一种超滑范德华异质结的制备方法

1.本发明涉及材料技术和摩擦学领域，尤其涉及一种超滑范德华异质结的制备方法。


背景技术：

2.随着全球经济的飞速发展，摩擦磨损引起的能源和资源问题愈加突出。据统计，摩擦和磨损导致每年约20%的能源消耗和约80%的运动部件失效，严重制约经济和社会发展。结构超滑是指两个原子级光滑、且以原子排列非公度接触的固体表面之间实现近零摩擦的物理状态。结构超滑实现及其技术发展，将从根本上解决摩擦磨损问题。
3.目前实现结构超滑宏观尺度放大的摩擦体系主要有两种：1）由大尺寸单晶二维薄片组成的单个异质摩擦结（即大尺度单摩擦结体系）；2）由大量纳米尺度单摩擦结体系混合而成的多摩擦结体系。大尺度单摩擦结体系宏观结构超滑实现的关键在于如何制备大尺寸单晶二维材料以及如何实现构筑异质结时无破坏转移。这是因为构建异质结时大尺寸纳米片在转移过程中极易引入缺陷、晶界以及杂质等，造成纳米片在摩擦过程中发生褶皱、卷曲等结构形变，进而导致高摩擦。因此，实现单摩擦结体系结构超滑的尺度仍然维持在微米量级，但这与实际应用尺度相比实在太小。
4.在这种情况下，探索多摩擦结体系宏观超滑途径，即实现商业规模生产的范德华异质纳米粉体宏观超滑将至关重要。然而，范德华异质纳米粉体摩擦前难以形成有序结，同时形成有序摩擦结后大量有限尺寸结之间非常复杂的接触重构，对实现范德华异质纳米粉体的宏观结构超滑提出了重大挑战。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提供一种简单有效的超滑范德华异质结的制备方法。
6.为解决上述问题，本发明所述的一种超滑范德华异质结的制备方法，包括以下步骤：
⑴
采用机械剥离法制备二维硫族化合物纳米粉体，并控制该粉体在50nm~2μm之间，片层数少于30，片层表面无明显褶皱且光滑；
⑵
通过湿度化学法制备边缘氧钝化石墨烯，使石墨烯尺寸控制在50nm~2μm之间，氧含量控制在5~25 at.%且氧分布在石墨烯纳米片边缘，片层数少于30，片层表面无明显褶皱且光滑；
⑶
在行星式球磨机中，将所述边缘氧钝化石墨烯与所述二维硫族化合物的混合物与滚动体按照重量比1：20~100混合，并保持混合物与滚动体的总体积小于球磨罐容积10%；
⑷
在行星式球磨机中，预充入惰性气体，控制球磨罐气压在1~2个大气压，转速控制150rpm以下，球磨时间为1~5h，即得超滑范德华异质结。
7.所述步骤
⑴
中二维硫族化合物纳米粉体是指二硫化钼或二硒化钼的二维硫属化
合物。
8.所述步骤
⑶
中滚动体是指表面粗糙度≤10μm的钢球、氧化铝球、氧化锆球、氮化硅球、碳化硅球中的一种。
9.所述步骤
⑷
中惰性气体是指包括但不限于氮气或氩气。
10.本发明与现有技术相比具有以下优点：1、本发明通过掺入边缘氧钝化石墨烯削弱纳米粉体边缘钉扎效应，以实现二维纳米粉体到异质结的转化，从而可以制备大量的纳米尺度同质结和异质结共存的材料。
11.2、采用本发明所制备的超滑范德华异质结可以实现载荷、速度等可调，以及宽温域（-200~300
°
c）和宏观尺度结构超滑（如图3所示）。
12.3、本发明方法简单、绿色、高效，可在关键运动部件之间直接添加应用或应用添加于润滑油等液体介质内，实现高端装备的减摩抗磨。
附图说明
13.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
14.图1为本发明实施例1边缘氧钝化石墨烯（a）与二硫化钼（b）的高分辨透射电镜图。
15.图2为本发明实施例2边缘氧钝化石墨烯（a）与二硒化钼（b）的高分辨透射电镜图。
16.图3为本发明所制备的超滑范德华异质结在宽温域（-200~300
°
c）和宏观尺度结构的摩擦系数图。
具体实施方式
17.一种超滑范德华异质结的制备方法，包括以下步骤：
⑴
采用机械剥离法制备二维硫族化合物纳米粉体，并控制该粉体在50nm~2μm之间，片层数少于30，片层表面无明显褶皱且光滑。
18.其中：二维硫族化合物纳米粉体是指二硫化钼或二硒化钼的二维硫属化合物。
19.⑵
通过湿度化学法制备边缘氧钝化石墨烯，使石墨烯尺寸控制在50nm~2μm之间，氧含量控制在5~25at.%且氧分布在石墨烯纳米片边缘，片层数少于30，片层表面无明显褶皱且光滑。
20.⑶
在行星式球磨机中，将边缘氧钝化石墨烯与二维硫族化合物的混合物与滚动体按照重量比（g/g）1：20~100混合，并保持混合物与滚动体的总体积小于球磨罐容积10%。
21.其中：滚动体是指表面粗糙度≤10μm的钢球、氧化铝球、氧化锆球、氮化硅球、碳化硅球中的一种。
22.⑷
在行星式球磨机中，预充入惰性气体，惰性气体是指包括但不限于氮气或氩气。控制球磨罐气压在1~2个大气压，转速控制150rpm以下，球磨时间为1~5h，即得超滑范德华异质结。
23.实施例1一种超滑范德华异质结的制备方法，包括以下步骤：
⑴
采用机械剥离法制备二硫化钼纳米粉体，并控制该粉体在2μm，片层数少于30，片层表面无明显褶皱且光滑。
24.⑵
通过湿度化学法制备边缘氧钝化石墨烯，使石墨烯尺寸控制在50nm，氧含量控制在15at.%且氧分布在石墨烯纳米片边缘，片层数少于30，片层表面无明显褶皱且光滑。
25.⑶
在行星式球磨机中，将边缘氧钝化石墨烯100g与二硫化钼2000g的混合物与滚动体混合，并保持混合物与滚动体的总体积小于球磨罐容积10%。
26.⑷
在行星式球磨机中，预充入惰性气体，控制球磨罐气压在1个大气压，转速控制150rpm以下，球磨时间为5h，即得超滑范德华异质结，如图1所示。由图1可以发现，石墨烯层间距为0.34nm，二硫化钼层间距为0.64nm，符合二硫化钼和石墨烯的典型层间距；同时二者分层堆叠，证实了范德华异质结存在。
27.实施例2一种超滑范德华异质结的制备方法，包括以下步骤：
⑴
采用机械剥离法制备二硒化钼纳米粉体，并控制该粉体在50nm，片层数少于30，片层表面无明显褶皱且光滑。
28.⑵
通过湿度化学法制备边缘氧钝化石墨烯，使石墨烯尺寸控制在2μm，氧含量控制在15at.%且氧分布在石墨烯纳米片边缘，片层数少于30，片层表面无明显褶皱且光滑。具体方法同实施例1。
29.⑶
在行星式球磨机中，将边缘氧钝化石墨烯100g与二硒化钼2000g的混合物与滚动体混合，并保持混合物与滚动体的总体积小于球磨罐容积10%。
30.⑷
在行星式球磨机中，预充入惰性气体，控制球磨罐气压在1个大气压，转速控制150rpm以下，球磨时间为5h，即得超滑范德华异质结，如图2所示。由图2可以发现，石墨烯层间距为0.34nm，二硒化钼层间距为0.67nm，符合二硫化钼和石墨烯的典型层间距；同时二者分层堆叠，证实了范德华异质结存在。

