專利名稱：納米石墨烯層和顆粒以及引入它們的潤滑劑的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開一般涉及納米石墨烯層(nanographene layer)、納米石墨烯顆粒 (nanographene particle)以及包括納米石墨烯層或顆粒的潤滑劑。
背景技術(shù)：
在車用發(fā)動(dòng)機(jī)的制造過程中以及在車用發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力系和傳輸系統(tǒng)中部件的滑 移和移動(dòng)通過注意摩擦性能而得到改善。通常，在機(jī)器加工過程中通過用金屬加工潤滑劑 (它減少摩擦和用作冷卻劑)來完全地溢流加工過的區(qū)域的表面來實(shí)現(xiàn)摩擦減少。近年來， 切削性潤滑(MQL JPmachine quality lubrication)已經(jīng)用作該溢流工藝的替代方式。MQL 潤滑劑通常包括最低量的油基潤滑劑的霧，而不是普通機(jī)械加工潤滑劑所使用的較大量。

發(fā)明內(nèi)容
在這里公開了制造至少一個(gè)納米石墨烯層的方法。該方法包括選擇X烴前體和Y 氫氣(H2)使得X/Y比率是0.5-1，該烴前體包括CH4、C2H2或C3H8中的至少一種。該方法進(jìn) 一步包括讓烴前體經(jīng)歷采用所述氫氣和氬氣(Ar)的化學(xué)氣相沉積。結(jié)果，i)該烴前體與 氫氣和氬氣(Ar)根據(jù)下列反應(yīng)進(jìn)行反應(yīng)X 烴前體 +Y H2+Z Ar — 2X 石墨烯 + (Y+2X) H2+Z Ar,其中Z是在5X (X+Y)至IOX (X+Y)范圍，和ii)該烴前體分解和自組裝，以形成 所述至少一個(gè)納米石墨烯層。本發(fā)明進(jìn)一步體現(xiàn)在如下方面1.制造至少一個(gè)納米石墨烯層的方法，該方法包括選擇X烴前體和Y氫氣(H2)，以使X/Y比率是0. 5-1，該烴前體包括CH4、C2H2或C3H8 中的至少一種；和讓所述烴前體經(jīng)歷采用所述氫氣和氬氣(Ar)的化學(xué)氣相沉積，據(jù)此，i)該烴前體 與所述氫氣和氬氣(Ar)根據(jù)下列反應(yīng)進(jìn)行反應(yīng)X 烴前體 +Y H2+Z Ar — 2X 石墨烯 + (Y+2X) H2+Z Ar,其中，Z是5X (X+Y)至10X(X+Y)JPii)該烴前體分解和自組裝，以形成所述至 少一個(gè)納米石墨烯層。2.方面1的方法，其中所述至少一個(gè)納米石墨烯層沉積在位于用于進(jìn)行所述化學(xué) 氣相沉積的化學(xué)氣相沉積室內(nèi)的基材的表面上。3.方面2的方法，其中所述基材穩(wěn)定到至少900°C。4.方面1的方法，進(jìn)一步包括通過以下方式減少表面的摩擦和磨損中的至少一種 和改進(jìn)該表面的熱導(dǎo)率將預(yù)定量的所述至少一個(gè)納米石墨烯層沉積在潤滑劑中，該預(yù)定量是約0. 05wt% 到約5wt% ；和在該表面附近使用該潤滑劑。
