石墨烯、石墨烯衍生物及磨料纳米颗粒的简易合成以及它们的各种用途包括作为在摩擦...的制作方法

石墨烯、石墨烯衍生物及磨料纳米颗粒的简易合成以及它们的各种用途包括作为在摩擦...的制作方法【专利摘要】本发明揭露石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、其他石墨烯衍生物结构以及用作抛光剂的纳米颗粒的多种非原位合成方法。本发明亦揭露用于抛光、硬化、保护装置及系统(包括但不限于发动机、增压涡轮、涡轮、磁轨、滚道、轮、轴承、齿轮系统、装甲、隔热板及其他通过使用机械加工的相互作用硬表面的物理和机械系统)中的运动部件及固定部件以及延长它们的寿命的润滑剂组合物，以及通过使用由润滑剂组合物原位形成的纳米抛光剂及(在某些情况下)由润滑剂组合物非原位形成的纳米抛光剂来抛光、硬化、保护装置及系统(包括但不限于发动机、增压涡轮、涡轮、磁轨、滚道、轮、轴承、齿轮系统、装甲、隔热板及其他通过使用机械加工的相互作用硬表面的物理和机械系统)中的运动部件及固定部件以及延长它们的寿命的方法，以及这些纳米抛光剂的各种用途。【专利说明】石墨烯、石墨烯衍生物及磨料纳米颗粒的简易合成以及它们的各种用途包括作为在摩擦学上有益的润滑剂添加剂使用[0001]相关申请参考[0002]本申请要求下列美国临时专利申请的优先权:在2012年2月9日提交的标题为“来自牺牲环状碳成分的故意原位热解、在摩擦学上有益的碳质材料及纳米磨料润滑剂分子，，(TribologicallyBeneficialCarbonaceousMaterialsandNano-AbrasiveLubricantMoleculesfromIntentionalIn-SituPyrolysisofSacrificialCyclicCarbonConstituents)的第61/596，936号美国临时专利申请；在2011年12月23日提交的标题为“通过碳质材料的脱水或热解、蒸汽剥离或多环芳烃形成及随后的疏水自组来合成石墨烯及石墨烯衍生物”(GrapheneandGrapheneDerivativesSynthesisbyDehydrationorPyrolysisofCarbonaceousMaterials,VaporExfoliationorPAHFormation,andSubsequentHydrophobicSelf-assembly)的第61/579，993号美国临时专利申请；在2011年12月9日提交的标题为“石墨烯、石墨烯衍生物、碳包裹金属纳米颗粒及纳米钢的合成，以及螯合碳质废料及温室气体在这些合成方法中的用途，，(SynthesisofGraphene,GrapheneDerivatives,Carbon-EncapsulatedMetallicNanoparticles,andNano-Steel,andtheUseofSequesteredCarbonaceousWastesandGreenhouseGasesinSuchSynthesisMethods)的第61/568，957号美国临时专利申请；在2011年10月12日提交的标题为“氧化石墨烯及石墨烯的燃烧合成”(CombustionSynthesisofGrapheneOxideandGraphene)的第61/546，368号美国临时专利申请；在2011年9月30日提交的标题为“润滑添加剂、抛光组合物、纳米颗粒与摩擦涂层及它们的用途，以及纳米颗粒、石墨烯及氧化石墨烯的合成方法”(LubricatingAdditives,PolishingCompositions,Nanoparticles,andTribologicalCoatings,andUsesThereof,andMethodsofNanoparticle,Graphene,andGrapheneOxideSynthesis)的第61/541，637号美国临时专利申请；在2011年9月23日提交的标题为“润滑添加剂、抛光组合物、纳米颗粒与摩擦涂层及它们的用途，以及纳米颗粒、石墨烯及氧化石墨烯的合成方法”(LubricatingAdditives,PolishingCompositions,Nanoparticles,andTribologicalCoatings,andUsesThereof,andMethodsofNanoparticle,Graphene,andGrapheneOxideSynthesis)的第61/538,528号美国临时专利申请；在2011年6月30日提交的标题为“润滑添加剂、抛光组合物与纳米颗粒以及它们的方法及用途，以及纳米颗粒的合成方法”(LubricatingAdditives,PolishingCompositions,andNanoparticles,andMethodsandUsesThereof,andMethodsofNanoparticleSynthesis)的第61/503，203号美国临时专利申请；在2011年5月31日提交的标题为“润滑剂组合物、润滑剂添加剂、润滑方法以及抛光表面方法，，(LubricatingCompositions,LubricantAdditives,MethodsofLubrication,andMethodsofPolishingSurfaces)的第61/491，633号美国临时专利申请；以及在2011年3月15日提交的标题为“润滑剂组合物、润滑剂添加剂及润滑方法，，(LubricatingCompositions,LubricantAdditives,andMethodsofLubrication)的第61/452，781号美国临时专利申请；其中本申请据此通过引用将以上各临时专利申请之内容全部并入此中。[0003]发明背景【
技术领域：
】[0004]本发明涉及石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯及其他石墨烯衍生物结构的可扩展为工业级的非原位合成方法，以及纳米颗粒及它们在这些非原位合成中的用途，包括但不限于复合材料、复合材料制备及涂层、摩擦学、纳米技术、表面修整、机械加工及加工工具、膛孔、钻孔、隧道挖掘、弹道学、反弹道技术、隔热、热吸收、润滑剂添加剂、润滑剂组合物、涂层、润滑方法、硬表面抛光方法、以及切割、钻削、硬化、保护及制作钢及其他硬表面的方法等领域。本发明进一步涉及磨料纳米颗粒在用于抛光、硬化、保护设备及系统(包括但不限于发动机、增压涡轮、涡轮、磁轨、滚道、轮、轴承、齿轮系统及其他通过使用机械加工的相互作用硬表面的物理和机械系统)中的运动部件及固定部件以及延长它们的寿命的润滑剂组合物中的用途，其中所述磨料纳米颗粒由所述润滑剂组合物原位形成，或(在某些情况下)由润滑剂组合物非原位形成然后在润滑剂使用前被添加到润滑剂。[0005]相关技术描述[0006]石墨烯及石墨烯衍生物的合成[0007]由于其观测物理性质及理论上之物理性质(包括其大比表面积、高本征迁移率、高杨氏模量(~1.0TPa)、高热导率(~5000Wm-lK-l)、高光透射率(~97.7%)、低气体渗透率及高电子传输能力)，单层石墨烯近几年来一直是相当多的调查、研究及讨论的课题，其实例可参看Geim等人于《自然材料》期刊第6卷第183-191页发表的“石墨烯的出现”(Geim,etal.,“TheRiseofGraphene”，NaturalMaterials,Vol.6，pp.183-191)及Zhu等人于《高级材料》期刊2010年第22卷第3906-3924页发表的“石墨烯及氧化石墨烯:合成、性质及应用，，(Zhuetal.,“GrapheneandGrapheneOxide:Synthesis,Properties,andApplications”,AdvancedMaterials,Vol.22,pp.3906-3924，2010)。基于石墨烯的这些性质，石墨烯已经被考虑用于多种用途，比如光催化、能量储存、太阳能电池、透明电极、半导体、高强度/低重量复合材料、防护涂料以及电场发射。然而，大规模而经济的生产方法还是难以捉摸。[0008]纯石墨烯是一蜂巢晶格的Sp2杂化态碳环中的一平面多环单原子层的纯碳。石墨烯在理论上是一单一纯层的石墨，虽然在传统上“石墨烯”一词也用于带有几个堆叠原子层的石墨的材料，或用于一存在轻微缺陷但还是具有与纯石墨烯相似的材料性质的石墨层的材料。石墨烯相对较为疏水，而且在传统上是通过剥离石墨形成(石墨的剥离可以通过使用超临界二氧化碳或通过微机械剥离来完成)，或通过碳化硅或某些金属基体上的取向附生生长形成。也可以通过将乙醇液滴通过一常压微波等离子体反应器中的氩等离子来形成石墨烯-详见由Dato等人于《纳米快报》期刊2008年第8卷第2012-2016页发表的“石墨烯薄片的无基体气相合成”(Datoetal.,“Substrate-freeGas-phaseSynthesisofGrapheneSheets”，NanoLetters,Vol.8,pp.2012-2016,2008)?[0009]也有报道称以气溶胶热解方法进行石墨烯纳米管合成-详见由Pinault等人于《金刚石及相关材料》期刊2004年第13卷第1266-1269页发表的“由气溶胶热解产生的碳纳米管:生长机理及退火后作用”(Pinaultetal.,“Carbonnanotubesproducedbyaerosolpyrolysis:growthmechanismsandpost-annealingeffects，，，DiamondandRelatedMaterials,Vol.13，pp.1266-1269，2004)。甲苯或环己胺中的一2.5-5wt%的二茂铁溶液与氩进行气溶，并在800-850°C的温度下热解。对碳纳米管形成的早期阶段进行观察。一层被相信是包括铁的纳米颗粒首先在一固体基体上形成。一有序地毯的纳米管从这个纳米颗粒层生长，而从每个所述纳米颗粒生长出一个纳米管。所述试样的高温退火导致铁从所述纳米管内消除，并导致所述纳米管的改进排序。[0010]几个新近的出版物报道称在燃烧条件下形成石墨烯键。在一个实例中，所有四种形式的碳(即金刚石、石墨、富勒烯及无定形)的极少量的纳米颗粒在一石蜡蜡烛火焰中被发现-详见由Su等人于《化学通讯》期刊2011年第47卷第4700-4702页发表的“蜡烛火焰中的炭黑纳米颗粒透析”(Suetal.,“Newinsightintothesootnanoparticlesinacandleflame”，ChemicalCommunications,Vol.47，pp.4700-4702，2011)。在另一先前的实例中，在对来自一甲烷火焰的炭黑进行酸处理时，小量的纳米颗粒石墨碳被发现-详见由Tian等人于《化学与材料》期刊2009年第21卷第2803-2809页发表的“来自天然气炭黑的纳米碳颗粒”(Tianetal.,“NanosizedCarbonParticlesfromNaturalGasSoot”,Chem.Mater.，Vol.21，pp.2803-2809，2009)。在另一先前的实例中，从一乙醇火焰发现高度石墨化空心纳米管-详见由Pan等人于《微米》期刊2004年第35卷第461-468页发表的“来自乙醇火焰的碳纳米管及纳米纤维的合成及生长机理”(Panetal.