNT 剥离并在接触区域形成润滑膜。

很少有工作研究氧化锆-GO 复合材料的磨损行为。制备了 GO 增强的 3Y-TZP 陶瓷，并研究了还原氧化石墨烯 (RGO)/3Y-TZP 复合材料的摩擦性能和相关机理。基于形态学检查和摩擦学分析研究了 GO 含量对摩擦性能的影响。该工作为改善RGO/3Y-TZP陶瓷复合材料的摩擦磨损性能提供了机制，增加了其可能性。

三、实验步骤

3Y-TZP 粉末购自瑞士 Sulzer Metco (100–150 nm)。环己烷、Triton X-100 和N-甲基吡咯烷酮 (NMP) 购自中国北京国药集团化学试剂有限公司。 GO 粉末（1-2 µm）购自中国江苏苏州炭丰石墨烯科技有限公司（GO 合成参考第26条）。通过在200 MPa的压力下干压3Y-TZP粉末（含有环己烷和Triton X-100）制备密度为3.0 g cm -3的预成型件。3Y-TZP粉末表面覆盖环己烷和Triton X-100以避免3Y-TZP粉末团聚。

含有环己烷和 Triton X-100 的预制棒会影响浸渍过程。有必要通过在 800°C 下烧结预成型件来去除环己烷和 Triton X-100。将不同量G分散在40 mL NMP中并超声处理 10 分钟。分散溶液以 16 的球粉重量比和300 r min -1的速度研磨4 小时以获得分布均匀的溶液。在球磨过程中，雷诺剪切应力可以通过克服GO片材之间的范德华力使GO片材变薄和均匀。27 , 28 NMP可以起到稳定剂的作用，防止GO片材团聚重叠。

静置 24 h 后收集 GO 上清液。为制备 GO/3Y-TZP 复合材料，将 3Y-TZP 预制件置于自制浸渍装置中，压力为-0.09 MPa 至-0.1 MPa 30 分钟， 然后将 GO 分散液注入浸渍装置以浸没样品。GO 分散体注入后，压力保持在 20 MPa 20 小时。 最终得到GO/3Y-TZP陶瓷预制棒。显示了详细的浸渍装置框架。RGO/3Y-TZP 预制件在 120°C 的烘箱中干燥 30 分钟。然后RGO/3Y-TZP预成型坯通过微波烧结在1350℃真空烧结3小时（加热速率30℃min -1）。

通过盘上法测量复合材料的磨损和摩擦性能。将磨损试样抛光成镜面，表面粗糙度为0.02 µm。将硬度高于氧化锆的商用 SiC 球用于磨损和摩擦试验，在 10 N、50 N 和 100 N 的载荷下，滑动速度分别为 250、500 和 750 r min -1 1800 s ，分别。摩擦力矩由摩擦传感器记录。实验在 25 ± 1°C下进行，相对湿度为 30-50%，由温湿度控制器保持。

四、复合材料磨损表面的微观结构

GO/3Y-TZP 复合材料磨损表面的微观结构通过扫描电子显微镜 (SEM, SU-1500; HITACHI, Japan) 表征。 然后通过 X 射线衍射（XRD，D/MAX；Rigaku Corporation，Tokyo，Japan）表征 RGO/3Y-TZP 复合材料的晶相。通过拉曼光谱仪（INVIA；雷尼绍，英格兰）对样品进行分析，波长为 514 nm，以确认石墨烯是否存在于摩擦膜中。烧结样品的表观密度通过阿基米德法在蒸馏水中测量。

通过使用 Image-J 软件分析场发射 SEM（JSM-7500F；JEOL Ltd，东京，日本）图像来确定晶粒尺寸。从各种图像测量至少 200 个晶粒，获得主平面晶粒直径。硬度和弹性模量通过纳米压痕仪（摩擦压痕仪；由美国明尼苏达州明尼阿波利斯的 Hysitron 提供）和 Berkovich 压头在 10 mN 负载下测量，停留时间为 5 秒。硬度值和弹性模量取五次实验结果的平均值。

给出了具有不同GO 体积分数的 RGO/3Y-TZP 复合材料的力学性能。可以看出，在 1.02 vol% 的 GO下，硬度和弹性模量分别达到 17.81 GPa 和 237.81 GPa 的峰值。RGO/3Y-TZP复合材料的相对密度随着GO体积分数的增加而降低，样品纯度>99%。 添加 GO 进一步有助于在复合材料中保持更细的晶粒结构，并防止致密化过程中的晶粒生长。 RGO/3Y-TZP复合材料的硬度和弹性模量在初始增加后下降，这归因于晶粒细化。

随着RGO/3Y-TZP复合材料中GO体积分数的增加，基体晶粒尺寸明显减小，硬度也随之下降。随着 RGO/3Y-TZP 复合材料中 GO 体积分数的增加，表观密度降低，导致硬度下降。分布在基体中的少量 RGO 导致晶粒细化，从而阻碍晶粒的生长。第二个原因是石墨烯具有高导热性。基体中少量的RGO不仅使烧结温度更加均匀，而且提高了氧化锆晶粒从烧结温度到环境温度的冷却速度。