5.方面1的方法，其中該化學(xué)氣相沉積是等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積，熱燈絲化 學(xué)氣相沉積，或它們的組合。6.方面1的方法，其中所述至少一個(gè)納米石墨烯層具有在0. 9-1. 2TPa范圍的楊氏 模量，90-150GPa的斷裂強(qiáng)度，以及4. 84X IO3至5. 30 X lOH—1的熱導(dǎo)率。7.方面1的方法，進(jìn)一步包括由所述至少一個(gè)納米石墨烯層形成至少一個(gè)納米石墨烯顆粒；和將多個(gè)所述至少一個(gè)納米石墨烯顆粒分散到潤滑劑中。8.方面7的方法，其中由所述至少一個(gè)納米石墨烯層形成所述至少一個(gè)納米石 墨烯顆粒包括通過調(diào)節(jié)所述氬氣與所述氫氣的流量比使所述至少一個(gè)納米石墨烯層自彎 曲，因此引起所述至少一個(gè)納米石墨烯層自身彎曲來連接在其表面上的熱力學(xué)不穩(wěn)定的懸 空鍵而形成C-C鍵，和形成所述至少一個(gè)納米石墨烯顆粒。9.方面8的方法，其中調(diào)節(jié)氬氣與氫氣的流量比包括增加所述氬氣的流量和減少 所述氫氣的流量。10.方面7的方法，其中將所述納米石墨烯顆粒分散到所述潤滑劑中是在沒有分 散劑或附加溶劑的情況下進(jìn)行的。11.由方面1的方法制造的納米石墨烯層，其中所述納米石墨烯層具有在 0. 9-1. 2TPa范圍的楊氏模量、90-150GPa的斷裂強(qiáng)度以及4. 84X IO3至5. 30 X IO3WnT1Ir1的 熱導(dǎo)率。12.制造用于工業(yè)應(yīng)用中的潤滑劑的方法，該方法包括選擇X烴前體和Y氫氣(H2)，以使X/Y比率是0. 5-1，該烴前體包括CH4、C2H2或C3H8 中的至少一種；讓所述烴前體經(jīng)歷采用所述氫氣和氬氣(Ar)的化學(xué)氣相沉積，據(jù)此，i)該烴前體 與所述氫氣和氬氣(Ar)根據(jù)下列反應(yīng)進(jìn)行反應(yīng)X 烴前體 +Y H2+Z Ar — 2X 石墨烯 + (Y+2X) H2+Z Ar,其中Z是在5X (X+Y)至IOX (X+Y)范圍，和ii)該烴前體分解和自組裝，以形成 所述至少一個(gè)納米石墨烯層；和將所述至少一個(gè)納米石墨烯層分散在潤滑劑中。13.方面12的方法，其中該至少一個(gè)納米石墨烯層是以約0. 05wt%到約5襯％范 圍的量存在于所述潤滑劑中。14.方面12的方法，其中該至少一個(gè)納米石墨烯層是以約0. 5wt%到約1襯％范圍 的量存在于所述潤滑劑中。15.方面12的方法，其中該化學(xué)氣相沉積是等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積，熱燈絲 化學(xué)氣相沉積，或它們的組合。16.方面12的方法，其中該潤滑劑是選自植物脂肪醇、植物酯和它們的組合中的 MQL潤滑劑。17.方面12的方法，其中在將所述至少一個(gè)納米石墨烯層分散到所述潤滑劑中之 前，該方法進(jìn)一步包括通過調(diào)節(jié)所述氬氣與所述氫氣的流量比以使所述至少一個(gè)納米石墨烯層彎曲以 形成至少一個(gè)納米石墨烯顆粒，因此引起所述至少一個(gè)納米石墨烯層自身彎曲來連接在其表面上的熱力學(xué)不穩(wěn)定的懸空鍵而形成C-C鍵，和形成所述至少一個(gè)納米石墨烯顆粒；和其中將所述至少一個(gè)納米石墨烯層分散到所述潤滑劑中包括將所述至少一個(gè)納 米石墨烯顆粒分散在所述潤滑劑中。18.方面17的方法，其中調(diào)節(jié)氬氣與氫氣的流量比包括增加所述氬氣的流量和減 少所述氫氣的流量。19.由方面12的方法制造的工業(yè)潤滑劑。20.制造納米石墨烯顆粒的方法，該方法包括選擇X烴前體和Y氫氣(H2)，以使X/Y比率是0. 5-1，該烴前體包括CH4、C2H2或C3H8 中的至少一種；讓所述烴前體經(jīng)歷采用所述氫氣和氬氣(Ar)的化學(xué)氣相沉積，據(jù)此，i)該烴前體 與所述氫氣和氬氣(Ar)根據(jù)下列反應(yīng)進(jìn)行反應(yīng)X 烴前體 +Y H2+Z Ar — 2X 石墨烯 + (Y+2X) H2+Z Ar,其中Z是在5X (X+Y)至IOX (X+Y)的范圍，和ii)該烴前體分解和自組裝，以形 成所述至少一個(gè)納米石墨烯層；和通過彎曲所述至少一個(gè)納米石墨烯層來由所述至少一個(gè)納米石墨烯層獲得納米 石墨烯顆粒。21、方面20的方法，其中每一所述納米石墨烯顆粒具有高達(dá)δβΟ Μπ^ΙΓ1的熱導(dǎo)率 和高達(dá)2，675m2/g的比表面積。