，“Synthesisandgrowthmechanismofcarbonnanotubesandnanofibersfromethanolflames，，，Micron,Vol.35，pp.461-468，2004)。同样地，曾经在激光烧蚀铁或镍纳米颗粒催化剂存在的条件下，使用以一乙炔火焰燃烧的C0/H2/He/C2H2(一氧化碳/氢/氦/乙炔)气体混合物合成碳纳米管-详见由VanderWal等人于《美国化学学会燃料化学部》期刊2004年第49卷第879-880页发表的“使用以激光烧蚀制备的催化剂颗粒来进行碳纳米管的火焰合成，，(VanderWaletal.,“FlameSynthesisofCarbonNanotubesusingCatalystParticlesPreparedbyLaserAblation，，，AmericanChemicalSociety,DivisionofFuelChemistry,Vol.49,pp.879-880，2004)。[0011]多环芳烃(PAHs)构成不完全燃烧、热解或烃的其他低氧热降解的残余颗粒物中含有的大气“炭黑”的部分。由于这些多环芳烃(PAHs)通常被视为不完全燃烧的不合要求的副产物，许多研究已经集中于怎样最小化或完全消除燃烧过程中“炭黑”的形成，例如见Coppalle等人于《燃烧科学与技术》期刊1993年第93卷第375-386页发表的“关于炭黑在乙烯射流火焰中的形成的实验及理论研究”(Coppalleetal.,“ExperimentalandTheoreticalStudiesonSootFormationinanEthyleneJetFlame，，，CombustionScienceandTechnology,Vol.93,pp.375-386，1993)。[0012]多环芳烃(PAHs)具有充分的稠合芳碳环的平面结构，其氢原子键合到基架的周围碳原子。多环芳烃(PAHs)可以被看作是石墨烯的微型纳米尺度结构。[0013]石墨烯衍生物包括带有部分地组合杂环原子(比如氧或所述碳晶格中的其他结构缺陷)的石墨键的结构。如此中所述，石墨烯衍生物也包括诸如纳米管、纳米芽、富勒烯、纳米豆荚、入嵌富勒烯、纳米洋葱、氧化石墨烯、不规则碳等结构以及其他可能包括结构或化学缺陷的非石墨烯形式的石墨碳。[0014]氧化石墨烯(GO)是一不纯的氧化形式的石墨烯家族，其包括键合到所述晶格基架中的不同碳原子的羟基及环氧基。氧化石墨烯的结构特性已经被广泛研究-详见由Mkhoyal等人于《纳米快报》期刊2009年第9卷第1058-1063页发表的“氧化石墨烯的原子及电子结构”(Mkhoyaletal.,“AtomicandElectronicStructureofGrapheneOxide”，NanoLetters,Vol.9,pp.1058-1063，2009),但氧化石墨烯的准确的化学结构还是争议的课题，而且具有相当大的不定性，至少在所研究的不同试样中观测到的羟基及环氧基频率及位置方面而言是这样的。[0015]氧化石墨烯(GO)也已知包括被相信是位于碳薄片的边缘的羧酸基。这些不同的基允许氧化石墨烯进一步的化学功能化。最近有报道称，一石墨烯衍生物中羧基到羟基的转化产生一称为“石墨醇”(graphenol)的物质。已经有关于通过热解将这种“石墨醇”(graphenol)转化为石墨烯，然而这些方法包括使用有毒化学品(比如肼)_详见由Beall于2011年8月18日发表的标题为“生产石墨烯及石墨醇的方法及系统”(MethodandSystemforProducingGrapheneandGraphenol)的第2011/0201739号美国专利申请出版物(U.S.PatentApplicationPublicationN0.2011/0201739)。[0016]与石墨烯没有不同，氧化石墨烯(GO)在传统上是由剥离的氧化石墨形成，或通过石墨烯本身的氧化形成。氧化石墨烯薄片可以有目的地在范围广泛的氧化水平条件下(测得氧对碳比率高达约1:2)形成。由于氧化石墨烯具有独特的与石墨烯不同的物理及化学特性，其结构可变性已经使它不具有进行许多实验研究的吸引力。与石墨烯相反，氧化石墨烯不但亲水，而且是一高硬度及高强度的电绝缘体-详见由Dreyer等人于《化学学会评论》期刊2010年第39卷第228-240页发表的“氧化石墨烯的化学”(Dreyeretal.，“Thechemistryofgrapheneoxide，，，ChemicalSocietyReviews,Vol.39,pp.228-240,2010)o[0017]氧化石墨烯(GO)的制备最初是通过以氯酸钾及发烟硝酸处理石墨来进行-详见由Brodie于《伦敦皇家学会论文集》期刊1859年第10卷第249页发表的“关于石墨的原子量，，(Brodie,“OntheAtomicWeightofGraphite”,ProceedingsoftheRoyalSocietyofLondon,Vol.10，p.249，1859)。一个有点更为有效的过程使用硫酸、硝酸钠及高锰酸钾来将石墨转化为氧化石墨烯-详见由Hummers等人于《美国化学学会期刊》1958年第80卷第1339页发表的“石墨氧化物的制备”(Hummersetal.,“PreparationofGraphiticOxide”，JournaloftheAmericanChemicalSociety,Vol.80,p.1339,1958)?最近报道称，一更为有效的方法使用硫酸、磷酸及高锰酸钾-详见由Marcano等人于《美国化学学会纳米》期刊2010年第4卷第4806-4814页发表的“氧化石墨烯的改进合成方法”(Marcanoetal.,“ImprovedSynthesisofGrapheneOxide”,ASCNano,Vol.4，pp.4806-4814，2010)。[0018]在水中的胶态分散的氧化石墨烯(GO)可以使用水合肼来化学还原到石墨烯。氧化石墨烯的其他化学还原剂包括氢醌、气态氢及强碱性溶液。氧化石墨烯的热剥离及还原在消除所产生的副产物二氧化碳气体的热挤压条件下加热至1050°C时发生。最后，可以通过将氧化石墨烯薄膜的相反端的电极置于一非导电基体，然后通过对所述氧化石墨烯薄膜施加电流，实现氧化石墨烯的电化学还原。[0019]虽然迄今文献中未曾有关于氧化石墨烯至石墨烯的完整还原的报道，但氧化石墨烯通过许多不同过程来还原，产生测得氧对碳比率低达约1:24的所谓“还原氧化石墨烯”(rGO)。[0020]值得注目的是，根据观察，还原氧化石墨烯(rGO)显示的许多化学、物理及电气性质与石墨烯及氧化石墨烯二者相比，与前者的这些性质更为相似。[0021]石墨烯及其多种衍生物目前是许多调查及广泛研究的课题，其部分原因是它们的许多潜在用途，包括但不限于润滑剂、用于复合体增强的分子水平涂层、隔热、弹道晶体管、集成电路以及增强纤维及电缆。[0022]在石墨烯的生产中使用螯合废碳[0023]多种形式的废碳螯合已为业界所知，包括但不限于将碳质废料转化成像“生物炭”的东西或将二氧化碳转化为合成甲醇-其实例详见由Hogan等人于美国华盛顿哥伦比亚特区“科学及环境国家委员会”的2011年《地球百科全书》中发表的“生物炭:螯合碳概念”(Hoganetal.,“Biochar:ConcepttoSequesterCarbon，，，EncyclopediaofEarth，NationalCouncilforScienceandtheEnvironment,Washnington,D.c.，2011)；由Jiang等人于《英国皇家学会哲学学报汇刊A》2010年第368卷第3343-3364页发表的“将二氧化碳转化为燃料”(Jiangetal.,“Turningcarbondioxideintofuel，，，PhilosophicalTransactionsoftheRoyalSocietyA,Vol.368，pp.3343-3364，2010)，但未曾有关于在石墨烯的合成中有益使用这样的螯合或俘获碳废料作为碳质给料或增进剂的报道。[0024]植入型医用假体装置[0025]植入型医用假体术在使用寿命及防止感染目的方面的成功的一个重要因素是摩擦表面的一致性。医疗植入金属器件的表面上的粗糙实体提供一宿留微生物的位置。以脉管系统或循环系统中的金属器件而言，所述粗糙实体也提供一危险的血小板聚集位置，而血小板聚集可能导致心脏病发作或中风。将这样的植入型医用假体器件纳米抛光到接近原子级完美光滑度将会大大提高这样的器件的安全性及功效。[0026]纳米药物、肿瘤学以及医用影像学[0027]放射或化疗药物对癌症部位的瞄准的改进及提供医用影像的造影对比度的能力是医学领域中的活跃研究范围。磁性纳米颗粒已经作为磁共振成像的`一种肿瘤造影剂使用-其实例详见由Tiefenauer等人于《磁共振成像》期刊1996年第14卷第4章第391-402页发表的“磁性纳米颗粒在磁共振成像中作为肿瘤造影剂使用的体内评估”(Tiefenaueretal.,“InvivoevaluationofmagnetitenanoparticlesforuseasatumorcontrastagentinMRI，，，MagneticResonanceImaging,Vol.14,N0.4,pp.391-402,1996)。存在相当新近的关于“功能化的”“巴基球”(buckyballS)作为将导向药物治疗输送到体内的肿瘤的手段来使用的调查及研究-其实例详见由Yoon等人于《物理学学报:凝聚态物质》期刊2007年第19卷的九页篇幅中发表的“使用纳米结构的导向药物输送”(Yoonetal.,“Targetedmedicationdeliveryusingmagneticnanostructures，，，JournalofPhysics:CondensedMatter,Vol.19,9pages,2007)。[0028]钢生产[0029]钢表面的凹陷及粗糙实体为以氧化铁(亦称铁锈)为形式的破坏性氧化提供一表面。这些凹陷及粗糙实体的减少或消除将会增长这样的钢结构的使用寿命。[0030]石墨烯及氧化石墨烯的反应环境[0031]在本发明的一些实施例中，石墨烯及氧化石墨烯结构用于多种溶剂中，扮演反应包络的角色，这创建一纳米环境，使反应发生，而这在热动力学上类似或不利地类似酶在生物系统中的工作方式。这些石墨烯反应包络(GREs)及氧化石墨烯反应包络(GOREs)允许化学反应及原子重新组合(比如重组原子为晶体)发生，而化学反应及原子重新组合通常不会在所述反应包络之外发生。所述石墨烯反应包络或氧化石墨烯反应包络扮演一“微反应或纳米反应容器”的角色，而且接着可以将所述包络的部分修剪成一纳米磨料或其他纳米颗粒，从而成为反应产物的部分。在一个实施例中，所述包络充当一纳米鼓风炉，进行从铁到钢的生产。[0032]钢可以以许多不同形式呈现，包括但不限于铁酸盐、奥氏体、珠光体、马氏体、贝氏体、莱氏体、渗碳体、3铁、六价铁及它们的任何组合，视其制造条件而定。本发明的在石墨烯反应包络或氧化石墨烯反应包络中形成的纳米钢可以是铁酸盐、奥氏体、珠光体、马氏体、贝氏体、莱氏体、渗碳体、P铁、六价铁及它们的任何组合。