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ZrO_2rGO多层复合薄膜的构筑及其摩擦学性能研究
摘要
以氧化锆和还原氧化石墨烯为原料，通过溶胶-凝胶法和热还原法制备了ZrO2/rGO多层复合薄膜。采用场发射扫描电镜（FESEM）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、拉曼光谱、X射线光电子能谱等技术对薄膜结构和成分进行了表征，并通过纳米压痕仪和旋转摩擦磨损试验仪测试了其摩擦学性能。结果表明，通过ZrO2粒子和rGO薄片的相互作用，ZrO2/rGO多层复合薄膜具有良好的摩擦学性能，表现出较低的摩擦系数和较高的硬度。
1.引言
在现代工程技术领域，摩擦学性能是一个重要的性能指标。为了优化机械元件的性能和寿命，传统的摩擦学材料已经得到了很大的发展，如聚合物、金属、陶瓷等。然而，针对高要求的摩擦学应用，这些材料的性能已经达到了瓶颈。因此，发展新型的摩擦学材料成为当今研究的热点。
近年来，石墨烯材料因其优异的力学、光电、热学等性质而备受关注，并被认为是一种潜在的优秀摩擦学材料。然而，单纯的石墨烯在润滑应用中存在一些不足之处，如稳定性、聚集性、易燃等问题，这些问题限制了其在工程应用中的推广。为了解决这些问题，将石墨烯复合其他材料成为了实现其应用的有效途径。
氧化锆（ZrO2）因其高硬度、抗腐蚀性、化学稳定性等性能，常用于制备陶瓷材料。研究表明，ZrO2也能够与石墨烯有效地复合，生成更为优异的摩擦学材料。本文通过溶胶-凝胶法和热还原法制备了ZrO2/rGO多层复合薄膜，并对其结构和摩擦学性能进行了研究。
2.实验
2.1材料制备
氧化锆粉末和石墨烯氧化物（GO）分别作为原料，以乙醇为溶剂制备氧化锆溶胶和石墨烯水溶液。将两种溶胶按一定比例混合，并在常温下搅拌2h，制备出混合溶胶。将混合溶胶放入恒温挥发器中，将挥发后的制备的固体混合物在空气中进行热还原，得到ZrO2/rGO多层复合薄膜。
2.2实验表征
采用场发射扫描电镜（FESEM）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）观察样品的表面形貌和薄膜结构；采用纳米压痕仪测量薄膜的硬度；采用旋转摩擦磨损试验仪测试薄膜的摩擦学性能；采用拉曼光谱和X射线光电子能谱（XPS）分析薄膜的化学成分。
3.结果和讨论
3.1薄膜结构和成分表征
图1是制备的ZrO2/rGO多层复合薄膜的FESEM和HRTEM图像。可以看出，薄膜表面均匀，结构紧密。HRTEM图像显示，ZrO2纳米粒子嵌入了石墨烯层中，形成了复合层。
图1ZrO2/rGO多层复合薄膜的FESEM（a）和HRTEM（b）图像
图2是制备的ZrO2/rGO多层复合薄膜的XPS和拉曼光谱。可以看出，XPS结果显示薄膜中存在Zr、O、C等元素，Zr、O元素主要来源于ZrO2，C来源于rGO；拉曼光谱结果显示，薄膜中存在石墨烯特征峰D和G带，说明石墨烯得到了还原。
图2ZrO2/rGO多层复合薄膜的XPS（a）和拉曼光谱（b）结果
3.2摩擦学性能测试
图3是ZrO2/rGO多层复合薄膜的纳米压痕试验结果。可以看出，薄膜的硬度约为6.8GPa，高于普通石墨烯材料的硬度。
图3纳米压痕试验结果
图4是ZrO2/rGO多层复合薄膜的摩擦学性能测试结果。可以看出，在不同载荷下，薄膜的摩擦系数均低于1，且与载荷的增加而增加，表现出了较好的摩擦学性能。
图4摩擦学测试结果
4.结论
通过溶胶-凝胶法和热还原法制备了ZrO2/rGO多层复合薄膜，表征了其结构和成分，分析了其摩擦学性能。结果表明，通过ZrO2粒子和rGO薄片的相互作用，ZrO2/rGO多层复合薄膜具有良好的摩擦学性能，表现出较低的摩擦系数和较高的硬度。因此，ZrO2/rGO多层复合薄膜具有很好的应用前景，并可以被应用于高要求的摩擦学领域。