本公開的特征和優(yōu)點(diǎn)在閱讀下面的詳細(xì)說明和附圖之后變得清楚，其中相同的附 圖標(biāo)記對應(yīng)于類似的但可能不相同的部件。為了簡潔起見，具有前面所述功能的附圖標(biāo)記 或特征可以或可以不與有它們出現(xiàn)的其它附圖相關(guān)聯(lián)來描述。圖1是納米石墨烯層的化學(xué)結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2A和2B是顯示由這里公開的方法形成的納米石墨烯的層的透射電子顯微鏡照 片；圖3A和3B是顯示由這里公開的方法形成的納米石墨烯的層的掃描電子顯微照 片；圖4是對于包括這里公開的納米石墨烯顆粒的潤滑劑和不包括這里公開的納米 石墨烯顆粒的潤滑劑，描繪了摩擦系數(shù)(y軸)相對于轉(zhuǎn)速(χ軸)之間的關(guān)系的曲線圖。圖5是對于包括各種量的這里所公開的納米石墨烯顆粒的潤滑劑，描繪了平均摩 擦系數(shù)(y軸)與時(shí)間(小時(shí))(χ軸)之間的關(guān)系的曲線圖；和圖6Α和6Β顯示了對于不具有在這里公開的納米石墨烯顆粒的潤滑劑(圖6Α) 和對于包括在這里公開的納米石墨烯顆粒的潤滑劑(圖6Β)兩者的“摩擦痕跡(friction track) ” 曲線。
具體實(shí)施例方式雖然最低量潤滑(Minimum Quantity Lubrication,MQL)技術(shù)能夠是非常成功的， 但是極端機(jī)加工條件能夠?qū)е拢绕涫?，高的熱?fù)荷，其不能由目前的MQL潤滑劑所調(diào)解。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過將納米石墨烯(由這里公開的實(shí)施方案所形成)引入到此類潤滑 劑中，當(dāng)MQL潤滑劑單獨(dú)使用時(shí)在過程中所遇到的許多負(fù)面影響被減少或消除。例如，在這 里公開的含納米石墨烯的潤滑劑有利地減少在使用標(biāo)準(zhǔn)MQL潤滑劑(S卩，沒有納米石墨烯) 的過程中典型需要的研磨力，改進(jìn)暴露到該潤滑劑的表面的表面粗糙度和耐磨性(當(dāng)與暴 露到標(biāo)準(zhǔn)MQL潤滑劑的表面相比時(shí))，以及減少或消除工件的燒傷(否則當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)MQL潤 滑劑時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致)。典型地，“石墨烯是給予緊密堆疊成苯環(huán)結(jié)構(gòu)的碳原子單層的名稱，并且廣泛地用 于描述許多碳基材料的性質(zhì)，該材料包括石墨、大富勒烯、納米管等等(例如，碳納米管通 常被認(rèn)為是卷繞成納米尺寸圓柱體的石墨烯片)”。(Novoselov. K. S.等，“Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films", Science 306,666(2004)doi:10.1126/ science. 