[0033]纳米钢、纳米机器人技术及纳米机器制造[0034]纳米结晶金属合金合成合已为业界所知-详见由Alavi等人于由克罗地亚国里耶卡市InTech公司的Matsuda编辑的2011年《纳米晶体》期刊第237-262页发表的“碱土金属碳酸盐、氢氧化物及氧化物纳米晶体合成方法、规模及形态学考虑”(Alavietal.,“Alkaline-earthMetalCarbonate,HydroxideandOxideNano-crystalsSynthesisMethods,SizeandMorphologiesConsideration，，，pp.237_262inNanocrystals,ed.byMatsuda,InTech,Rijeka,Croatia,2011)。然而，还是未有关于钢增强纳米颗粒、纳米洋葱的合成以及纯纳米钢晶体及纳米金属片的生产方法的报道。[0035]纳米机器人技术一般指关于纳米技术工程及来自大小介于0.1至10(微米)范围的纳米尺度构件的机械装置的制作的科学。这些理论器件的其他普通名称是纳米机器人(nanobots)、侏儒(nanoids)、nanites及nanomites。假定这个领域的未来发展将允许构建微型遥控手术仪器及纳米尺度电子器件。微型钢晶体或坯料的简易而不昂贵的纳米制作方法将很有可能大幅度地推进这门科学。[0036]混凝土灌注及浙青铺设技术[0037]混凝土及浙青混凝土是两种用于建筑的常见复合材料。混凝土是一种由一水泥基型材料、一细砂石、一粗砂石及水最低限度地组成的复合材料。浙青混凝土一般上是一种由浙青、一存在于某些石油及天然沉积物中的高度粘滞的粘性黑色柏油样物质以及一粗砂石最低限度地组成的复合材料。多年来，为了提高这些材料的强度，已经开发了许多种类的掺和剂及添加剂。[0038]这些混凝土“添加剂”的最普遍深入者属于两个一般种类:减水超级塑化剂(亦称为“高效减水剂”)及用于生产纤维增强混凝土(FRC)的合成增强纤维。所述超级塑化剂(包括最新一代的聚羧酸醚基超级塑化剂(PCEs)及聚丙二醇(PPG)衍生物掺和剂)起减少形成所述复合材料所需的水量的作用。超级塑化剂也改进混凝土浆体的流变能力(流动特性)，从而改进在混凝土养护之前的可加工性-详见由Palacios等人于《水泥与混凝土研究》期刊2004年第35卷第1358-1367页发表的“超级塑化剂及减缩掺和剂对碱激发矿禮:衆及沙衆的影响”(Palaciosetal.,“Effectofsuperplasticizerandshrinkage-reducingadmixturesonalkal1-activatedslagpastesandmortars，，，CementandConcreteResearch,Vol.35,pp.1358-1367,2004);由Aitcin等人于《国际混凝土》期刊1994年第16卷第45-52页发表的“超级塑化剂:它们怎样工作及为什么有时不工作”(Aitcinetal.,uSuperplasticizers:HowtheyWorkandWhytheOccasionallyDon’t，，,ConcreteInternational,Vol.16,pp.45-52，1994)。[0039]以纤维增强混凝土(FRC)而言，所述合成纤维(一般为聚丙烯纤维)的目的在于提高基体的强度及改进混凝土的可塑性。混凝土的增强纤维的用意在于连结混凝土中的微裂纹，从而允许混凝土在不致因沿着裂纹完全分开而失效的情况下保持其支撑其负荷的能力-详见由Soroushian等人于《材料期刊》1992年第89卷第535-540页发表的“以聚丙烯或聚乙烯增强的混凝土材料的机械性能”(Soroushianetal.,“MechanicalPropertiesofConcreteMaterialsReinforcedwithPolypropleneorPolyetheleneFibers”,MaterialsJournal,Vol.89,pp.535-540，1992)。[0040]实际上，没有任何一种“添加剂”显示所述混凝土或浙青混凝土产物或系统的强度有戏剧性的增加。相信石墨烯及某些石墨烯衍生物可以代替目前发展水平的方法，用作为混凝土及浙青的增强“添加剂”。[0041]军事及弹道科学[0042]根据哥伦比亚大学(ColumbiaUniversity)(美国纽约州纽约市)，石墨烯被确定为地球上强度最高的材料。哥伦比亚大学研究员将石墨烯的非常强度归因于其共价碳-碳键基架。所试验的石墨烯试样是无缺陷单层的石墨烯。所述试样的试验显示一单一薄片的石墨稀具有42Nm1的内在强度。[0043]现代反弹道科学寻求开发越来越薄的可提供免受弹道抛掷及弹片影响的材料。为此，不断地研究聚合物基复合材料(PMCs)的分子增强的新方法。目前发展水平的技术使用几个种类的高性能防弹纱及纤维，包括S级玻璃(S-glass)纤维、芳族聚酸胺纤维(例如Kevlar1'29>Kevlar'*49>Kevlar*129'Kevlar*KM2、Twaron?)、闻度取向超闻分子量聚乙烯(例如Dyneema\Spectra15—)、聚苯并恶唑(pbo)(例如Zylonlli)、以及聚苯撑吡啶并二咪唑(PIPD)(称为M5,等等。[0044]这些纤维的典型特性是低密度及高抗张强度，并具有相应的高能量吸收能力。就聚合物基复合材料(PMC)防弹嵌板的情况而言，所述纤维的力分散变形能力被所述复合材料周围的树脂严重牵制，这导致在受来自发射的影响时，在所述树脂基架破裂及分层的条件下失效。并入纺织复合材料的防弹嵌板的石墨烯及其衍生物将不会遭受典型聚合物基复合材料(PMC)树脂基架的局限性的影响。[0045]石墨烯及其衍生物结构代表一独特的反弹道学机会及材料。石墨烯及其衍生物具有高弹性模量及抗张强度，其杨氏模量可高达~lOOOGPa，抗张强度介于13~53GPa。与传统的反弹道纤维及复合材料比较，石墨烯及其衍生物的潜能远远胜过目前发展水平的方法。[0046]一家名为“纳米组合物技术有限公司”(NanocompTechnologiesInc.)的公司正在与美国陆军的“纳提克士兵中心”(U.S.Army’sNatickSoldierCenter)协力寻求开发新一代的基于碳纳米管技术的轻型防弹装甲。根据报道，所述公司在2009年4月证明一厚度达5_的碳纳米管复合材料防弹嵌板能够抵挡一9mm直径的子弹。可扩展为工业级的石墨烯及石墨烯衍生物合成的额外进步，无疑将使这个技术推进到更接近商业化的程度。[0047]机械系统的润滑[0048]所有机械系统牵涉相互作用的组成部分之间的摩擦。这样的相互作用可以像一滚珠轴承沿一滚道滑动、一活塞环相对一气缸套移动、或一凸轮轴与其凸轮从动件之间的接触那样简单。在所有这些实例中，相互作用的表面之间的摩擦是一需考虑的因素。任何系统中的摩擦是应力、疲劳、磨损、发热、噪音、振动及最后失效的起因。上述含金属机械系统的其他共同大敌是腐蚀。[0049]在大多数情况下，工程科学寻求通过对相互作用的表面进行机械加工及抛光到最高可行光滑度，减少带有相互作用的表面的物理及机械系统中的内在摩擦。当前没有任何摩擦表面是完全光滑(即完全没有粗糙实体)的。恰如所需，物理及机械系统的相互作用的构件被加工及抛光到所要求的公差，以允许适当的工作性能及减少内在摩擦。通过对构件进行所谓“超级抛光”到高公差(“平均粗糙度”(Ra)〈50nm)获得的显著的摩擦减少到目前为止所意味的是更长的生产时间及更高的生产成本。一般上，现代机械加工科学被迫以机械加工精密度交换经济效益。[0050]此外，所有内燃机(包括自然吸气及涡轮增压的煤油及柴油内燃机)、涡轮及其他带齿轮系统一律都需要润滑，以正常操作。自从发动机及齿轮润滑的起始以来，人`们已经在发动机及齿轮润滑领域做了多种为这些机器提供最佳润滑的企图。在润滑方面，最初所做的这样的企图(比如橄榄油及某些石碳酸皂)已经以更为精细的烃基润滑剂取代，许多所述烃基润滑剂甚至含有更为精细的添加剂组合，而且每一这样的添加剂试图处理这些系统的润滑工作中的多种内在问题。[0051]当前含金属的机械系统(比如内燃机)的润滑的最新发展水平是使用弹性流体动力润滑(EHL)技术，而弹性流体动力润滑技术通过使用不可压缩流体及防护涂层来防止金属与金属直接接触的方法及材料，以“处理”机械系统的相互作用的金属表面上的粗糙实体的问题。这些方法中没有任何方法影响所述相互作用的金属构件表面的所谓Ra(“平均粗糙度”)值，而且没有减轻所述粗糙实体本身的摩擦产生的作用。[0052]为了保持及保护金属摩擦表面及包括金属摩擦表面的系统，多种润滑剂添加剂用于多种目的，比如分散剂、腐蚀抑制剂、增粘剂、橡胶膨胀剂、降凝剂、泡沫抑制剂、抗磨剂及抗氧化剂。有些已开发来减少摩擦的润滑剂添加剂包括下列添加剂:流行用于航空润滑油但已知会慢慢地侵蚀弹性体垫圈及密封件的三邻甲酚磷酸酯(T0CP或TCP);已知会与不完全燃烧的产物结合形成盐酸的环烷烃清洁`剂；对备有催化转换器的车辆有问题的二烷基二硫代磷酸锌(ZDDPs);全球确定为对水生生物非常有害的氯化石蜡；被许多人考虑为不适合用于润滑的悬浮固体，比如聚四氟乙烯(PTFE,商品名为Te110n"):被许多人考虑为不适合用于使用轴承的系统的石墨粉；据报道会降低燃油经济有效性的一种金属-钥；一暂时屏蔽溶液-二硫化钨纳米洋葱；另一昂贵及暂时的溶液-巴基球(Buckminsterfullerenes)及悬浮在石墨中的纳米金刚石，以阻止磨料颗粒的典型聚合(使用此添加剂会引起反对在带有轴承的系统中使用石墨者的抱怨)。润滑剂添加剂常常也含有磷酸盐及硫化物，而这些磷酸盐及硫化物在分解时会产生有害气体。[0053]机械系统内部的碳质沉积物几乎普遍地被认为是不可取的，许多现代润滑剂专门设计及调配来抑制及/或防止任何碳质沉积物形成。传统的弹性流体动力润滑学识提议，内燃机润滑油必须尽可能调配得具有物理和化学稳定性，以阻止(而不是促进)所述基润滑剂及其添加剂因不完全燃烧及热解而造成的热降解；这是由于传统润滑剂的这样的热破坏产生有害的碳质沉积物(比如沉渣)，而碳质沉积物趋向阻塞阀门、覆盖活塞环而且通常会减少发动机的运行效率及预期寿命。分散剂常用于润滑剂，以防止沉渣聚合-实例详见由Won等人于《兰茂尔》期刊2005年第21卷第924-932页发表的“温度对带有吸附分散剂的液态经中的碳黑凝聚的影响”(Wonetal.,“EffectofTemperatureonCarbon-BlackAgglomerationinHydrocarbonLiquidwithAdsorbedDispersant，，，Langmuir,Vol.21，pp.924-932，2005)；由Tomlinson等人于《碳》期刊2000年第38卷第13-28页发表的“琥拍酰亚胺分散剂早碳质基体上的吸附性能”(Tomlinsonetal.,“AdsorptionPropertiesofSuccinimideDispersantsonCarbonaceousSubstrates，，,Carbon,Vol.38，pp.13-28，2000);由Wang于2000年发表的滑铁卢大学硕士论文“碳酸乙烯酯改性琥珀酰亚胺分散剂的合成及特性测试”(Wang,“SynthesisandCharacterizationofEthyleneCarbonateModifiedPolyisobutyleneSuccinimideDispersants”，UniversityofWaterlooMastersThesis,2010)0因不完全燃烧而发生的来自发动机的窜气炭黑已经显示其高度磨蚀作用及能够损坏金属部件-实例详见由Jao等人于《润滑科学》期刊2004年第16卷第111-126页发表的“炭黑特性及柴油发动机磨损”(Jaoetal.,“SootCharacterizationandDieselEngineWear，，，LubricationScience,Vol.16,pp.111-126,2004)；1?Ryason等人于《磨损》期刊1990年第137卷第15-24页发表的“抛光由炭黑造成的磨损”(Ryasonetal.,“PolishingWearbySoot，，，Wear,Vol.137，pp.15-24，1990);由Yamaguichi等人于《工程摩擦学期刊》2006年第220卷第463-469页发表的“柴油发动机中的炭黑磨损，，(Yamaguichietal.,“SootWearinDieselEngines，，,JournalofEngineeringTribology,Vol.220，pp.463-469，2006)；由Gautam等人于《国际摩擦学》期刊1999年第32卷第687-699页发表的“柴油炭黑污染油对发动机的磨损的影响”(Gautametal.