石墨烯應(yīng)用于潤滑添加劑,分散是關(guān)鍵!

1、 國際先進(jìn)納米材料制造商和技術(shù)服務(wù)商 石墨烯應(yīng)用于潤滑添加劑，分散是關(guān)鍵！石墨烯具有超薄的片層結(jié)構(gòu)（易進(jìn)入摩擦接觸面）、優(yōu)異的力學(xué)性能和自潤滑性，這些特性使其在潤滑添加劑方面的應(yīng)用研究受到關(guān)注，大量研究發(fā)現(xiàn)適量的石墨烯作為潤滑添加劑不僅可以減少摩擦系數(shù)，而且能通過摩擦吸附膜的形式顯著提高潤滑劑的承載抗磨性能。但石墨烯在潤滑油和水中容易產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，從而影響了其在潤滑油和水等溶劑中的分散穩(wěn)定性。目前，解決石墨烯在潤滑油和水等溶劑中的分散穩(wěn)定性的方法主要有種，一種是添加分散劑，利用分散劑的分散作用，使石墨烯均勻穩(wěn)定地分散在溶劑中，但分散劑有時(shí)會(huì)影響石墨烯摩擦學(xué)性能的發(fā)揮；另一種是將石墨烯進(jìn)行功能化

2、修飾，增加石墨烯在溶劑中的分散穩(wěn)定性，其關(guān)鍵是功能化分子的選擇。1、油基潤滑添加劑張永康利用肼還原氧化石墨烯制備了石墨烯，研究發(fā)現(xiàn)石墨烯能均勻分散在潤滑油中，并使油膜厚度增加，潤滑油的承載能力得以提高；同時(shí)，由于石墨烯片層間極小的剪切力，使其在滑動(dòng)過程中容易在摩擦副表面形成轉(zhuǎn)移膜，從而避免摩擦配副之間的直接接觸，因而摩擦配副的摩擦系數(shù)和磨損率明顯降低。其中石墨烯添加量為0.3時(shí)，摩擦系數(shù)低，約為0.043。張偉等運(yùn)用SRV試驗(yàn)機(jī)對(duì)比研究了150SN基礎(chǔ)油和添加石墨烯的150SN潤滑油的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)150SN基礎(chǔ)油不能完成在設(shè)定條件下的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，而添加石墨烯的潤滑油可以順利完成摩擦磨損實(shí)

3、驗(yàn)。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001時(shí)，添加石墨烯潤滑油的摩擦系數(shù)較為穩(wěn)定；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005，添加石墨烯的潤滑油的摩擦系數(shù)變得很不穩(wěn)定。其主要原因是石墨烯容易附著于摩擦副表面，形成一層低剪切力的薄膜，但當(dāng)石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過某一臨界值時(shí)，基礎(chǔ)油在摩擦副表面生成的油膜破損快于形成，導(dǎo)致摩擦系數(shù)不穩(wěn)定。arrl 等研究了添加超薄石墨烯（集中太陽能放射技術(shù)制備）的潤滑油的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)石墨烯濃度為0.025 時(shí)，其承載能力達(dá)到很高，約為935，摩擦系數(shù)和磨痕直徑分別減小了80和33。Zhang等研究了油酸改性石墨烯調(diào)配的聚烯烴潤滑油的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)改性石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02時(shí)，摩擦系數(shù)減小17；

4、而質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06時(shí)，磨斑直徑減小14。Choudhary等制備了烷基胺共價(jià)改性氧化石墨烯，這種氧化石墨烯極易分散在非極性有機(jī)溶劑（尤其是脂肪烴類溶劑）中，其中對(duì)添加硬脂胺改性的石墨烯配制的正十六烷潤滑油的摩擦學(xué)性能研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)添加濃度為0.06，正十六烷潤滑劑的摩擦系數(shù)和磨斑直徑分別減小26 和9。Senatore等研究了氧化石墨烯納米片在礦物潤滑油中（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.1），在不同赫茲接觸應(yīng)力、不同溫度和速率下的摩擦磨損變化情況，發(fā)現(xiàn)在所有潤滑域（邊界潤滑，混合潤滑到彈流潤滑域）氧化石墨烯均能使基礎(chǔ)潤滑油的摩擦系數(shù)降低（平均降低20），同時(shí)使摩擦副從邊界潤滑，混合潤滑到彈流潤，其磨斑直徑分

5、別減小12、27和30。Lin等利用油酸和硬脂酸的回流反應(yīng)對(duì)石墨烯片進(jìn)行了改性修飾，改性修飾后的石墨烯可以均勻且穩(wěn)定地分散在潤滑油中，四球摩擦磨損試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其磨損速率和平均摩擦系數(shù)隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長而平穩(wěn)增大，且均低于同等條件下添加天然鱗片石墨的潤滑油和基礎(chǔ)潤滑油的磨損速率和平均摩擦系數(shù)，進(jìn)一步的研究還發(fā)現(xiàn)當(dāng)改性石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.075時(shí)，其無卡咬負(fù)荷PB很高，為627.2。盡管石墨烯和氧化石墨烯作為潤滑添加劑能改善基礎(chǔ)也的摩擦學(xué)性能，但有時(shí)存在易團(tuán)聚的缺點(diǎn)。在石墨烯表面負(fù)載納米粒子不僅可以有效抑制（氧化）石墨烯團(tuán)聚，而且納米粒子修飾的石墨烯既能保持石墨烯和納米粒子的原有性能，又能產(chǎn)生良好的協(xié)