1102896.)。石墨烯的層典型地呈現(xiàn)為具有在納米范圍內(nèi)的厚度的單層片的形式。 此類石墨烯層的典型化學(xué)結(jié)構(gòu)描繪在圖1。尤其，該圖顯示了典型納米石墨烯單層，它包括 在單層中互聯(lián)的一系列的六邊形苯環(huán)。在這里所公開的方法的實(shí)施方案中，至少一個(gè)納米石墨烯層是通過讓氣態(tài)烴前體 經(jīng)歷化學(xué)氣相沉積而形成的。非常一般地，在沉積過程中，烴前體(一種或多種)分解和自 組裝，以形成納米石墨烯層。在烴前體和其它氣體之間的反應(yīng)是根據(jù)以下化學(xué)式X 烴前體 +Y H2+Z Ar — 2X 石墨烯 + (Y+2X) H2+Z Ar。需要理解的是，烴前體與氫氣的比率的選擇將影響納米石墨烯的形成。在實(shí)施方 案中，X/Y的比率是0. 5-1，和Z是5X (X+Y)至10X (X+Y)。在這些范圍內(nèi)選擇該前體和其 它氣體的量使得該烴前體能夠分解和自組裝，以形成所述至少一個(gè)納米石墨烯層。在實(shí)施方案中，該前體在CVD室的表面上或在基材表面上反應(yīng)和/或分解，因此生 產(chǎn)所需的納米石墨烯的層(一個(gè)或多個(gè))。需要理解的是，在這里公開的實(shí)施方案中，納米 石墨烯顆?？梢詮膯螌踊蚨鄬拥乃黾{米石墨烯制造。在沉積過程中所使用的時(shí)間量是確 定能夠獲得多少納米石墨烯顆粒的一個(gè)因素。此外，含碳的前體的更高流量比以及更低的 生長溫度導(dǎo)致在單個(gè)顆粒中產(chǎn)生更多層的石墨烯基面。事實(shí)上，從這里公開的沉積過程形 成的石墨烯產(chǎn)品全部是處于某種形式的石墨烯層。一些所述石墨烯層變成曲線或彎曲(在 下面進(jìn)一步描述)，并且因此具有顆粒狀的形狀。這些納米石墨烯顆粒能夠類推到折皺紙 張，它雖然最初形狀象平層，但在折皺時(shí)形狀象球。需要理解的是，如果揮發(fā)性副產(chǎn)物與納米石墨烯層(一層或多層)一起生產(chǎn)，則當(dāng) 氣體流過反應(yīng)室時(shí)此類副產(chǎn)物可以從納米石墨烯層流走。在實(shí)施方案中，該副產(chǎn)物中的一 種可以是從分解的烴類(它的非限制性例子包括CH4、C2H2和C3H8)形成的附加氫氣。在一個(gè)實(shí)施方案中，在使用微波等離子體增強(qiáng)CVD沉積過程中生產(chǎn)該納米石墨烯 層。在CVD的這一變型中，等離子體用來增強(qiáng)前體的化學(xué)反應(yīng)的速率。這一增強(qiáng)的反應(yīng)速 率允許該沉積在更低的溫度下發(fā)生。在另一個(gè)實(shí)施方案中，此類納米石墨烯層是通過熱燈絲化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)的。 在CVD的這一變型中，熱燈絲或線用來協(xié)助源氣體的化學(xué)分解。在仍然另一個(gè)實(shí)施方案中，并且如以上所提及，所述至少一個(gè)納米石墨烯層沉積 在基材表面上。需要理解的是，可以使用任何穩(wěn)定到約900°C (即，所使用的CVD方法的最 高加工溫度)的合適基材。需要進(jìn)一步理解的是，基材用于在沉積過程中收集該納米石墨烯顆粒/層，因此可以使用任何合適的基材。此類基材的非限制性例子包括氧化硅晶片，不 銹鋼基材，和鎳基材。在實(shí)施方案中，所得納米石墨烯層(一個(gè)或多個(gè))可通過該納米石墨烯層的自身 卷曲而形成為顆粒。這可通過增加氬氣流率和減少該氫氣流率來實(shí)現(xiàn)。一般，石墨烯基面 的邊緣具有熱力學(xué)不穩(wěn)定的許多懸空鍵。