，“EffectofDieselSootContaminatedOilonEngineWear-1nvestigationofNovelOilFormulations”,TribologyInternational,Vol.32,pp.687-699，1999)。“无灰的，，发动机润滑油是另一支持润滑剂调配组合物必须尽量保持无碳颗粒及所有碳质的发动机沉积物有害的概念的产品实例。以目前的弹性流体动力润滑范例而言，会导致形成碳质烟灰及沉积物的润滑剂添加剂的热降解及热解普遍被认为不可取。[0054]目前用于润滑剂及它们的衍生物的试验标准，是这个润滑思维的进一步证据，并支持这个润滑思维。“诺雅克挥发性试验”(NoackVolatilityTest)(美国材料试验学会ASTMD5800)测量润滑剂组合物的蒸发，作为温度的一函数，这是由于润滑剂组合物在蒸发增大时会变得更粘滞。所述试验涉及在250°C的温度条件下将一质量的发动机润滑油置入一“诺雅克”(Noack)装置内，以一恒定的空气流量通过所述试样I小时。接着，测量所述试样的质量，以确定由于挥发性有机化合物(VOCs)的损失而造成的质量损失。可接受的质量损失不大于13~15%。润滑剂必须通过这个试验，才能获得APICJ-4发动机润滑油标准(美国)或ISLACGF-4发动机润滑油标准(欧洲联盟)之下的批准。[0055]其他的润滑剂工业蒸发试验包括ASTMD972及ASTMD2595。ASTMD972在100~150°C的温度条件下试验润滑剂组合物，并以一恒定的空气流量(2L/min)通过所述试样。ASTMD2595在93~316°C的温度条件下试验润滑剂组合物，并以一恒定的空气流量(2L/min)通过所述试样。[0056]现代润滑剂工业几乎在弹性流体动力润滑(EHL)的润滑剂组合物中专门使用一种直链烃或支链烃的基润滑剂，并连同使用小量的相对昂贵的添加剂，包括(在有些情况下)使用含有诸如某些抗氧化的受阻苯酚、某些水杨酸盐及某些胺。在大多数情况下，先前技术中对含有环碳的润滑剂抗氧化添加剂的使用大多数限于通过抑制基润滑剂从原位形成的过氧化物的基氧化，以改进或保护所述基润滑剂。[0057]上述弹性流体动力润滑(EHL)范例及所述工业试验标准是基于不完全燃烧或热解的碳质产物在发动机及机械系统内部普遍有害及不可取的假定。这表示使用含有去垢剂、分散剂及边界膜的最佳结果是尽量保持一机械系统的经润滑的内部非常干净、无碳质沉积物及无磨损。[0058]富勒烯的生产及其润滑用途[0059]在1985年首次被发现并以已故测地学圆顶建筑师“巴克敏斯特?富勒”(BuckminsterFuller)的名字Fuller命名的富勒烯(Fullerene)是一类外壳完全由碳环组成的分子。富勒烯的基本球形品种是“巴克敏斯特富勒烯”(Buckminsterfullerene),或简称“巴基球”(Buckyball)。“巴基球”(Buckyballs)可能具有内嵌性质，在它们的空心核中囚禁多种原子、离子或复合材料。含有金属离子的内嵌金属富勒烯是目前重要的科学探讨及研究课题。[0060]在数学方面而言，一“巴基球”(buckyball)是一由五边形及六边形碳环组成的三价凸多面体。“巴基球”(Buckyballs)遵守“欧拉”(Euler)多面体公式，因为V-E+F=2，其中V、E及F依次是所述球的外部上的顶点、边及面的数目。在非同构富勒烯方面而言，有大约214，127，713个不同种类。纯的普通巴基球在市面上以C6tl及C7tl的化学结构形态出售，但相当昂贵；一般上其价格为$900至$1，000美元每IOOmg(毫克)。[0061]“巴基金刚石”(Bucky-diamonds)是一富勒烯或富勒烯类外壳内的一金刚石核的纳米尺度碳复合材料-实例详见由Barnard等人于《物理学评论B》期刊2003年第68卷第073406页发表的“带有纳米金刚石的巴基金刚石与富勒烯碳相的共存”(Barnardetal.,“CoexistenceofBucky-diamondwithnanodiamondandfullerenecarbonphases”，PhysicalReviewB,Vol.68，073406，2003)。这个结构现在被相信是纳米洋葱与纳米金刚石的互转化之间的一中介结构。Barnard等人预言“巴基金刚石”(Bucky-diamonds)是以大小范围介于500至I,850个原子(1.4至2.2nm直径)的纳米金刚石与富勒烯的共存方式存在的、碳的一亚稳态形式。[0062]巴纳德(Barnard)等人于《物理化学期刊B》2005年第109卷第17107-17112页发表的“纳米金刚石及巴基金刚石颗粒中的取代型氮”(”SubstitutionalNitrogeninNanodiamondandBucky-DiamondParticles”，JournalofPhysicalChemistryB,Vol.109,pp.17107-17112,2005)中提出，有可能将杂环原子(比如此例中的氮)结合到巴基金刚石结构中。最近，Yu等人于彼等在2011年8月24日提交给《化学物理期刊》的文章“碳化娃簇合物是否有一稳定的巴基金刚石结构”(”IsThereaStableBucky-diamondStructureforSiCCluster，，，submittedtotheJournalofChemicalPhysicsonAugust24,2011)中提出一基于计算机分子模拟的稳定Si68C79巴基金刚石结构。在稳定状态，相信所述纳米金刚石核及所述富勒烯类外壳并未相互化学键合。所述Yu等人的模拟预示，在加热这个碳化硅结构时，所述35-原子的核将在比112-原子的外壳的分解温度为低的温度分解，所述核接着被结合到所述外壳内，在冷却时形成一较大的留存富勒烯类外壳结构。[0063]富勒烯是润滑科学中的一项有前途的新技术。人们已经多次试图使用富勒烯作为密封润滑剂来填充移动部件上的粗糙实体，以及在移动部件上提供一摩擦学薄膜。不幸的是，有用的富勒烯的大规模及商业上可行的生产方法难以捉摸。此外，摩擦学目前的发展现状着重于移动部件上的摩擦学薄膜及涂层。然而，这个旧思维并没有处理摩擦本身的根本原因-即相互作用的金属部件上的粗糙实体。[0064]纳米技术及摩擦学的出现已经引进几个新的通过使用多种纳米颗粒的润滑方法。由Gause于2007年12月20日发表的标题为“三金属球作为干润滑剂、湿润滑剂、润滑剂添加剂、润滑剂涂层、抗腐蚀涂层及热导材料”(“TrimetaspheresasDryLubricants,WetLubricants,LubricantAdditives,LubricantCoatings,Corrosion-ResistantCoatingsandThermally-ConductiveMaterials)的第2007/0292698号美国专利申请出版物(U.S.PatentApplicationPublicationN0.2007/029269)揭露,含坑金属富勒烯巴基球代替在高温时快速分解的普通碳富勒烯或“巴基球”，作为一种悬浮固体润滑剂来使用。[0065]已经假定，外部分离的“单纳米巴基金刚石”(SNBDs)作为润滑剂添加剂使用，然而这些分子天生难以从不可取的凝聚物分离，而所述分离却是使这些分子在润滑及其他应用中变得有用的必需步骤-实例详见由Ho博士编辑、由纽约“斯伯林格科学+商业媒体有限公司”的0sawa，E.撰著的《纳米金刚石:其生物学应用及纳米医药》第I章的“单纳米巴基金刚石颗粒、合成策略、特性测试方法及新兴应用”(Ho,D.(ed.),Nanodiamonds:ApplicationsinBiologyandNanoscaleMedicine,Ch.1,^Single-NanoBuckydiamondParticles,SynthesisStrategies,CharacterizationMethodologiesandEmergingApplications^,byOsawa,E.,SpringerScience+BusinessMedia,LLC,NewYork,2010)。[0066]以色列国尼斯锡安纳市(NessZiona,Israel)的“纳米材料有限公司”(NanoMaterials,Ltd.)已经生产一系列含二硫化鹤纳米粉末的润滑剂。这些黑色的硫化钨洋葱结构的目的在于填充表面粗糙实体以及脱落层，以充当相互作用的金属发动机部件之间的一低摩擦相互作用屏蔽表面。[0067]美国伊利诺斯州朗伯德市(Lombard,Illinois)的“NanoLube有限公司”(NanoLube,Inc.)声称在DiamondLube?商标名下生产非磨蚀碳纳米球,这种非磨蚀碳纳米球被引进润滑剂，以减少摩擦。所述DiamondLube?产品似乎是昂贵但普通的悬浮于轻型油中的富勒烯。[0068]德国柏林市(Berlin)的PlasmaChemGmbH公司在/\「)「)()"商标名下销售一种用于发动机润滑油的添加剂，据称所述添加剂含有通过爆轰合成而形成的金刚石及石墨颗粒，能够将发动机内部的部件抛光到像镜子般的光滑度。估计添加所述石墨到所述悬浮物中是为了减少所述纳米颗粒的凝聚。[0069]爆轰纳米金刚石是一种一般上通过三硝基甲苯与环三次甲基三硝基胺的一缺氧混合物的炸药爆轰而形成的纳米金刚石产物-实例详见由Mochalin等人于《自然纳米技术》期刊2012年第7卷第11-23页发表的“纳米金刚石的特性及应用”(Mochalinetal.,“ThePropertiesandApplicationsofNanodiamonds，，，NatureNanotechnology,Vol.7,pp.11-23，2012)。上述方法所得的纳米金刚石通常以5nm(纳米)钻石形颗粒的l_nm簇合物的形式存在，每个纳米颗粒包括一带有一层表面基团的金刚石核。[0070]其他形成纳米金刚石的方法使用非爆轰技术，比如金刚石微晶体的激光烧蚀、高能球研磨、碳化物的等离子体辅助化学气相沉积、高压釜合成、氯化、石墨的离子辐射、碳纳米洋葱电子辐射、以及超声波气蚀。这些方法所得的非爆轰纳米金刚石在合成时有簇合的趋向，而且人们已经投入很大的努力来开发将凝聚的纳米金刚石产物干净地分离的方法。[0071]这些减少摩擦的解决方案之中的大多数的共同要素以及目前本行业的技术现状是使用弹性流体动力润滑(EHL)技术。弹性流体动力润滑(EHL)技术使用多种方法及材料来“应付”机械系统的相互作用的金属表面上的粗糙实体的问题，而不是消除或“解决”所述问题的根本原因-即所述粗糙实体本身。那些试图处理粗糙实体的抛光及减少的方法及材料通过使用外部补充的纳米金刚石磨料来应付粗糙实体的问题，而这些外部补充的纳米金刚石磨料必须是悬浮于用于防止它们凝聚成不可取的簇合物的材料中者。上述方法及材料中没有任何方法或材料涉及从液态前体物原位形成有益的碳质摩擦学颗粒或非磨料的技术或手段，而从液态前体物原位形成有益的碳质摩擦学颗粒或非磨料的技术或手段却恰是一种新颖的、处理目前本行业的技术现状中存在的关于来自外部补充的纳米金刚石润滑剂磨料的不可取颗粒凝聚的问题的方法。【
