石墨烯的宏觀潤滑特性研究進展
2024-03-11
隨著社會的發展和科技的進步，航空、航天、交通、化工、運輸和機械等產業領域持續蓬勃發展，但隨之帶來的是工業能源及原材料的大量消耗。其中，運動機構間的摩擦磨損導致的材料損耗和熱量散失可引起嚴重的能源浪費，甚至會遲滯工業的發展，因此，亟需通過減磨降損來解決高能耗的問題。
為了研究減磨降損機理進而解決高摩擦、高磨損及高能耗問題，研制潤滑材料體系及開發潤滑技術顯得尤為重要。石墨烯作為一種二維材料，可剝離且具有層狀結構，單層石墨烯具有一定的潤濕性，隨著石墨烯層數的增加，多層石墨烯表面的缺陷位數增加，表面存在更多的無定形碳，會顯著削弱石墨烯與水或溶劑間的H－π相互作用，從而降低潤濕性，增強疏水性；同時，石墨烯碳骨架的極性較低，并且石墨烯的層數越多，其片層間的范德華力越強，進一步使得石墨烯易生成π－π共軛結構從而堆積聚集，導致其難以在水或溶劑中分散 。此外，與石墨烯平面結構類似的氧化石墨烯(GO)，其表面含有大量的功能化活性基團，如羥基、羰基、羧基、酯基及環氧基等。迄今為止， 科學工作者已經針對石墨烯及GO的摩擦學行為開展了廣泛的研究。基于石墨烯及GO獨特的層狀結構、層間弱相互作用力和表界面特性，其可以在特定的環境下實現潤滑效果；同時，類石墨烯的二維層狀材料(如二硫化鉬、二硫化鎢、黑鱗、MXenes 等)也具備類似的潤滑效果。目前，石墨烯已成為航空及機械工程領域中應用廣泛的潤滑材料之一。
潤滑添加劑
石墨烯的π－π堆積和各層之間的范德華力，使得石墨烯具有很強的疏水性。因此，有必要對石墨烯的表面進行修飾以實現與液體的相容性。
目前， 對石墨烯表面修飾的方法主要有3種：共價鍵修飾、 非共價鍵修飾和元素摻雜。
共價鍵修飾主要包括碳骨架修飾、羥基修飾、羧基修飾、環氧基修飾等。共價鍵修飾(如羧基、羥基、環氧基改性)的石墨烯具有很強的表面化學鍵，但形成的共價鍵通常位于石墨烯六元環邊緣的缺陷結構位置，會進一步破壞部分石墨烯的本征規則結構，留下一些sp3雜化碳原子；此外，共價鍵修飾需要進行復雜的化學反應，會使用有毒的化學試劑，危害人體健康，且污染環境。與共價修飾手段相比，石墨烯的非共價修飾不僅能更好地保留石墨烯的原始結構，而且還能在多種尺度上提供表面活性基團。
非共價鍵修飾主要涵蓋π－π共軛作用、氫鍵作用、靜電作用、離子鍵等，該方法簡單方便，可以將大量的含氧基團轉移到納米片層表面，然后與活性聚合物鏈的官能團(如羥基、氨基、羧基等)形成非共價相互作用，從而促進活性聚合物鏈吸附在石墨烯納米片層表面。蛋白質和殼聚糖等生物大分子可以通過范德華力、氫鍵和共軛π鍵等非共價作用修飾石墨烯表面，從而顯著提高石墨烯的生物相容性和分散穩定性。
元素摻雜主要是將金屬元素或非金屬元素加入到石墨烯片層中，進而提高石墨烯表面的活性。材料學和摩擦學領域的大量研究已證實，在摩擦過程中，在接觸面上會由摩擦誘導生成潤滑轉移物即轉移膜，其摩擦機制為界面摩擦物理化學，使得表面改性的層狀材料比未改性的層狀材料具有更為優異的摩擦學性能。
（改性石墨烯方法）
水基環境