第三个原因是由于石墨烯的高导热性，GO在烧结过程中转变为RGO，添加GO有助于快速达到烧结温度。上述因素导致 RGO/3Y-TZP 复合材料在微波烧结过程中晶粒细化。33随着 GO 用量的增加，晶粒尺寸略有变化。 主要原因是GO的团聚可能导致对晶粒尺寸的影响很小。GO 上清液通过孔隙渗透到基质中，当 GO 的数量增加时，GO 可能会在此处形成团聚。

COF 值是了解材料摩擦学行为的重要因素。为不同速率、不同 GO 分散度的 RGO/3Y-TZP 复合材料在 10 N 载荷下的 COF。随着 GO 含量的增加，复合材料的 COF 降低在 250 r min -1时从 0.48 到 0.33 ，COF 滑移为 31.25%；在 500 r min -1时从 0.49 到 0.34 ，COF 滑移为 30.61%；并且在 750 r min -1时从 0.51 到 0.36 ，COF 滑移为 29.41%。当速度从 250 r min -1增加到750 r min -1, COF 略有增加。

COF随着速率的增加略有增加。在相同的载荷下，样品表面可以形成类似的摩擦膜。转速的增加导致磨损次数增加，同时磨损更严重。 摩擦温度的升高会导致材料的耐磨性降低。在高速行驶时，大量的摩擦能会在摩擦界面转化为累积的摩擦热。 随着界面摩擦温度的升高，材料的磨损程度略有增加也就不足为奇了。随着材料中GO含量的增加，引起摩擦系数的石墨烯层状结构在承受摩擦时的润滑性降低。35, 36另一方面，GO 可以形成富含碳的摩擦膜，在摩擦中起到润滑作用。

显示了具有不同 GO 体积分数的 RGO/3Y-TZP 复合材料的 COF 值作为时间的函数，负载为 10 N 和 100 N 在 500 r min -1。可以看出所有样品的 COF 值先是增加，然后达到一个平台。平台COF值随着GO体积分数的增加而降低，3Y-TZP的COF值高于RGO/3Y-TZP复合材料。当施加的载荷从 10 N 增加到 100 N 时，COF 从 10 N 的平均值 0.34 增加到 100 N 的 0.42 的值，对于具有 1.02 vol% GO 的复合材料。

对于具有 3Y-TZP 的复合材料，摩擦系数从 10 N 时的平均值 0.49 增加到 100 N 时的 0.65。随着载荷的增加，磨损变大，磨损轨迹变深。随着载荷的增加，RGO/3Y-TZP复合材料的摩擦力会增加，耐磨性会降低。 摩擦膜会使 RGO/3Y-TZP 复合材料表面裂开，加剧摩擦，导致材料磨损加剧。随着GO含量的增加，材料的磨损降低。RGO 表现出良好的润滑性，这可能促进 RGO 与碎屑的结合，在基体上形成保护膜。

结论

采用石墨烯氧化物（GO）分散液浸渍陶瓷制备了RGO/3Y-TZP复合材料，并通过微波烧结工艺进行烧结。进行了一系列实验来表征3Y-TZP和RGO/3Y-TZP复合材料的摩擦磨损行为，并研究了GO添加对其摩擦学性能的影响。还分析了复合材料磨损表面的微观结构。主要结论如下：RGO/3Y-TZP复合材料与3Y-TZP相比具有相同的微相结构。随着GO体积分数的增加，RGO/3Y-TZP复合材料的硬度增加，相对密度降低。

石墨烯存在于陶瓷基体中。 将GO添加到陶瓷基体中会降低复合材料的摩擦系数和磨损率。在不同的GO体积分数下，SiC球的磨损率几乎相似。 可以看到随着GO含量的增加，当复合材料的摩擦系数从250 r min-1下降到0.48至0.33时，摩擦系数的下降率为31.25%；从500 r min-1下降到0.49至0.34时，摩擦系数的下降率为30.61%；从750 r min-1下降到0.51至0.36时，摩擦系数的下降率为29.41%。

当复合材料的磨损率从10 N下降到5.34 × 10-6 mm3 Nm-1至1.34 × 10-6 mm3 Nm-1时，RGO/3Y-TZP复合材料的磨损率下降率为74.90%；从50 N下降到2.25 × 10-5 mm3 Nm-1至2.30 × 10-6 mm3 Nm-1时，RGO/3Y-TZP复合材料的磨损率下降率为89.78%；从100 N下降到3.01 × 10-5 mm3 Nm-1至4.30 × 10-6 mm3 Nm-1时，RGO/3Y-TZP复合材料的磨损率下降率为85.71%。

RGO/3Y-TZP复合材料在防止摩擦方面表现出改善，与3Y-TZP相比，磨损过程后形成的摩擦膜要少得多。 由于石墨烯的存在，磨损引起的塑性变形发生，并形成富含碳的摩擦膜来润滑和保护接触表面。

参考文献

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