Ai^P H2流率的調(diào)節(jié)引起該基面本身彎曲，這樣該 懸空鍵能夠彼此相連形成C-C鍵。納米石墨烯層(一個(gè)或多個(gè))的該彎曲導(dǎo)致顆粒(一個(gè) 或多個(gè))的形成。經(jīng)由化學(xué)氣相沉積法所形成的納米石墨烯層(一個(gè)或多個(gè))和顆粒可以被分散到 潤滑劑中，以便用于各種的工業(yè)應(yīng)用中。需要理解的是，所述層本身或從所述層獲得的顆粒 可以被引入到所需的潤滑劑中。相信的是，在被添加到潤滑劑中之后，層或顆粒的形態(tài)不發(fā) 生改變。分散在潤滑劑中的納米石墨烯的量是約0.05wt%到約5wt%。在另一個(gè)實(shí)施方案 中，該納米石墨烯是以約0. 5wt%到約的量存在。當(dāng)量被提及為是大約某具體
時(shí)，該約一般包括士0. 。此類潤滑劑的非限制性例子包括MQL潤滑劑，冷卻劑，傳動(dòng)系 統(tǒng)潤滑劑，動(dòng)力系潤滑劑，等等。在一個(gè)實(shí)例中，潤滑劑是植物脂肪醇，植物脂肪酸或它們的 組合。在另一個(gè)實(shí)例中，該潤滑劑是Acculube -LB-2000。在又一個(gè)實(shí)例中，該潤滑劑是 Shell OilLubricant SAE 5W-30SG 等級。石墨烯的這些性質(zhì)允許所述層(一個(gè)或多個(gè))和/或顆粒在不使用附加分散劑或 溶劑的情況下被包括和適宜地分散在此類潤滑劑中。從理論上而言，納米石墨烯在沒有附 加分散劑或溶劑的情況下分散于潤滑劑中，是因?yàn)樵诩{米石墨烯顆?；蚣{米石墨烯層上的 JI鍵與潤滑劑中的脂肪醇和脂肪酸中的官能團(tuán)之間的相互作用使得分散容易發(fā)生。經(jīng)由這里公開的方法所形成的納米石墨烯層/顆粒具有在0. 9-1. 2TPa范圍的楊 氏模量，90-150GPa的斷裂強(qiáng)度，以及4. 84X IO3至5. 30 X IO3WnT1K-1的熱導(dǎo)率。在另一個(gè)實(shí) 施方案中，該納米石墨烯層/顆?？删哂兄炼郤-OXlO3Wnr1K-1的熱導(dǎo)率。從納米石墨烯層(一個(gè)或多個(gè))形成的納米石墨烯顆粒顯示出與所述層相同的性 能，包括，例如，高的熱導(dǎo)率(高達(dá) 5，SOOWnr1K-1)和以上所述的優(yōu)異機(jī)械性能。在一個(gè)實(shí) 例中，各個(gè)顆粒具有對于至多約3，000m2/g(例如，2，675m2/g)的比表面積高達(dá)δβΟ Μπ^Γ1 的熱導(dǎo)率。相信的是，所使用的化學(xué)氣相沉積方法有助于這些增強(qiáng)的性能在納米石墨烯顆粒 /層中的存在。由納米石墨烯層(一個(gè)或多個(gè))和顆粒顯示出的以上討論的性能能夠增強(qiáng) 使用它們的工業(yè)應(yīng)用。通過將納米石墨烯層(一個(gè)或多個(gè))(或從其形成的顆粒)包括在潤 滑劑中，納米石墨烯的合意性能也通過潤滑劑顯示出來。結(jié)果，在使用包括納米石墨烯的潤 滑劑的應(yīng)用中可改進(jìn)摩擦性能和/或工具耐久性。事實(shí)上，如下面的實(shí)施例中所述，當(dāng)與常 規(guī)的金屬加工潤滑劑(不包括此類納米石墨烯)相比時(shí)，使用添加了納米石墨烯顆粒(利 用這里公開的方法所形成)的MQL潤滑劑，試驗(yàn)臺(tái)(benchtop)摩擦試驗(yàn)顯示顯著改進(jìn)的摩 擦特性和工具耐久性。例如，使用在其中有該納米石墨烯顆粒/層的潤滑劑可減少摩擦和 磨損中的至少一種。