水作為一種綠色潤滑劑，其黏度低，在摩擦過程中難以形成邊界潤滑膜和流體潤滑膜來顯著降低摩擦系數和磨損性能。將石墨烯加入水中制成均勻分散的水分散體，可以提高石墨烯的潤滑能力。
在水基環境中應用時，石墨烯的潤滑特性為非共價鍵相互作用或層間靜電斥力形成的邊界潤 滑;當添加適量的石墨烯時，不僅可以形成油膜層，還能夠大幅度提高潤滑性能，其潤滑機制為薄膜潤滑特性。石墨烯在水基環境中的宏觀潤滑機制是：二維石墨烯納米層之間不完全接觸使能量難以消散，并且這些納米層容易移動，導致摩擦系數極低。
油基環境
一般來說，石墨烯作為油基環境的潤滑添加劑， 其剝離程度越高，潤滑特性越好。在壓力和剪切力的共同作用下，石墨烯更容易在平行于滑動邊界的方向上重新排列，形成層狀薄膜，從而降低摩擦系數，提高潤滑性能。而剝離程度較低的多層石墨烯在摩擦過程中層狀結構容易被損壞，形成結構缺陷，潤滑效果降低。
石墨烯作為油基潤滑劑的添加劑，其潤滑機制主要包括摩擦轉移層的形成、滑動滾動耦合以及補償性自壓實。通過調整控制石墨烯的剝離程度和層狀結構，石墨烯可以與潤滑劑基體協同作用，形成摩擦學特性得到改善的潤滑系統，以進一步滿足石墨烯的工程應用，為開發新型油基潤滑劑提供新的設計理念。
固體潤滑劑
隨著航空航天和核電工業的高速發展，固體潤滑劑不僅在空氣環境中作用顯著，而且在高真空、極低溫、強輻射、超高速、超高壓和超高溫等惡劣的工作條件下同樣發揮著重要作用。涂層部件通常只在直接接觸的摩擦面的一定厚度內具有良好的摩擦學性能，而自潤滑材料可以在發揮本征潤滑效應的同時，還能保持基材的優良摩擦學特性，從而大大節省原材料和生產成本。因此，采用石墨烯基固體潤滑劑是改善系統潤滑性能的一種有效方法。
空氣環境
石墨烯固體自潤滑材料具有良好的減摩耐磨性能，不僅摩擦系數小，而且物化性質比較穩定。但是，石墨烯在空氣中的潤滑性能較差。將石墨烯通過原位生長或復合的方法沉積于硬質合金部件表面，有望彌補傳統式機械加工中部件使用壽命短、加工性能差的不足。
石墨烯具有超薄的厚度、良好的減摩和耐磨性 能，是一種相對穩定的固體潤滑劑。通過開發石墨烯固體潤滑劑的自潤滑特性，打破石墨烯本身固有結構缺陷的束縛，保持石墨烯摩擦過程中轉移膜的耐久性，可以提高其在大氣環境下的潤滑效果。
特殊環境
在極低溫、極高溫或高真空環境下實現軸承與運行工況之間的潤滑和動態密封，這對固體潤滑材料的組成成分、表面結構和潤滑性能提出了更加嚴苛的要求。采用傳統方法生產的石墨烯不足以在惡劣的工作條件下滿足運行機械部件的高要求。
控制石墨烯的多層結構及表面官能團類型是獲得宏觀潤滑的關鍵之一，同時服役工況的載荷、滑移速度和環境氣氛等的合理設置也十分重要。這不僅 可以促使石墨烯在復雜條件下實現理想的潤滑狀 態，還可以滿足航空、航天、機械、核電等領域對潤滑狀態的要求。
總結與展望
控制石墨烯的多層結構及表面官能團類型是獲得宏觀潤滑的關鍵之一，同時服役工況的載荷、滑移速度和環境氣氛等的合理設置也十分重要。這不僅可以促使石墨烯在復雜條件下實現理想的潤滑狀態，還可以滿足航空、航天、機械、核電等領域對潤滑狀態的要求。
信息來源：石墨烯研究院
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