发明内容】[0072]本发明涉及石墨烯、石墨烯衍生物及纳米颗粒的简易合成以及它们作为在摩擦学上有益的润滑剂添加剂的用途。本发明的方法的产物有多个领域中的许多用途，这些领域包括但不限于摩擦学、纳米技术、机械加工及加工工具、润滑、金属加工、钻孔、采矿、油漆制造、防腐蚀涂层制造、岩石隧道挖掘、打槽、模具制作、光学镜片制造、军事工程、宝石切割及抛光、航空航天工程、汽车工程、高速铁路、海事工程、医学、核医学、医学影像学及诊断学、货车运输、起重机及重设备制造、农场设备制造、摩托单车制造、电机制作、电缆及电线制造、砂磨、核发电、太阳能发电、风能发电、传统式发电、水力发电、电子器件、集成电路技术、电池技术、抛光剂制造、钢制造、金属抛光以及金属表面的化学硬化。[0073]本发明进一步涉及包括一润滑剂及至少一种添加剂的润滑剂组合物，所述至少一种添加剂被选择起一牺牲碳源的作用，所述牺牲碳源在正常操作的局部热解条件下在摩擦学上有用的石墨碳结构的原位形成中起作用。此外，本发明也揭露石墨碳、氧化石墨碳、还原氧化石墨碳及其他石墨碳衍生物结构以及磨料纳米颗粒的非原位合成方法。分离所述非原位合成产物的方法进一步通过一“动力炉”设备的使用揭示。[0074]此外，本发明特别有用，这是由于其涉及用于抛光、硬化及润滑发动机、增压涡轮、涡轮、磁轨、滚道、轮、轴承、轴、传动系统、齿轮系统及其他使用机械加工的相互作用硬表面的物理和机械系统中的运动部件的润滑剂组合物及方法。在一个实施例中，所述方法及润滑剂组合物提供金属相互作用表面中的无摩擦完美。[0075]在一个实施例中，本发明的润滑剂组合物使所述发动机、增压涡轮或涡轮产生的有用功率及转矩大于在以传统润滑剂润滑时产生的有用功率及转矩，这是由于通过所述润滑剂组合物及方法的润滑及抛光作用减少了摩擦。观测到效率指标(比如发动机功率及转矩)在所述润滑剂组合物开始被引进所述发动机之后数日、数周以至数月的时段期间增加。在有些实施例中，此中揭示的方法及润滑剂组合物的好处包括在被润滑的移动部件的所述表面上形成一摩擦边界层的纳米颗粒或纳米薄片，而这样的纳米颗粒或纳米薄片的作用在于积极消除来自所述金属表面的氧化、包裹所述金属表面以及在扮演减少摩擦的指定任务中有益地使用所述氧化分子。[0076]在医学、核医学、医学影像学及诊断学方面而言，本发明产生高度惰性、安全及无穷小的载体，这些载体将放射性同位素、其他金属离子或其他绑定到离子的治疗剂递送到体内的不同位置，以进行治疗或提高磁成像或其他诊断成像的分辨率。此外，这些磁性或顺磁性球状体可以用于在一人工感应强磁场(比如磁共振成像)中根除肿瘤及癌细胞，以促使所述球状体激烈转动或振荡，从而产生足以从内部以热的方法消除靶细胞或组织的热量。[0077]在一个实施例中，本发明包括一种经济的、由一碳质材料碳源形成石墨碳的脱水反应或回流热解的方法。所述方法可提升至工业生产规模。所述碳源以一食糖或其他含6碳环的结构为优选，虽然可以使其他碳质材料经受回流热解、氧化/还原、不完全燃烧或酸脱水来形成所述石墨碳反应物起始材料。在一个实施例中，石墨碳经受以一液体溶剂进行的回流，然后石墨烯/氧化石墨烯(GO)以悬浮于一蒸汽/水汽的纳米视觉尺度或“纳米尺度”结构的形式散发。在一个实施例中，可以使一石墨碳源经受一高压液体或蒸汽的物理攻击，以便在不需要热解、脱水或氧化步骤的情况下产生机械剥离的石墨烯剥片。上述方法所得的石墨烯/氧化石墨烯剥片可以在蒸汽中传播，并通过直接沉积到一与所散发的蒸汽物理接触的固态基体上来收集，或通过将所述含颗粒的蒸汽施加到一用于促进所述剥片“疏水自组”成为较大的石墨烯/氧化石墨烯剥片的水溶液或液体来收集。[0078]在一个实施例中，控制反应环境以限制反应室中的环境氧(O2)的量，阻止所述反应物在加热期间完全燃烧。在一个实施例中，所述反应在存在一添加溶剂的情况下进行。在一个实施例中，所产生的氧化石墨烯(GO)转化为悬浮在一加热或未加热液态收集介质中的还原氧化石墨烯(rGO)或石墨烯薄片。上述方法所得的还原氧化石墨烯或石墨烯薄片可以用于生产范围广泛的有用产物，包括但不限于保护涂层、低重/高强度的石墨烯增强复合材料、丝线及纤维。[0079]在一个实施例中，一碳质起始材料经受一脱水反应或热解以形成石墨碳。在一个实施例中，所述碳质源含石墨。所述石墨碳在存在一溶剂的情况下经受回流，使石墨烯/氧化石墨烯剥片或回流合成的多环芳烃(PAHs)在加热时在一产生的蒸汽中散发。所述石墨烯/氧化石墨烯剥片或多环芳烃(PAHs)通过沉积到一与所散发的蒸汽物理接触的固态基体上来收集，或通过将所述蒸汽施加到一供石墨烯/氧化石墨烯进行疏水自组的水溶液池来收集。所述过程可扩展为工业级规模。在有些实施例中，所产生的氧化石墨烯转化为悬浮在一加热或未加热的液体介质中的还原氧化石墨烯薄片。[0080]在一个实施例中，本发明涉及作为抛光剂使用的磨料纳米颗粒的生产。根据这个实施例，可以通过添加一金属氧化物或纳米金刚石到所述反应混合物来生成磨料纳米颗粒。[0081]在一个实施例中，所获得的石墨烯薄片可以用于生产多种不同的有用产物，包括但不限于低重/高强度的石墨烯增强复合材料。[0082]在一个实施例中，添加适合的添加剂到传统润滑剂可促进在摩擦学上有用的含石墨碳纳米颗粒或微米颗粒以在摩擦学上有效量原位形成。在一个实施例中，所述添加剂包括一带有至少一个碳环的化学结构。在一个实施例中，所述纳米颗粒是磨料纳米颗粒，所述磨料纳米颗粒通过减少或消除粗糙实体，扮演将摩擦表面纳米抛光到高光滑度的纳米抛光剂的角色，从而减少磨损表面之间的摩擦。在一个实施例中，添加到所述润滑剂的所述添加剂包括一形式的石墨碳，所述形式的石墨碳在所述添加剂被添加到所述润滑剂之前非原位形成，以形成一润滑剂组合物。[0083]在一个实施例中，添加到所述润滑剂的所述添加剂包括一铁复合材料分子。在一个实施例中，所述添加剂包括含碳的颗粒物质的纳米颗粒。在一个实施例中，所述添加剂在所述润滑剂中溶解，以形成所述润滑剂组合物。在一个实施例中，所述添加剂易与所述润滑剂混合，以形成所述润滑剂组合物。在一个实施例中，以一种或多种食糖或食糖类两亲性物为形式的一含碳前体物分子被用来提供所述润滑剂组合物中的一食糖或食糖类组分，所述食糖或食糖类组分不容易凝结或阻塞所述系统的内部组分。在一个实施例中，含环状碳前体物被添加到已经含有这样的前体物、而且以目前市面上可获得的溶液为形式的润滑剂中。所述合成石墨碳并没有改进所述传统基润滑剂的内在物理润滑特性，但却传导及吸收热量、在内部部件上形成摩擦涂层及转化为促进所润滑的系统的金属表面的纳米抛光并从而减少摩擦的纳米磨料。[0084]在一个实施例中，通过使用一粘性比其他传统润滑剂的粘性为低的传统润滑剂来实现进一步减少摩擦及提高效率。通过纳米抛光而有效消除粗糙实体，消除了使用一般容易在高剪力下粘附粗糙实体的粘滞调配物的需要。所述磨损表面的光滑度也使得一发动机可在其两个磨损表面之间使用更薄的薄膜来润滑(这是由于使用较低粘性的流体)，并在不损坏所述金属部件的情况下运转。所述较低粘性的基液对移动部件提供较少阻力，从而改进所述润滑系统及其润滑的机械系统。[0085]在一个实施例中，所述方法通过所述循环的润滑剂组合物，递送及提供一减摩薄膜或涂层给内部机械系统部件，又同时利用自然产生的发动机燃烧产物来生成一薄膜或涂层。在其他实施例中，所述方法单独通过所述循环的润滑剂，递送及提供一减摩薄膜或涂层。[0086]在一个实施例中，所述润滑剂组合物改进发动机、增压涡轮、涡轮、齿轮或其他构件或系统性能。在一个实施例中，所述润滑剂组合物为汽车及航空航天润滑油组合物及应用提供在摩擦学上减摩的薄膜及涂层，包括齿轮、轴承或轴颈系统的润滑。在有些实施例中，所述润滑剂组合物在系统操作期间对所述系统进行润滑之时，通过长时间将摩擦表面微抛光到一较低粗糙度，从而减少所述摩擦表面之间的摩擦。[0087]在一个实施例中，所述润滑剂组合物与自然产生的燃烧产物及化学反应的副产物结合，为汽车及航空航天机械部件的摩擦表面提供在摩擦学上减摩的薄膜及涂层。在一个实施例中，所述润滑剂组合物中的添加剂通过化学反应相互结合，为汽车及航空航天机械部件的摩擦表面提供在摩擦学上减摩的薄膜及涂层。[0088]在一个实施例中，本发明包括一合成石墨烯的方法，所述合成方法包括回流一包括至少一种溶剂及至少一种碳质材料的反应混合物(所述碳质材料在其完全燃烧被抑制的条件下促进多环芳烃(PAH)形成)；收集由所述反应混合物的所述回流产生的蒸汽；将所述蒸汽引导到一基体，于是石墨烯沉积在所述基体的表面上；以及从所述基体的表面重新获得石墨稀。[0089]在一个实施例中，本发明包括一生产氧化石墨烯的方法，所述方法包括:回流一反应混合物，所述反应混合物包括至少一种溶剂、至少一种氧化剂及至少一种化合物，所述至少一种化合物在阻止所述碳源完全燃烧成为二氧化碳或一氧化碳的条件下促进多环芳烃(PAH)形成；收集由所述反应混合物的所述回流产生的蒸汽；将所述蒸汽引导到一基体，于是氧化石墨烯沉积在所述基体的表面上；以及从所述基体的表面重新获得氧化石墨烯。[0090]一种润滑剂组合物，所述润滑剂组合物包括一基润滑剂及至少一种含碳添加剂，所述含碳添加剂在局部热解条件下形成在摩擦学上有效量的至少一个含石墨碳结构。[0091]在一个实施例中，本发明包括一润滑剂组合物，所述润滑剂组合物包括一基润滑剂及石墨烯，其中所述石墨烯在与所述基润滑剂结合之前已经形成。[0092]在一个实施例中，本发明包括一润滑剂组合物，所述润滑剂组合物包括一基润滑剂及一种或多种巴基金刚石，其中至少一些所述巴基金刚石包括铁或一含铁分子。[0093]在一个实施例中，本发明包括一种用于润滑一机械系统的方法，所述系统包括至少一个带有粗糙实体的内部摩擦表面，所述方法包括运转带有包括一纳米抛光剂的一润滑剂组合物的所述机械系统，以使所述粗糙实体从所述内部摩擦表面消除，其中所述润滑剂组合物包括至少一种在局部热解条件下在所述系统中原位形成的含碳添加剂，至少一种纳米抛光剂。[0094]在一个实施例中，本发明包括一摩擦涂层，所述摩擦涂层包括氧化石墨烯。[0095]在一个实施例中，本发明包括一润滑剂组合物，所述润滑剂组合物包括一基润滑剂及至少一种含碳添加剂，所述含碳添加剂在局部热解条件下形成一在摩擦学上有效量的氧化石墨烯。[0096]在一个实施例中，本发明包括一润滑剂组合物，所述润滑剂组合物包括一基润滑剂及至少一种含碳添加剂，所述含碳添加剂在局部热解条件下形成`一在摩擦学上有效量的还原氧化石墨烯。[0097]在一个实施例中，本发明包括一种合成多种表面石墨化磨料纳米颗粒的方法，所述方法包括:回流一反应混合物，所述反应混合物包括至少一种溶剂、至少一种金属氧化物及至少一种化合物，所述至少一种化合物促进多环芳烃(PAH)形成，以形成至少一种表面石墨化磨料纳米颗粒；以及从所述反应混合物收集所述表面石墨化磨料纳米颗粒。