此外，使用在其中有該顆粒/層的潤滑劑也能夠改進(jìn)施加了該潤滑劑 的表面的熱導(dǎo)率。當(dāng)該納米石墨烯層(一個(gè)或多個(gè))和/或顆粒作為添加劑被摻混到其它冷卻劑或 傳動(dòng)系統(tǒng)潤滑劑中時(shí)，相信當(dāng)此類流體用于發(fā)動(dòng)機(jī)、變速系統(tǒng)和/或傳動(dòng)系統(tǒng)中時(shí)冷卻效率和摩擦特性都能夠得到增強(qiáng)?；谒龈偷哪Σ梁湍p性，在這里公開的納米石墨烯 顆粒也能夠被添加到常規(guī)動(dòng)力系潤滑劑中以減少在車底盤和傳動(dòng)系統(tǒng)中的摩擦和磨損。為了進(jìn)一步舉例說明本公開的實(shí)施方案，給出下面實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解的是這些實(shí) 施例是為了舉例說明的目的所提供并且不認(rèn)為限制本公開的實(shí)施方案的范圍。實(shí)施例實(shí)施例1納米石墨烯層狀顆粒(nanographene layered particle)是在微波等離子體增強(qiáng) 的CVD沉積方法中生產(chǎn)的。在該CVD方法中，C2H2是以40標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/每分鐘(sccm)施 加，H2以80sccm施加和Ar以300sccm施加。該方法的溫度是大約300°C。圖2A和2B顯 示了由上述微波等離子體增強(qiáng)的CVD沉積方法所形成的納米石墨烯的層的透射電子顯微 鏡照片。圖2A具有在7英寸的尺寸下的863，000的印刷放大倍數(shù)和圖2B具有在7英寸的 尺寸下的3，450，000的印刷放大倍數(shù)。圖3A和3B顯示由前面所述的微波等離子體增強(qiáng)CVD沉積方法形成的納米石墨烯 的層的掃描電子顯微照片。圖3A顯示了在25，000X的放大倍數(shù)下的層和圖3B顯示了在 100，000X的放大倍數(shù)下的層。實(shí)施例2從實(shí)施例1形成的納米石墨烯層所得到的顆粒然后被分散在MQL潤滑劑，即 Accu-Lube LB-2000 (ITW Rocol North America)中。一個(gè)實(shí)施例潤滑劑包括 Iwt % 的 該納米石墨烯顆粒和另一個(gè)實(shí)施例潤滑劑包括0. 2襯％的該納米石墨烯顆粒。與沒有納米 石墨烯的常規(guī)金屬加工潤滑劑相比，使用在其中分散了納米石墨烯的MQL潤滑劑時(shí)，試驗(yàn) 臺(tái)(Benchtop)摩擦試驗(yàn)顯示出顯著改進(jìn)的摩擦特性和工具耐久性。作為對比實(shí)施例，沒有 納米石墨烯(即，0襯％納米石墨烯顆粒)的MQL潤滑劑也進(jìn)行此類試驗(yàn)。使用A1319鋁合金銷在涂有納米晶體金剛石的工具材料上摩擦，進(jìn)行一組的實(shí) 驗(yàn)。當(dāng)包括含納米石墨烯(lwt%)的上述MQL潤滑劑(Accu-Lube LB-2000)時(shí)和當(dāng)包括 不含納米石墨烯的MQL潤滑劑(Accu-Lube LB-2000)時(shí)，摩擦系數(shù)作為所述銷的轉(zhuǎn)數(shù)的 函數(shù)來測量。圖4是從這些實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)的曲線圖。具體地說，圖4將摩擦系數(shù)(y軸) 相對于轉(zhuǎn)速(χ軸)來描繪曲線。正如所描繪，當(dāng)在潤滑劑中包括納米石墨烯時(shí)，摩擦系數(shù) 下降。