6、同效應(yīng)。Song等利用簡(jiǎn)單水解和高溫煅燒，使-Fe2O3表面的羧基與Fe形成單配位或雙配位絡(luò)合物，該絡(luò)合物再與表面的羧基發(fā)生配位反應(yīng)，從而制備了-Fe2O3復(fù)合納米潤滑添加劑，研究發(fā)現(xiàn)-Fe2O3在表面的均勻沉積，抑制了氧化石墨烯的二次團(tuán)聚。當(dāng)Fe2O3復(fù)合納米潤滑添加劑添加到液體石蠟基礎(chǔ)油中，相較于-Fe2O3、氧化石墨烯及其物理混合物，-Fe2O3復(fù)合納米潤滑添加劑不僅在摩擦表面形成潤滑膜，而且表面負(fù)載的-Fe2O3納米粒子能夠引起兩接觸面的滾動(dòng)效應(yīng)，將滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，提高了其承載能力，降低了其摩擦磨損。其中，復(fù)合納米潤滑添加劑質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.5時(shí)，其減摩抗磨性能最優(yōu)，如圖所示。李雪

7、珊通過還原法制備了Cu/石墨烯復(fù)合納米潤滑添加劑，相較于納米銅粉、石墨烯及石墨烯與納米銅粉物理混合物，Cu-GN復(fù)合納米潤滑添加劑具有更好的抗磨性能。當(dāng)Cu-GN復(fù)合納米潤滑添加劑和span-80（山梨醇脂肪酸酯）按的比例分散在號(hào)航空液壓油中，發(fā)現(xiàn)Cu-GN復(fù)合納米潤滑添加劑質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.0050.03時(shí)，其無卡咬負(fù)荷PB與基礎(chǔ)油相比提高50。其主要原因是石墨烯可以進(jìn)入和沉積在摩擦接觸表面，并在摩擦剪切力的作用下，石墨烯層與層之間發(fā)生分離，并形成一層薄薄的固體物理吸附膜，避免了兩個(gè)摩擦副的直接接觸，而石墨烯片層表面負(fù)載大量的均勻分散的球形納米銅粒子，可以填充工作表面的微坑和損壞部位，起到修復(fù)

8、作用。2、水基潤滑添加劑Song等采用改進(jìn)的Hummers方法制備了氧化石墨烯納米片，這種氧化石墨烯納米片不需任何分散劑或改性劑，就能在水中穩(wěn)定分散。摩擦學(xué)性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種氧化石墨烯添加劑能明顯提高水的減摩抗磨性能，且性能優(yōu)于氧化碳納米管，如在60的高載下，0.1的氧化石墨烯水溶液的摩擦系數(shù)和磨痕寬度僅為0.5氧化碳納米管水溶液的67和55。Liu等對(duì)比研究了氧化石墨烯和改性納米金剛石顆粒作為水潤滑添加劑的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)由于氧化石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)和適當(dāng)尺寸，其作為純水添加劑時(shí)，使Si3N4Al2O3陶瓷摩擦副的摩擦跑合期由純水潤滑時(shí)的2000縮短到250。與改性納米金剛石顆粒比較，氧化石墨烯使

9、Si3N4Al2O3陶瓷摩擦副的摩擦系數(shù)顯著降低，摩擦磨損試驗(yàn)初始跑合階段的平均摩擦系數(shù)由0.6降低至0.1，當(dāng)進(jìn)入到穩(wěn)態(tài)磨損階段，其摩擦系數(shù)進(jìn)一步減小至0.01。王立平團(tuán)隊(duì)對(duì)類金剛石離子液體石墨烯復(fù)合空間潤滑材料的摩擦學(xué)性能研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石墨烯濃度為0.075時(shí)，復(fù)合空間潤滑材料的磨損率為6.61×10-9mm3 （·），摩擦系數(shù)為0.037，其中磨損率較類金剛石離子液體降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，摩擦系數(shù)約降低50。崔慶生研究了在不同載荷作用下，石墨烯和氧化石墨烯水分散體系的減摩抗磨性能，發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)，石墨烯和氧化石墨烯水分散體系的減摩抗磨性能均有明顯改善。如載荷15時(shí)，石墨烯水

10、分散體系的摩擦系數(shù)和磨損體積與純水相比，分別降低22和21.3，氧化石墨烯水分散體系的摩擦系數(shù)和磨損體積分別降低45和23.7。總結(jié)和展望石墨烯以其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和豐富而新奇的性能，以及廣泛的應(yīng)用前景，成為備受關(guān)注和矚目的研究前沿和熱點(diǎn)。石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)熱性能和減摩抗磨性能以及化學(xué)惰性，使其非常適合作為高效、綠色的潤滑添加劑，賦予潤滑劑優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，石墨烯已成為潛在的高性能納米潤滑材料。但石墨烯難以穩(wěn)定分散于潤滑劑中的特性，使其應(yīng)用受限。因此，必須對(duì)石墨烯進(jìn)行功能化修飾，研究人員也在這方面開展了積極而有效的工作。但石墨烯的功能化修飾方面的研究還不成熟，對(duì)各種功能化的方法和效果還缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，如何根據(jù)實(shí)際需求對(duì)石墨烯進(jìn)行預(yù)期和可控的功能化修飾，以及功能化修飾與其摩擦學(xué)性能的內(nèi)在聯(lián)系，需要在以下幾個(gè)方面開展深入的研究工作。（）石墨烯的可控功能化修飾與分散穩(wěn)定調(diào)控機(jī)理，以及功能化修飾與其摩擦學(xué)性能的內(nèi)在聯(lián)系。（）不同層數(shù)石墨烯潤滑添加劑的摩擦學(xué)性能，與潤滑劑之間的摩擦化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，以及在摩擦副表面上形成摩擦化學(xué)反應(yīng)膜和轉(zhuǎn)移膜的物理化學(xué)變化。（）石墨烯負(fù)載納米粒子功能化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、途徑控制