[0098]在一个实施例中，本发明包括在药物递送剂、医学成像造影剂、金属假体器件、抛光剂及由所述抛光剂抛光的金属假体器件和钢器件、清洁剂制剂以及包括表面石墨化磨料纳米颗粒的宏观固态材料中使用石墨烯的方法。[0099]在一个实施例中，本发明包括一种纳米颗粒,所述纳米颗粒包括一核,所述核包括至少一个金属原子及在所述核周围的一表面石墨化外壳。在一个实施例中，所述表面石墨化外壳包括一富勒烯碳外壳。[0100]在一个实施例中，本发明包括一微米颗粒聚团，所述微米颗粒聚团包括至少一种纳米颗粒，其中所述纳米颗粒包括一核，所述核包括至少一个金属原子及在所述核周围的一表面石墨化外壳，以及与所述纳米颗粒有关的至少一个石墨碳结构。在一个实施例中，所述表面石墨化外壳包括一富勒烯碳外壳，而所述石墨结构包括石墨烯及/或其衍生物。[0101]在一个实施例中，本发明包括一润滑剂组合物，所述润滑剂组合物包括一基润滑剂及在摩擦学上有效量的多种纳米颗粒，所述多种纳米颗粒包括一核，所述核包括至少一个金属原子及在所述核周围的一表面石墨化外壳。在一个实施例中，所述表面石墨化外壳包括一富勒烯碳外壳。[0102]在一个实施例中，本发明包括供添加到一基润滑剂的一添加剂制剂，所述添加剂制剂包括一基溶剂及一有效量的至少一种含碳添加剂，其中所述含碳添加剂在局部热解发生时形成一在摩擦学上有效量的至少一个含石墨碳结构。[0103]在一个实施例中，本发明包括一施加到一材料的一表面的涂层，所述涂层包括至少一种纳米颗粒，所述纳米颗粒包括一核，所述核包括至少一个金属原子及在所述核周围的一表面石墨化外壳。在一个实施例中，所述表面石墨化外壳包括一富勒烯碳外壳。[0104]在一个实施例中，本发明包括一复合材料,所述复合材料包括一基体材料及至少一种分散在所述基体材料的纳米颗粒，所述纳米颗粒包括一核，所述核包括至少一个金属原子及在所述核周围的一表面石墨化外壳。在一个实施例中，所述表面石墨化外壳包括一富勒烯碳外壳。[0105]在一个实施例中，本发明包括一复合材料，所述复合材料包括以一包括石墨烯的溶液来涂层的材料，其中所述包括石墨烯的溶液通过一过程制成，所述过程包括:回流一反应混合物，所述反应混合物包括至少一种溶剂及至少一种化合物，所述至少一种化合物在阻止所述碳源完全燃烧成为二氧化碳或一氧化碳的条件下促进多环芳烃(PAH)形成；以及将所述反应混合物施加到一复合材料的表面。[0106]在一个实施例中，本发明包括一复合材料，所述复合材料包括以一包括石墨烯的溶液来涂层的纤维，其中所述包括石墨烯的溶液通过一过程制成，所述过程包括:回流一反应混合物，所述反应混合物包括至少一种溶剂及至少一种化合物，所述至少一种化合物在阻止所述碳源完全燃烧成为二氧化碳或一氧化碳的条件下促进多环芳烃(PAH)形成；以及将所述反应混合物施加到所述包括一复合材料的所述纤维的表面。[0107]在一个实施例中，本发明包括一复合材料，所述复合材料包括以一包括石墨烯的溶液來涂层的一纤维网，其中所述包括石墨烯的溶液通过一过程制成，所述过程包括:回流一反应混合物,所述反应混合物包括至少一种溶剂及至少一种化合物,所述至少一种化合物在阻止所述碳源完全燃烧成为二氧化碳或一氧化碳的条件下促进多环芳烃(PAH)形成；以及将所述反应混合物施加到所述包括一复合材料的所述纤维网的表面。[0108]在一个实施例中，本发明包括一混凝土混合料，所述混凝土混合料以一包括石墨烯及其衍生物的溶液混合，其中所述包括石墨烯及其衍生物的溶液通过一过程制成，所述过程包括:回流一反应混合物，所述反应混合物包括至少一种溶剂及至少一种化合物，所述至少一种化合物在阻止所述碳源完全燃烧成为二氧化碳或一氧化碳的条件下促进多环芳烃(PAH)形成；以及将所述反应混合物与所述混凝土混合料混合。[0109]在一个实施例中，本发明包括一浙青混合料，所述浙青混合料以一包括石墨烯及其衍生物的溶液混合，其中所述包括石墨烯及其衍生物的溶液通过一过程制成，所述过程包括:回流一反应混合物，所述反应混合物包括至少一种溶剂及至少一种化合物，所述至少一种化合物在阻止所述碳源完全燃烧成为二氧化碳或一氧化碳的条件下促进多环芳烃(PAH)形成；以及将所述反应混合物与所述浙青混合料混合。[0110]在一个实施例中，本发明包括玻璃纤维，所述玻璃纤维以一包括石墨烯及其衍生物的溶液涂层，其中所述包括石墨烯及其衍生物的溶液通过一过程制成，所述过程包括:回流一反应混合物，所述反应混合物包括至少一种溶剂及至少一种化合物，所述至少一种化合物在阻止所述碳源完全燃烧成为二氧化碳或一氧化碳的条件下促进多环芳烃(PAH)形成；以及将所述反应混合物施加到所述玻璃纤维的表面。[0111]在一个实施例中，本发明包括一塑料，所述塑料以一包括石墨烯及其衍生物的溶液涂层，其中所述包括石墨烯及其衍生物的溶液通过一过程制成，所述过程包括:回流一反应混合物，所述反应混合物包括至少一种溶剂及至少一种化合物，所述至少一种化合物在阻止所述碳源完全燃烧成为二氧化碳或一氧化碳的条件下促进多环芳烃(PAH)形成；以及将所述反应混合物施加到所述塑料的表面。[0112]在一个实施例中，本发明包括一聚合物混合料，所述聚合物混合料配置成用于制备与一包括石墨烯及其衍生物的溶液混合的一塑料，其中所述包括石墨烯及其衍生物的溶液通过一过程制成，所述过程包括:回流一反应混合物，所述反应混合物包括至少一种溶剂及至少一种化合物，所述至少一种化合物在阻止所述碳源完全燃烧成为二氧化碳或一氧化碳的条件下促进多环芳烃(PAH)形成；以及将所述反应混合物与配置成用于制备一塑料的所述聚合物混合料混合。[0113]在一个实施例中，本发明包括石墨，所述石墨以一包括石墨烯及其衍生物的溶液涂层，其中所述包括石墨烯及其衍生物的溶液通过一过程制成，所述过程包括:回流一反应混合物，所述反应混合物包括至少一种溶剂及至少一种化合物，所述至少一种化合物在阻止所述碳源完全燃烧成为二氧化碳或一氧化碳的条件下促进多环芳烃(PAH)形成；以及以所述反应混合物来涂层所述石墨。[0114]在一个实施例中，本发明包括电线或电缆，所述电线或电缆以一包括石墨烯及其衍生物的溶液涂层，其中所述包括石墨烯及其衍生物的溶液通过一过程制成，所述过程包括:回流一反应混合物，所述反应混合物包括至少一种溶剂及至少一种化合物，所述至少一种化合物在阻止所述碳源完全燃烧成为二氧化碳或一氧化碳的条件下促进多环芳烃(PAH)形成；以及以所述反应混合物来涂层所述电线或电缆。[0115]在一个实施例中，本发明包括一种合成纳米钢的方法，所述方法包括:回流一反应混合物，所述反应混合物包括至少一种溶剂、至少一种金属氧化物`及至少一种化合物，所述至少一种化合物促进多环芳烃(PAH)形成，以形成至少一种表面石墨化磨料纳米颗粒；收集由含有所述表面石墨化磨料纳米颗粒的所述反应混合物的所述回流产生的一蒸汽；以及使所收集的蒸汽经受退火处理。[0116]在一个实施例中，本发明包括一种收集石墨烯的方法，所述方法包括:回流一反应混合物，所述反应混合物包括至少一种溶剂及至少一种化合物，所述至少一种化合物促进多环芳烃(PAH)形成；以及收集由所述反应混合物的所述回流产生的一蒸汽。[0117]在一个实施例中，本发明包括一种收集石墨烯衍生物的方法，所述方法包括:回流一反应混合物,所述反应混合物包括至少一种溶剂及至少一种化合物,所述至少一种化合物促进多环芳烃(PAH)形成；以及收集由所述反应混合物的所述回流产生的一蒸汽。[0118]在一个实施例中，本发明包括一收集组合件，所述收集组合件配置成用于收集由包括至少一种溶剂及至少一种促进多环芳烃(PAH)形成的化合物的一反应混合物的回流产生的所述蒸汽。[0119]在一个实施例中，本发明包括一疏水自组，所述疏水自组配置成自组由包括至少一种溶剂及至少一种促进多环芳烃(PAH)形成的化合物的一反应混合物的回流产生的所述蒸汽的石墨烯及其衍生物。[0120]在一个实施例中，本发明包括一种疏水自组石墨烯的方法，所述方法包括:回流一反应混合物，所述反应混合物包括至少一种溶剂及至少一种碳质材料，所述至少一种碳质材料在其完全燃烧被抑制的条件下促进多环芳烃(PAH)形成；收集由所述反应混合物的所述回流产生的蒸汽；将所述蒸汽引导到一水基体，于是石墨烯在所述水基体的表面上沉积；以及从所述水基体的表面重新获得石墨烯。[0121]在一个实施例中，本发明包括一种生产石墨烯的方法，所述方法包括:回流一反应混合物，所述反应混合物包括至少一种溶剂及至少一种碳质材料，所述至少一种碳质材料在其完全燃烧被抑制的条件下促进多环芳烃(PAH)形成；收集由所述反应混合物的所述回流产生的蒸汽；将所述蒸汽引导到一基体，于是石墨烯在所述基体的表面上沉积；以及从所述基体的表面重新获得石墨稀。[0122]在一个实施例中，本发明包括一种润滑一机械系统的方法，所述方法包括:以一润滑剂组合物运转所述机械系统，所述润滑剂组合物包括一有效量的至少一种含碳添加剂，所述至少一种含碳添加剂在所述机械系统运转期间促进一在摩擦学上有效量的至少一种在摩擦学上有用的含石墨碳结构的原位化学形成。[0123]在一个实施例中，本发明包括一种提高一发动机的效率的方法，所述方法包括:以一润滑剂组合物运转所述发动机，所述润滑剂组合物包括一有效量的至少一种含碳添加剂，所述至少一种含碳添加剂在所述发动机运转期间促进在摩擦学上有效量的至少一种在摩擦学上有用的含石墨碳结构的原位化学形成。[0124]在一个实施例中，本发明包括一种减少一发动机的负马力的方法，所述方法包括:以一润滑剂组合物运转所述发动机，所述润滑剂组合物包括一有效量的至少一种含碳添加剂，所述至少一种含碳添加剂在所述发动机运转期间促进在摩擦学上有效量的至少一种在摩擦学上有用的含石墨碳结构的原位化学形成。[0125]在一个实施例中，本发明包括一种减少一发动机的转矩的方法，所述方法包括:以一润滑剂组合物运转所述发动机，所述润滑剂组合物包括一有效量的至少一种含碳添加剂，所述至少一种含碳添加剂在所述发动机运转期间促进一在摩擦学上有效量的至少一种在摩擦学上有用的含石墨碳结构的原位化学形成。[0126]在一个实施例中，本发明包括一种生产一摩擦树脂、薄膜、涂层或亮漆的方法，所述方法包括:回流一反应混合物，所述反应混合物包括至少一种溶剂及至少一种碳质材料，所述至少一种碳质材料在其完全燃烧被抑制的条件下促进多环芳烃(PAH)形成；以及在应用所述树脂、薄膜、涂层或亮漆或所述树脂、薄膜、涂层或亮漆凝固之前，将所述反应混合物与所述树脂、薄膜、涂层或亮漆混合。[0127]在一个实施例中，本发明包括一动力炉，所述动力炉配置成用于表面石墨化磨料纳米颗粒的生产，所述生产包括:回流一反应混合物，所述反应混合物包括至少一种溶剂、至少一种金属氧化物及至少一种化合物，所述至少一种化合物促进多环芳烃(PAH)形成，以形成至少一种表面石墨化磨料纳米颗粒；收集由含有所述表面石墨化磨料纳米颗粒的所述反应混合物的所述回流产生的一蒸汽，然后使所收集的蒸汽经受一高剪力环境，所述高剪力环境包括高速旋转、高频振荡或振动、流体动力挤压、与一个或多个移动部件摩擦碰撞、高速搅拌或它们的任何组合；以及收集所述表面石墨化磨料纳米颗粒。在一个实施例中，所述动力炉进一步包括一表面形貌学形状特征，所述表面形貌学形状特征包括尾翅、杆、凸块、凹穴、孔、粗糙实体、隧孔及它们的任何组合。【专利附图】【附图说明】[0128]本发明将参照下列附图描述，附图中类似元件以类似数字代表。[0129]图1A及IB分别显示本发明一实施例中石墨烯/氧化石墨烯及表面石墨化磨料纳米颗粒(SGAN)制备步骤的示意图。