實(shí)施例3通過鑄鐵汽缸內(nèi)徑在活塞環(huán)上摩擦來進(jìn)行另一組的實(shí)驗(yàn)。這次，使用Shell 0il Lubricant SAE 5W-30SG等級作為MQL潤滑劑來進(jìn)行試驗(yàn)。使用在其中有納米石墨烯的MQL 潤滑劑(即，Shell Oil Lubricant SAE5W-30SG等級)和在其中沒有納米石墨烯的同樣 類型的MQL潤滑劑(Shell Oil Lubricant SAE 5W-30SG等級)來進(jìn)行對比試驗(yàn)。對于有
納米石墨烯的MQL潤滑劑，有0. 2襯％石墨烯的MQL潤滑劑和有0%石墨烯的MQL潤 滑劑，平均摩擦系數(shù)是作為時(shí)間的函數(shù)來測量的。圖5是從這些實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)的曲線圖。 具體地說，圖5將平均摩擦系數(shù)(y軸)相對于時(shí)間(小時(shí)，沿χ軸所顯示)來描繪曲線。正 如所描繪，與沒有納米石墨烯的對比實(shí)施例潤滑劑相比，對于有納米石墨烯的潤滑劑，隨著 時(shí)間的推移該摩擦系數(shù)是更低的。圖6A和6B顯示了分別對于上述納米石墨烯潤滑劑潤滑的汽缸內(nèi)徑和上述1wt％納米石墨烯潤滑劑潤滑的汽缸內(nèi)徑的“摩擦痕跡”曲線，參考了圖5中的曲線。在圖 6A和6B中，已經(jīng)進(jìn)行過在圖5的曲線中描繪的摩擦試驗(yàn)的已試驗(yàn)區(qū)域是在黑色線的左側(cè) 上的“摩擦痕跡”。在圖6A和6B中，在試驗(yàn)之前的起始區(qū)域被指定為“珩磨狀態(tài)的起始表 面”。在“摩擦曲線圖”上的不同表面高度被表示為三種顏色中的一種紅色、綠色和藍(lán)色。 Wym測量的具體高度范圍是以色標(biāo)(具有紅色、綠色和藍(lán)色的片段)在圖6A和6B的各 “摩擦痕跡”曲線圖的右側(cè)上標(biāo)明的。圖6A顯示了使用沒有納米石墨烯顆粒的潤滑劑時(shí)試 驗(yàn)前和試驗(yàn)后的結(jié)果。相反，圖6B顯示了使用含有納米石墨烯顆粒的潤滑劑時(shí)試驗(yàn)前和試 驗(yàn)后的結(jié)果。在兩個(gè)圖中顯示的Ra表示摩擦痕跡表面的粗糙度。能夠看出，與圖6A“摩擦 痕跡” (Ra = 274nm)相比，對于圖6B “摩擦痕跡” (Ra = 345nm)來說Ra值(和總體表面高 度(μπι)，依據(jù)在各曲線圖的右側(cè)上的色標(biāo))是更高的。這表明用在其中有納米石墨烯顆粒 的潤滑劑摩擦該表面導(dǎo)致在摩擦試驗(yàn)過程中在表面上有更少的材料被磨損掉。不同的顏色 (紅色、綠色和藍(lán)色)表示不同水平的表面高度。 盡管已經(jīng)詳細(xì)描述了幾個(gè)實(shí)施方案，對于本領(lǐng)域中的那些技術(shù)人員來說顯而易見 的是所公開的實(shí)施方案可以加以改變。因此，以上敘述內(nèi)容被認(rèn)為是舉例說明而非限制性 的。
權(quán)利要求
1.制造至少一個(gè)納米石墨烯層的方法，該方法包括選擇χ烴前體和Y氫氣(H2)，以使X/Y比率是0. 5-1，該烴前體包括CH4、C2H2或C3H8中 的至少一種；和讓所述烴前體經(jīng)歷采用所述氫氣和氬氣(Ar)的化學(xué)氣相沉積，據(jù)此，i)該烴前體與所 述氫氣和氬氣(Ar)根據(jù)下列反應(yīng)進(jìn)行反應(yīng)X 烴前體 +Y H2+Z Ar — 2X 石墨烯 + (Y+2X) H2+Z Ar,其中，Z是5X (X+Y)至IOX (X+Y)，和ii)該烴前體分解和自組裝，以形成所述至少一 個(gè)納米石墨烯層。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述至少一個(gè)納米石墨烯層沉積在位于用于進(jìn)行所述化學(xué) 氣相沉積的化學(xué)氣相沉積室內(nèi)的基材的表面上。
