石墨烯的宏观润滑特性研究进展

发布时间：2024-03-11

随着社会的发展和科技的进步，航空、航天、交通、化工、运输和机械等产业领域持续蓬勃发展，但随之带来的是工业能源及原材料的大量消耗。其中，运动机构间的摩擦磨损导致的材料损耗和热量散失可引起严重的能源浪费，甚至会迟滞工业的发展，因此，亟需通过减磨降损来解决高能耗的问题。

为了研究减磨降损机理进而解决高摩擦、高磨损及高能耗问题，研制润滑材料体系及开发润滑技术显得尤为重要。石墨烯作为一种二维材料，可剥离且具有层状结构，单层石墨烯具有一定的润湿性，随着石墨烯层数的增加，多层石墨烯表面的缺陷位数增加，表面存在更多的无定形碳，会显著削弱石墨烯与水或溶剂间的H－π相互作用，从而降低润湿性，增强疏水性；同时，石墨烯碳骨架的极性较低，并且石墨烯的层数越多，其片层间的范德华力越强，进一步使得石墨烯易生成π－π共轭结构从而堆积聚集，导致其难以在水或溶剂中分散 。此外，与石墨烯平面结构类似的氧化石墨烯(GO)，其表面含有大量的功能化活性基团，如羟基、羰基、羧基、酯基及环氧基等。迄今为止， 科学工作者已经针对石墨烯及GO的摩擦学行为开展了广泛的研究。基于石墨烯及GO独特的层状结构、层间弱相互作用力和表界面特性，其可以在特定的环境下实现润滑效果；同时，类石墨烯的二维层状材料(如二硫化钼、二硫化钨、黑鳞、MXenes 等)也具备类似的润滑效果。目前，石墨烯已成为航空及机械工程领域中应用广泛的润滑材料之一。

润滑添加剂

石墨烯的π－π堆积和各层之间的范德华力，使得石墨烯具有很强的疏水性。因此，有必要对石墨烯的表面进行修饰以实现与液体的相容性。

目前， 对石墨烯表面修饰的方法主要有3种：共价键修饰、 非共价键修饰和元素掺杂。

共价键修饰主要包括碳骨架修饰、羟基修饰、羧基修饰、环氧基修饰等。共价键修饰(如羧基、羟基、环氧基改性)的石墨烯具有很强的表面化学键，但形成的共价键通常位于石墨烯六元环边缘的缺陷结构位置，会进一步破坏部分石墨烯的本征规则结构，留下一些sp3杂化碳原子；此外，共价键修饰需要进行复杂的化学反应，会使用有毒的化学试剂，危害人体健康，且污染环境。与共价修饰手段相比，石墨烯的非共价修饰不仅能更好地保留石墨烯的原始结构，而且还能在多种尺度上提供表面活性基团。

非共价键修饰主要涵盖π－π共轭作用、氢键作用、静电作用、离子键等，该方法简单方便，可以将大量的含氧基团转移到纳米片层表面，然后与活性聚合物链的官能团(如羟基、氨基、羧基等)形成非共价相互作用，从而促进活性聚合物链吸附在石墨烯纳米片层表面。蛋白质和壳聚糖等生物大分子可以通过范德华力、氢键和共轭π键等非共价作用修饰石墨烯表面，从而显著提高石墨烯的生物相容性和分散稳定性。

元素掺杂主要是将金属元素或非金属元素加入到石墨烯片层中，进而提高石墨烯表面的活性。材料学和摩擦学领域的大量研究已证实，在摩擦过程中，在接触面上会由摩擦诱导生成润滑转移物即转移膜，其摩擦机制为界面摩擦物理化学，使得表面改性的层状材料比未改性的层状材料具有更为优异的摩擦学性能。

（改性石墨烯方法）

水基环境

水作为一种绿色润滑剂，其黏度低，在摩擦过程中难以形成边界润滑膜和流体润滑膜来显著降低摩擦系数和磨损性能。将石墨烯加入水中制成均匀分散的水分散体，可以提高石墨烯的润滑能力。

在水基环境中应用时，石墨烯的润滑特性为非共价键相互作用或层间静电斥力形成的边界润 滑;当添加适量的石墨烯时，不仅可以形成油膜层，还能够大幅度提高润滑性能，其润滑机制为薄膜润滑特性。石墨烯在水基环境中的宏观润滑机制是：二维石墨烯纳米层之间不完全接触使能量难以消散，并且这些纳米层容易移动，导致摩擦系数极低。

油基环境

一般来说，石墨烯作为油基环境的润滑添加剂， 其剥离程度越高，润滑特性越好。在压力和剪切力的共同作用下，石墨烯更容易在平行于滑动边界的方向上重新排列，形成层状薄膜，从而降低摩擦系数，提高润滑性能。而剥离程度较低的多层石墨烯在摩擦过程中层状结构容易被损坏，形成结构缺陷，润滑效果降低。

石墨烯作为油基润滑剂的添加剂，其润滑机制主要包括摩擦转移层的形成、滑动滚动耦合以及补偿性自压实。通过调整控制石墨烯的剥离程度和层状结构，石墨烯可以与润滑剂基体协同作用，形成摩擦学特性得到改善的润滑系统，以进一步满足石墨烯的工程应用，为开发新型油基润滑剂提供新的设计理念。

固体润滑剂

随着航空航天和核电工业的高速发展，固体润滑剂不仅在空气环境中作用显著，而且在高真空、极低温、强辐射、超高速、超高压和超高温等恶劣的工作条件下同样发挥着重要作用。涂层部件通常只在直接接触的摩擦面的一定厚度内具有良好的摩擦学性能，而自润滑材料可以在发挥本征润滑效应的同时，还能保持基材的优良摩擦学特性，从而大大节省原材料和生产成本。因此，采用石墨烯基固体润滑剂是改善系统润滑性能的一种有效方法。

空气环境

石墨烯固体自润滑材料具有良好的减摩耐磨性能，不仅摩擦系数小，而且物化性质比较稳定。但是，石墨烯在空气中的润滑性能较差。将石墨烯通过原位生长或复合的方法沉积于硬质合金部件表面，有望弥补传统式机械加工中部件使用寿命短、加工性能差的不足。

石墨烯具有超薄的厚度、良好的减摩和耐磨性 能，是一种相对稳定的固体润滑剂。通过开发石墨烯固体润滑剂的自润滑特性，打破石墨烯本身固有结构缺陷的束缚，保持石墨烯摩擦过程中转移膜的耐久性，可以提高其在大气环境下的润滑效果。

特殊环境

在极低温、极高温或高真空环境下实现轴承与运行工况之间的润滑和动态密封，这对固体润滑材料的组成成分、表面结构和润滑性能提出了更加严苛的要求。采用传统方法生产的石墨烯不足以在恶劣的工作条件下满足运行机械部件的高要求。

控制石墨烯的多层结构及表面官能团类型是获得宏观润滑的关键之一，同时服役工况的载荷、滑移速度和环境气氛等的合理设置也十分重要。这不仅 可以促使石墨烯在复杂条件下实现理想的润滑状 态，还可以满足航空、航天、机械、核电等领域对润滑状态的要求。

总结与展望

控制石墨烯的多层结构及表面官能团类型是获得宏观润滑的关键之一，同时服役工况的载荷、滑移速度和环境气氛等的合理设置也十分重要。这不仅可以促使石墨烯在复杂条件下实现理想的润滑状态，还可以满足航空、航天、机械、核电等领域对润滑状态的要求。

信息来源：石墨烯研究院

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