[0130]图2A显示本发明一实施例中从一碳质或石墨起始材料形成一石墨烯/氧化石墨烯增强/涂层基体的流程图。[0131]图2B显示本发明一实施例中从一石墨烯/氧化石墨烯剥片蒸汽形成一石墨烯/氧化石墨烯薄膜涂层基体的流程图。[0132]图3显示本发明一实施例中石墨烯/氧化石墨烯/表面石墨化磨料纳米颗粒(SGAN)合成及收集系统的不意图。[0133]图4显不本发明一实施例中以一第一蒸汽沉积方法涂层的一扫描电子显微镜柱样(SEMstub)上的一表面石墨化磨料纳米颗粒(SGAN)球状体的一取样区的一扫描电子显微镜(SEM)图像。[0134]图5A显不本发明一实施例中的所述扫描电子显微镜柱样(SEMstub)上的一表面石墨化磨料纳米颗粒(SGAN)球状体的一第一取样区的一扫描电子显微镜(SEM)图像。[0135]图5B显示图5A的表面石墨化磨料纳米颗粒(SGAN)球状体的一第二取样区。[0136]图5C显示图5A的表面石墨化磨料纳米颗粒(SGAN)球状体的一第三取样区。[0137]图6显不本发明一实施例中所述扫描电子显微镜柱样(SEMstub)上的一晶体结构的一取样区的一扫描电子显微镜(SEM)图像。[0138]图7显示本发明一实施例中一含纳米钢的表面石墨化磨料纳米颗粒(SGAN)球状体的一扫描电子显微镜(SEM)图像。[0139]图8显不本发明一实施例中以一第二蒸汽沉积方法涂层的一扫描电子显微镜柱样(SEMstub)上的一表面石墨化磨料纳米颗粒(SGAN)球状体的一取样区的一扫描电子显微镜(SEM)图像。[0140]图9显示所述扫描电子显微镜柱样(SEMstub)上的另一表面石墨化磨料纳米颗粒(SGAN)球状体的一扫描电子显微镜(SEM)图像。[0141]图10显示所述扫描电子显微镜柱样(SEMstub)上带有许多表面石墨化磨料纳米颗粒(SGAN)球状体的区域的一扫描电子显微镜(SEM)图像。[0142]图11显不所述扫描电子显微镜柱样(SEMstub)的一金/钮!涂层区域的一扫描电子显微镜(SEM)图像。[0143]图12显不本发明一实施例中一碳透射电子显微镜(TEM)网格上的一石墨烯产物的一第一区域的一透射电子显微镜(TEM)图像。[0144]图13显示图12的所述石墨烯产物的一第二区域的一透射电子显微镜(TEM)图像。[0145]图14显示图12的所述石墨烯产物的一第三区域的一透射电子显微镜(TEM)图像。[0146]图15显示图12的所述石墨烯产物的一第四区域的一透射电子显微镜(TEM)图像。[0147]图16显示图12的所述石墨烯产物的一第五区域的一透射电子显微镜(TEM)图像。[0148]图17显示图12的所述石墨烯产物的一第六区域的一透射电子显微镜(TEM)图像。[0149]图18显不本发明一实施例中一铜透射电子显微镜(TEM)网格上的一石墨烯产物的一区域的一透射电子显微镜(TEM)图像。[0150]图19显示本发明一实施例中一铜透射电子显微镜(TEM)网格上的另一石墨烯产物的一区域的一透射电子显微镜(TEM)图像。[0151]图20显不本发明一实施例中一机械加工不锈钢凸轮从动件一无磨损表面在暴露于一润滑剂组合物之后的表面粗糙度测量结果。[0152]图21显不本发明一实施例中一机械加工不锈钢凸轮从动件一磨损表面在暴露于一润滑剂组合物之后的表面粗糙度测量结果。[0153]图22显示本发明一实施例中一凸轮从动件定位环的一无磨损表面的一第一部分在暴露于一润滑剂组合物之后的一扫描电子显微镜(SEM)图像。[0154]图23显示所述凸轮从动件定位环的所述无磨损表面的一第二部分的一扫描电子显微镜(SEM)图像。[0155]图24显示所述凸轮从动件定位环的所述无磨损表面的一第三部分的一扫描电子显微镜(SEM)图像。[0156]图25显示所述凸轮从动件定位环的所述无磨损表面的一第四部分的一扫描电子显微镜(SEM)图像。[0157]图26显示所述凸轮从动件定位环的所述无磨损表面的一第五部分的一扫描电子显微镜(SEM)电子显微照片。[0158]图27显示所述凸轮从动件定位环的所述无磨损表面的一第六部分的一扫描电子显微镜(SEM)图像。[0159]图28显示所述凸轮从动件定位环的所述无磨损表面的一第七部分的一扫描电子显微镜(SEM)图像。[0160]图29显示所述凸轮从动件定位环的所述无磨损表面的一第八部分的一扫描电子显微镜(SEM)图像。[0161]图30显示所述凸轮从动件定位环的所述无磨损表面的一第九部分的一扫描电子显微镜(SEM)图像。[0162]图31显示所述凸轮从动件定位环的所述无磨损表面的一第十部分的一扫描电子显微镜(SEM)图像。[0163]图32显示所述凸轮从动件定位环的所述无磨损表面的一第十一部分的一扫描电子显微镜（SEM)图像。[0164]图33显示图32的左边的所述晶体结构的一第一特写镜头的一扫描电子显微镜(SEM)图像。[0165]图34显示所述凸轮从动件定位环的所述无磨损表面的一第十二部分的一扫描电子显微镜（SEM)图像。[0166]图35显示图32的左边的所述晶体结构的一扫描电子显微镜（SEM)图像。[0167]图36显示图32的左边的所述晶体结构的一第二特写镜头的一扫描电子显微镜(SEM)图像。[0168]图37显示所述凸轮从动件定位环的所述无磨损表面的一第十三部分的一扫描电子显微镜（SEM)图像。[0169]图38A显示所述凸轮从动件定位环的所述无磨损表面上的一球状体的一第一取样区的一扫描电子显微镜（SEM)图像。[0170]图38B显示图38A的所述表面石墨化磨料纳米颗粒（SGAN)球状体的一第二取样区。[0171]图38C显示图38A的所述表面石墨化磨料纳米颗粒（SGAN)球状体的一第三取样区。[0172]图39A显示图35的所述晶体结构的一第一取样区。[0173]图39B显示图35的所述晶体结构的一第二取样区。[0174]图39C显示图35的所述晶体结构的一第三取样区。[0175]图39D显示图35的所述晶体结构的一第四取样区。[0176]图39E显示图35的所述晶体结构的一第五取样区。[0177]图39F显示图35的所述晶体结构的一第六取样区。[0178]图39G显示图35的所述晶体结构的一第七取样区。[0179]图40A显示所述凸轮从动件定位环的所述无磨损表面上的另一球状体的一第一取样区。[0180]图40B显示图40A的所述表面石墨化磨料纳米颗粒（SGAN)球状体的一第二取样区。[0181]图40C显示图40A的所述表面石墨化磨料纳米颗粒（SGAN)球状体的一第三取样区。[0182]图41显示所述凸轮从动件定位环的所述无磨损表面上的另一球状体的一取样区的一扫描电子显微镜（SEM)图像。[0183]图42显示来自所述凸轮从动件的所述表面上的材料的一第一透射电子显微镜(TEM)图像。[0184]图43显示来自所述凸轮从动件的所述表面上的材料的一第二透射电子显微镜(TEM)图像。[0185]图44显示来自所述凸轮从动件的所述表面上的材料的一第三透射电子显微镜(TEM)图像。[0186]图45显示来自所述凸轮从动件的所述表面上的材料的一第四透射电子显微镜(TEM)图像。[0187]图46显示来自所述凸轮从动件的所述表面上的材料的一第五透射电子显微镜(TEM)图像。[0188]图47显示来自所述凸轮从动件的所述表面上的材料的一第六透射电子显微镜(TEM)图像。[0189]图48显示来自所述凸轮从动件的所述表面上的材料的一第七透射电子显微镜(TEM)图像。[0190]图49A显示来自所述凸轮从动件的所述表面上的材料的一第八透射电子显微镜(TEM)图像。[0191]图49B显示图49A的所述图像的一左上部分的一放大图。[0192]【
发明内容】[0193]本发明涉及石墨烯、石墨烯衍生物及纳米颗粒的简易合成以及它们作为在摩擦学上有益的润滑剂添加剂的用途。本发明的方法的产物有许多用途，这些领域包括但不限于用于复合体增强的分子水平涂层、隔热、弹道晶体管、集成电路、增强纤维及电缆以及纳米抛光剂。[0194]本文中使用的“环状”一词用来描述任何带有至少一个五元环或更多元的环的分子，而构成所述环的原子中有至少一半的原子是碳原子。所述环可以是芳族或非芳族。[0195]本文中使用的“在摩擦学上有效量的”一词用来指添加到一被润滑系统的、在摩擦学上足以对这样的被润滑系统有益的任何数量的添加剂或多数量的多种添加剂。[0196]本文中使用的“在摩擦学上有益的”一词用来指任何在一机械系统中形成、存在或使用并减少所述机械系统中的摩擦的添加剂。[0197]本文中使用的“摩擦剂”指的是在一机械系统中形成、存在或使用并可测定程度地减少所述机械系统中的摩擦的一种分子。[0198]本文中使用的“巴基金刚石”(Bucky-diamond)或“纳米巴基金刚石”(nano-Bucky-diamond)指的是任何带有一可能包括多个非碳杂环原子的纳米金刚石核及一在所述核周围形成的富勒烯碳壳的纳米颗粒。[0199]本文中使用的表面石墨化磨料纳米颗粒(SGAN)指的是任何包括至少一个由一主要包括碳的外壳包络的纳米尺度颗粒。[0200]本文中使用的“球状体”指的是一形状基本上像一球体但不一定是完美的圆形的颗粒。[0201]本文中使用的“基体材料”指的是任何在一种或多种材料的复合材料中形成一连续相的材料。[0202]本文中使用的“尖晶石型结构”指的是任何化学通式为A2+B23+042_的立方矿物晶体，其氧化物阴离子(0)以一立方密集晶格排列、A阳离子占据所述晶格中的所有四面体位置、B阳离子占据所述晶格中的所有八面体位置。[0203]本文中使用的“反尖晶石型结构”指的是任何化学通式为A2+B23+042_的立方矿物晶体，其氧化物阴离子(0)以一立方密集晶格排列、A阳离子占据所述晶格中一半的八面体位置、B阳离子占据所述晶格中一半的八面体位置及所有四面体位置。[0204]本文中使用的“石墨碳”指的是任何带有一碳素晶格基架的结构，包括但不限于石墨、石墨烯、氧化石墨烯、富勒烯、富勒烯类结构、富勒烯内部、纳米洋葱、纳米豆荚、纳米管、纳米芽、还原氧化石墨烯、花边碳及多环芳族化合物。[0205]本文中使用的“碳素晶格基架”指的是任何由SP2-或SP3-杂化碳原子形成的二维多环碳结构。[0206]本文中使用的“动力炉”指的是一在纳米颗粒产物形成的合成阶段使用一激发力、声波力、离心力、向心力、压力或剪力、或这些力的组合的加热纳米颗粒合成炉设备。[0207]石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯及其他石墨烯衍生物结构及纳米颗粒的非原位合成方法[0208]在一方面，本发明涉及石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯及其他石墨烯衍生物结构及纳米颗粒的一种非原位合成方法。可以用一经济的脱水反应或回流热解方法，从一碳质材料碳源来形成石墨碳。本发明揭露的方法可扩展为工业级的工业生产。所述碳源以一含六元环结构的食糖为优选，虽然可以使许多其他碳质材料经受脱水、热解或氧化以及可以使用它们。所述碳源经受回流热解、氧化/还原或酸脱水，形成一石墨碳反应物起始材料。在其他实施例中，省略所述用于产生合适的石墨碳的脱水/氧化/热解合成步骤，并使用石墨碳本身作为反应物起始材料。所述石墨碳经受以一液体溶剂进行的回流，然后石墨烯/氧化石墨烯(GO)以悬浮于一蒸汽/水汽的纳米视觉尺度或“纳米尺度”结构的形式散发。