技术特征：
1.一种超滑范德华异质结的制备方法，包括以下步骤：
⑴
采用机械剥离法制备二维硫族化合物纳米粉体，并控制该粉体在50nm~2μm之间，片层数少于30，片层表面无明显褶皱且光滑；
⑵
通过湿度化学法制备边缘氧钝化石墨烯，使石墨烯尺寸控制在50nm~2μm之间，氧含量控制在5~25 at.%且氧分布在石墨烯纳米片边缘，片层数少于30，片层表面无明显褶皱且光滑；
⑶
在行星式球磨机中，将所述边缘氧钝化石墨烯与所述二维硫族化合物的混合物与滚动体按照重量比1：20~100混合，并保持混合物与滚动体的总体积小于球磨罐容积10%；
⑷
在行星式球磨机中，预充入惰性气体，控制球磨罐气压在1~2个大气压，转速控制150rpm以下，球磨时间为1~5h，即得超滑范德华异质结。2.如权利要求1所述的一种超滑范德华异质结的制备方法，其特征在于：所述步骤
⑴
中二维硫族化合物纳米粉体是指二硫化钼或二硒化钼的二维硫属化合物。3.如权利要求1所述的一种超滑范德华异质结的制备方法，其特征在于：所述步骤
⑶
中滚动体是指表面粗糙度≤10μm的钢球、氧化铝球、氧化锆球、氮化硅球、碳化硅球中的一种。4.如权利要求1所述的一种超滑范德华异质结的制备方法，其特征在于：所述步骤
⑷
中惰性气体是指包括但不限于氮气或氩气。

技术总结
本发明涉及一种超滑范德华异质结的制备方法，该方法包括以下步骤：


技术研发人员：王永富 杨兴 张俊彦
受保护的技术使用者：中国科学院兰州化学物理研究所
技术研发日：2023.07.04
技术公布日：2023/9/20