3.權(quán)利要求2的方法，其中所述基材穩(wěn)定到至少900°C。
4.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括通過以下方式減少表面的摩擦和磨損中的至少一種 和改進(jìn)該表面的熱導(dǎo)率將預(yù)定量的所述至少一個(gè)納米石墨烯層沉積在潤滑劑中，該預(yù)定量是約0. 05wt%到約 5wt% ；和在該表面附近使用該潤滑劑。
5.權(quán)利要求1的方法，其中該化學(xué)氣相沉積是等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積，熱燈絲化 學(xué)氣相沉積，或它們的組合。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述至少一個(gè)納米石墨烯層具有在0.9-1. 2TPa范圍的楊氏 模量，90-150GPa的斷裂強(qiáng)度，以及4. 84X IO3至5. 30 X lOH—1的熱導(dǎo)率。
7.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括由所述至少一個(gè)納米石墨烯層形成至少一個(gè)納米石墨烯顆粒；和將多個(gè)所述至少一個(gè)納米石墨烯顆粒分散到潤滑劑中。
8.權(quán)利要求7的方法，其中由所述至少一個(gè)納米石墨烯層形成所述至少一個(gè)納米石 墨烯顆粒包括通過調(diào)節(jié)所述氬氣與所述氫氣的流量比使所述至少一個(gè)納米石墨烯層自彎 曲，因此引起所述至少一個(gè)納米石墨烯層自身彎曲來連接在其表面上的熱力學(xué)不穩(wěn)定的懸 空鍵而形成C-C鍵，和形成所述至少一個(gè)納米石墨烯顆粒。
9.權(quán)利要求8的方法，其中調(diào)節(jié)氬氣與氫氣的流量比包括增加所述氬氣的流量和減少 所述氫氣的流量。
10.權(quán)利要求7的方法，其中將所述納米石墨烯顆粒分散到所述潤滑劑中是在沒有分 散劑或附加溶劑的情況下進(jìn)行的。
全文摘要
本發(fā)明涉及納米石墨烯層和顆粒以及引入它們的潤滑劑，具體涉及制造至少一個(gè)納米石墨烯層的方法。該方法包括選擇X烴前體和Y氫氣(H2)，以使X/Y比率是在0.5到1范圍，該烴前體包括CH4、C2H2或C3H8中的至少一種。該方法進(jìn)一步包括讓烴前體經(jīng)歷采用所述氫氣和氬氣(Ar)的化學(xué)氣相沉積。結(jié)果，i)該烴前體與氫氣和氬氣(Ar)根據(jù)下列反應(yīng)進(jìn)行反應(yīng)X烴前體+Y H2+Z Ar→2X石墨烯+(Y+2X)H2+Z Ar，其中Z是5×(X+Y)至10×(X+Y)，和ii)該烴前體分解和自組裝以形成所述至少一個(gè)納米石墨烯層。
文檔編號(hào)C10M125/02GK101993062SQ20101025809
公開日2011年3月30日 申請日期2010年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月18日
發(fā)明者A·K·薩奇德夫, J·M·達(dá)施, S·C-Y·唐, X·肖 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司