可选择地或另外地，可以使一石墨碳源经受一高压液体或蒸汽，以便在不需要热解、脱水或氧化步骤的情况下产生石墨烯剥片。上述方法所得的石墨烯/氧化石墨烯剥片可以在蒸汽中传播，并通过直接沉积到一与所散发的蒸汽物理接触的固态基体上来收集，或通过将所述含颗粒的蒸汽施加到一用于促进所述剥片“疏水自组”成为较大的石墨烯/氧化石墨烯剥片的水溶液或液体来收集。[0209]在一个实施例中，控制反应环境以限制反应室中的环境氧(O2)的量，从而阻止所述反应物在加热期间完全燃烧。在一个实施例中，所述反应在不使用添加溶剂的情况下进行。在一个实施例中，所产生的氧化石墨烯(GO)转化为悬浮在一加热或未加热液态收集介质中的还原氧化石墨烯(rGO)或石墨烯薄片。上述方法所得的大疏水自组薄片可以轻易地还原为还原氧化石墨烯(rGO)或石墨烯，可以在工业中用于生产范围广泛的有用产物，包括但不限于保护涂层、低重/高强度的石墨烯增强复合材料、丝线及纤维。[0210]参看所述附图，图1A描绘本发明一实施例中石墨烯/氧化石墨烯(GO)的制备步骤的示意图，其中一主要包括非石墨碳质材料碳源的反应混合物通过热解、脱水、一氧化/还原反应或不完全燃烧等反应而形成石墨碳。在一个实施例中，使用一石墨碳起始材料而不需要热解或脱水反应步骤。[0211]在一个实施例中，所述反应混合物经受回流以形成一蒸汽。石墨烯及氧化石墨烯(GO)纳米尺度结构由在所述浆体或溶液加热期间散发的蒸汽中转移。所述石墨烯/氧化石墨烯剥片优选通过将所述蒸汽鼓泡通过一隔离及悬浮所述剥片的液体来收集。可选择地，石墨烯/氧化石墨烯剥片在所述蒸汽被引导到所述液体的表面时，在所述液体的表面上形成。在此中称为“疏水自组”的一过程中，个体石墨烯及氧化石墨烯剥片在所述液体的表面结合形成多层石墨烯及氧化石墨烯薄片。[0212]在一个实施例中，所述碳源在一热解或脱水反应中由一外部加热源直接加热，形成石墨碳及水。在一个实施例中，所述碳源为蔗糖。在一个实施例中，所形成的水起溶剂作用，以允许所述反应产物的回流。在一个实施例中，形成石墨碳的反应如同以下反应式(I):[0213]【权利要求】1.一种合成石墨烯的方法，包括:(a)回流一反应混合物，所述反应混合物包括至少一种溶剂及至少一种碳质材料，所述至少一种碳质材料在其完全燃烧被抑制的条件下促进多环芳烃形成；(b)收集由所述反应混合物的回流产生的蒸汽；(C)将所述蒸汽引导到一基体，于是石墨烯在所述基体的表面上沉积；以及(d)从所述基体的表面上重新获得石墨烯。2.如权利要求1所述的方法，其中促进多环芳烃形成的所述至少一种碳质材料包括吡喃糖、一呋喃糖、一环聚羧乙烯、一苯系物、一食糖、一食糖醇、一食糖替代物、一食糖衍生物、一环聚二甲基硅氧烷、一类固醇、一肉桂酸盐、一类苯丙烷、一苯甲酸盐、一羧酸盐、一苯并眺喃、一天然黄酮或合成黄酮或异黄酮、一水杨酸盐、一抗氧化剂、一环状抗氧化剂、4-轻基苯乙烯、花色素苷或苯并吡喃盐、一环氨基酸、一环己烷衍生物、一苯烷衍生物1，2-二羟基苯(儿茶酚)、1，3_二羟基苯(间苯二酚)、1，4-二羟基苯(对苯二酚)、一萘甲酸酯、一丙烯酸盐、一邻苯二甲酸盐、一琥珀酸盐、一酸酯、一荧光团、一药物、一磷酸盐、包括一食糖或食糖替代物两亲性物的一商业食用个人/性润滑剂组合物、一商业紫外线防晒制剂、一商业皮肤霜制剂、一商业洗手消毒液制剂、一商业人类或动物毛发护理产品、一商业染发剂制剂、一商业杀虫剂、在所述反应混合物回流期间降解成一种或多种上述添加剂(或它们的组合物)的一化合物。3.如权利要求2所述的方法，其中促进多环芳烃形成的所述至少一种碳质材料包括一化合物，所述化合物促进至少一个C1至C5烃基(一碳至五碳烃基)的形成。4.如权利要求2所述的方法，其中所述溶剂包括矿物油、水、一醇类物、甲醇、合成甲醇、乙醇、异丙醇或其组合物。5.如权利要求2所述的方法，其中所述反应混合物进一步包括至少一种补充碳源。6.如权利要求5所述的方法，其中所述补充碳源包括天然石墨、合成石墨、一种或多种多环芳烃、石墨烯、活性炭、纳米煤、“活性纳米煤”、生物炭、糖炭、煤黏液、一种或多种苯系物、萘、一醇类物、甲醇、合成甲醇、乙醇、异丙醇、食糖、蔗糖、一淀粉、纤维素、一石蜡、一乙酸盐、一种或多种非石墨烃、一烷烃、一烯烃、一炔、一酮、甲苯、汽油、柴油、煤油、煤、煤焦油、焦煤、或它们的组合物。7.如权利要求1所述的方法，其中所述基体包括一亲水基体。8.如权利要求1所述的方法，其中所述条件包括热解。9.一种生产氧化石墨烯的方法，包括:(a)回流一反应混合物，所述反应混合物包括至少一种溶剂、至少一种氧化剂及至少一种化合物，所述至少一种化合物在防止其完全燃烧变成二氧化碳或一氧化碳的条件下促进多环芳烃形成；(b)收集由所述反应混合物的回流产生的蒸汽；(C)将所述蒸汽引导到一基体，于是氧化石墨烯在所述基体的表面上沉积；以及(d)从所述基体的表面上重新获得氧化石墨烯。10.如权利要求9所述的方法，其中所述条件包括热解。11.一种用于机械系统的润滑剂组合物，包括:一基润滑剂；以及至少一种含碳添加剂，所述含碳添加剂在所述润滑剂组合物暴露于足以在其被使用的机械系统中创建局部热解条件的热量时形成在摩擦学上有效量的至少一种石墨含碳结构。12.如权利要求11所述的润滑剂组合物，其中所述含碳添加剂包括一环状分子。13.如权利要求12所述的润滑剂组合物，其中所述含碳添加剂包括一芳香族分子。14.如权利要求12所述的润滑剂组合物，其中所述含碳添加剂包括一烃(碳氢化合物)。15.如权利要求12所述的润滑剂组合物，其中所述含碳添加剂主要由碳原子、氢原子及氧原子组成。16.如权利要求12所述的润滑剂组合物，其中所述含碳添加剂包括吡喃糖、一呋喃糖、一环聚羧乙烯、一苯系物、一食糖、一食糖醇、一食糖替代物、一食糖衍生物、一环聚二甲基硅氧烷、一类固醇、一肉桂酸盐、一类苯丙烷、一苯甲酸盐、一羧酸盐、一苯并卩此喃、一天然黄酮或合成黄酮或异黄酮、一水杨酸盐、一抗氧化剂、一环状抗氧化剂、4-羟基苯乙烯、花色素苷或苯并吡喃盐、一环氨基酸、一环己烷衍生物、一苯烷衍生物1，2-二羟基苯(儿茶酚)、1，3-二羟基苯(间苯二酚)、1，4-二羟基苯(对苯二酚)、一萘甲酸酯、一丙烯酸盐、一邻苯二甲酸盐、一琥珀酸盐、一酸酯、一荧光团、一药物)、一磷酸盐、包括一食糖或食糖替代物两亲性物的一商业食用个人/性润滑剂组合物、一商业紫外线防晒制剂、一商业皮肤霜制剂、一商业洗手消毒液制剂、一商业人类或动物毛发护理产品、一商业染发剂制剂、一商业杀虫剂、在所述反应混合物回流期间降解成一种或多种上述添加剂(或它们的组合物)的一化合物。17.一种用于机械系统的润滑剂组合物，包括:一基润滑剂；以及石墨烯，其中所述石墨烯在与所述基润滑剂组合之前形成。18.如权利要求17所述的`润滑剂组合物，其中所述石墨烯通过权利要求1所述的过程形成。19.如权利要求18所述的润滑剂组合物，其中促进多环芳烃形成的所述至少一种碳质材料包括吡喃糖、一呋喃糖、一环聚羧乙烯、一苯系物、一食糖、一食糖醇、一食糖替代物、一食糖衍生物、一环聚二甲基硅氧烷、一类固醇、一肉桂酸盐、一类苯丙烷、一苯甲酸盐)、一羧酸盐、一苯并呲喃、一天然黄酮或合成黄酮或异黄酮、一水杨酸盐、一抗氧化剂、一环状抗氧化剂、4-羟基苯乙烯、花色素苷或苯并吡喃盐、一环氨基酸、一环己烷衍生物、一苯烷衍生物I,2-二羟基苯(儿茶酹)、1，3-二羟基苯(间苯二酹)、1，4-二羟基苯(对苯二酹)、一萘甲酸酯、一丙烯酸盐、一邻苯二甲酸盐、一琥珀酸盐、一酸酯、一荧光团、一药物、一磷酸盐、包括一食糖或食糖替代物两亲性物的一商业食用个人/性润滑剂组合物、一商业紫外线防晒制剂、一商业皮肤霜制剂、一商业洗手消毒液制剂、一商业人类或动物毛发护理产品、一商业染发剂制剂、一商业杀虫剂、在所述反应混合物回流期间降解成一种或多种上述添加剂(或它们的组合物)的一化合物。20.如权利要求18所述的润滑剂组合物，其中促进多环芳烃形成的所述至少一种碳质材料包括一化合物，所述化合物促进至少一个C1至C5烃基(一碳至五碳烃基)的形成。21.如权利要求18所述的润滑剂组合物，其中所述溶剂包括矿物油、水、一醇类物、甲醇、合成甲醇、乙醇、异丙醇或其组合物。22.如权利要求18所述的润滑剂组合物，其中所述反应混合物进一步包括至少一种补充碳源。23.如权利要求18所述的润滑剂组合物，其中所述补充碳源包括天然石墨、合成石墨、一种或多种多环芳烃、石墨烯、活性炭、纳米煤、“活性纳米煤”、生物炭、糖炭、煤黏液、一种或多种苯系物、萘、一醇类物、甲醇、合成甲醇、乙醇、异丙醇、食糖、蔗糖、一淀粉、纤维素、一石腊、一乙酸盐、一种或多种非石墨烃、一烧烃、一烯烃、一炔、一酮、甲苯、汽油、柴油、煤油、煤、煤焦油、焦煤、或它们的组合物。24.如权利要求18所述的润滑剂组合物，其中所述基体包括一亲水基体。25.如权利要求18所述的润滑剂组合物，其中所述条件包括热解。26.一种用于机械系统的润滑剂组合物，包括:一基润滑剂；以及氧化石墨烯，其中所述氧化石墨烯在与所述基润滑剂组合之前形成。27.如权利要求26所述的润滑剂组合物，其中所述氧化石墨烯通过权利要求9所述的过程形成。28.一种用于机械系统的润滑剂组合物，包括:一基润滑剂；以及一种或多种“巴基金刚石”(Bucky-diamonds),其中所述“巴基金刚石”(Bucky-diamonds)的其中之一包括铁或一含铁分子。29.如权利要求28所述的润滑剂组合物，其中所述至少一种“巴基金刚石”(Bucky-diamond)在所述润滑剂组合物暴露于足以创建局部热解条件的热量时，由至少一种含碳添加剂形成到所述基润滑剂。30.一种用于机械系统的润滑剂组合物，包括:一基润滑剂；以及一种或多种“巴基金刚石”(Bucky-diamonds)。31.如权利要求30所述的润滑剂组合物，其中所述至少一种“巴基金刚石”(Bucky-diamond)在所述润滑剂组合物暴露于足以在其被添加到的系统中创建局部热解条件的热量时，由至少一种含碳添加剂形成到所述基润滑剂。32.—种润滑包括至少一种带有多个粗糙实体的内摩擦表面的一机械系统的方法，所述方法包括:以包括一纳米抛光剂的一润滑剂组合物运转所述机械系统，以及将所有所述粗糙实体从所述机械系统的一内摩擦表面充分消除，其中所述润滑剂组合物包括一基润滑剂及至少一种含碳添加剂，所述至少一种含碳添加剂在所述润滑剂组合物暴露于其被使用的所述机械系统中的局部热解条件时形成至少一种纳米抛光剂。33.如权利要求32所述的方法，其中所述含碳添加剂包括一环状分子。34.如权利要求32所述的方法，其中所述含碳添加剂包括一芳香族分子。35.如权利要求32所述的方法，其中所述含碳添加剂包括一烃(碳氢化合物)。36.如权利要求32所述的方法，其中所述含碳添加剂主要由碳原子、氢原子及氧原子组成。37.如权利要求32所述的方法，进一步包括在所述纳米抛光剂已经将所有所述粗糙实体从所述内摩擦表面充分消除之后运转包含所述润滑剂组合物的所述机械系统。38.如权利要求32所述的方法，其中在所述纳米抛光剂进行抛光之后至少一个内摩擦表面的“平均粗糙度”(Ra)小于大约50nm(纳米)。39.如权利要求38所述的方法，其中在所述纳米抛光剂进行抛光之后至少一个内摩擦表面的“平均粗糙度”(Ra)小于大约5nm(纳米)。【文档编号】F16N15/02GK103534205SQ201280023584【公开日】2014年1月22日申请日期:2012年3月15日优先权日:2011年3月15日【发明者】R.S.尚克曼申请人:绝世环球有限责任公司