关键词：
液相激光辐照
石墨烯/氮化硼
氮化硅
添加剂
摩擦学
摘要：
摩擦和磨损是一种普遍发生在物体表面且不可避免的现象,会导致大量的能源损耗和机械设备失效。深入开展摩擦学研究,降低摩擦磨损所带来的各种经济损失,寻找更加有效的润滑新材料和新技术,对节能减排、碳中和以及建设节约型与环境友好型社会具有重要意义。二维（2D）层状纳米材料因其弱的层间范德华力、小的尺寸及大的比表面积等特点而被广泛应用于摩擦领域。同时,二维层状纳米材料与适配的零维（0D）球形颗粒复合后,有望进一步提升单一材料的摩擦性能。
本文利用简单、温和的液相激光辐照技术,在室温常压下实现了球形六方氮化硼和还原氧化石墨烯/六方氮化硼片球复合材料的制备,随后将片球复合材料添加到氮化硅基陶瓷中,采用放电等离子（SPS）烧结工艺制备了氮化硅基陶瓷复合材料,并进一步构建陶瓷复合材料与复合润滑油的固液协同润滑体系,详细研究片球复合结构在不同条件下的抗磨减摩性能,并对润滑机理进行分析。
利用液相环境中脉冲激光辐照材料产生的瞬时超高温、超高压等极端条件,通过一步激光诱导制备了球形六方氮化硼（L-h-BN）纳米颗粒。在室温常压下,将聚焦后的脉冲激光作用于无规则形状h-BN纳米颗粒的悬浮液,在激光辐照产生的高温和表面张力双重作用下,h-BN颗粒熔融,并瞬时被周围液相介质快速冷却,从而能够抑制其沿（002）晶面的取向生长,进而获得完美球形颗粒。将L-h-BN纳米球分散在PAO6基础油中能保持30天不出现明显沉淀,分散性明显改善。摩擦学实验结果表明,L-h-BN纳米球具有良好的抗磨减摩性能,主要是由于L-h-BN纳米球的球轴承效应,将滑动摩擦转变为滚动摩擦,从而降低摩擦系数,减少磨损。
在L-h-BN纳米球制备基础上,利用液相激光辐照的还原作用,对氧化石墨烯与六方氮化硼混合物同时进行辐照,成功获得了还原氧化石墨烯/六方氮化硼（L-rGO/h-BN）片球纳米复合材料。在一步液相激光辐照过程中,激光诱导的光热还原效应去除了氧化石墨烯层间的氧基,将氧化石墨烯还原;形状不规则的h-BN纳米片同时被重塑成球形颗粒（生长机理同第一部分）,并吸附在石墨烯的脱氧基团或缺陷位点上,形成2D/0D的L-rGO/h-BN片球复合材料。L-rGO/h-BN片球复合结构可以有效地防止高比表面积的h-BN和石墨烯的团聚,在PAO6基础油中展现了良好的分散性。摩擦过程中,层状石墨烯能够快速吸附在摩擦副表面,对摩擦副起到了保护和修复作用。同时,球形h-BN纳米颗粒将部分滑动摩擦转变为滚动摩擦,两者结合发挥了优异的协同润滑效果。
将激光辐照制备的L-rGO/h-BN添加到氮化硅（Si3N4）粉体中,利用SPS烧结工艺制备了Si3N4/L-rGO/h-BN陶瓷复合材料,提升了Si3N4基陶瓷的力学性能和自润滑性能。利用激光辐照制备的L-rGO/h-BN片球复合材料的结构优势,克服了石墨烯在陶瓷基体材料中易团聚的弊端,实现了石墨烯在Si3N4基陶瓷材料中的均匀分散。采用加热速率快、受热均匀的SPS烧结工艺,成功制备了Si3N4/L-rGO/h-BN陶瓷复合材料。陶瓷复合材料的抗弯强度和断裂韧性分别提高了30.4%和34.4%。摩擦学实验研究表明,添加L-rGO/h-BN后,陶瓷复合材料的自润滑性能大大提升,摩擦系数和磨斑直径降幅分别为26.6%和21%,提高了Si3N4/L-rGO/h-BN陶瓷复合材料的工业应用范围。这主要得益于L-rGO/h-BN添加剂在Si3N4/L-rGO/h-BN陶瓷复合材料中的良好分散,同时,磨损过程中,均匀裸露的石墨烯和六方氮化硼能够在陶瓷摩擦副表面起到良好的自润滑效果。
以激光辐照制备的L-rGO/h-BN作为润滑油添加剂,以SPS烧结的具有自润滑性能的Si3N4/L-rGO/h-BN复合陶瓷为摩擦副,构建固液协同润滑体系,进一步获得更低的摩擦和磨损。通过球盘摩擦实验,研究了荷载、转速和添加剂添加量对上述固液协同润滑体系摩擦性能的影响。正交实验表明,最佳实验条件下(荷载1 N、转速200 r·min-1、添加量为0.25 wt%),摩擦系数为0.022,磨斑直径为148μm,降幅分别达48.6%和45.8%,进一步降低了摩擦和磨损,接近超低摩擦状态。这是因为L-rGO/h-BN复合添加剂在润滑油中良好分散,摩擦过程中能够快速吸附到摩擦副表面,形成一层润滑膜,并对磨损部位进行修复;球形h-BN使部分滑动摩擦转换为滚动摩擦,摩擦副之间的摩擦力也转换为石墨烯层之间较低的层间滑移力,从而显著降低摩擦系数;此外,陶瓷复合材料中的石墨烯材料裸露后也起到了良好的表面保护效果,展现出优异的抗磨性能。
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