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石墨烯的宏觀潤(rùn)滑特性研究進(jìn)展

2024-03-11

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，航空、航天、交通、化工、運(yùn)輸和機(jī)械等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域持續(xù)蓬勃發(fā)展，但隨之帶來(lái)的是工業(yè)能源及原材料的大量消耗。其中，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)間的摩擦磨損導(dǎo)致的材料損耗和熱量散失可引起嚴(yán)重的能源浪費(fèi)，甚至?xí)t滯工業(yè)的發(fā)展，因此，亟需通過(guò)減磨降損來(lái)解決高能耗的問(wèn)題。

為了研究減磨降損機(jī)理進(jìn)而解決高摩擦、高磨損及高能耗問(wèn)題，研制潤(rùn)滑材料體系及開(kāi)發(fā)潤(rùn)滑技術(shù)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(jié)構(gòu)，單層石墨烯具有一定的潤(rùn)濕性，隨著石墨烯層數(shù)的增加，多層石墨烯表面的缺陷位數(shù)增加，表面存在更多的無(wú)定形碳，會(huì)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(rùn)濕性，增強(qiáng)疏水性；同時(shí)，石墨烯碳骨架的極性較低，并且石墨烯的層數(shù)越多，其片層間的范德華力越強(qiáng)，進(jìn)一步使得石墨烯易生成π－π共軛結(jié)構(gòu)從而堆積聚集，導(dǎo)致其難以在水或溶劑中分散。此外，與石墨烯平面結(jié)構(gòu)類似的氧化石墨烯(GO)，其表面含有大量的功能化活性基團(tuán)，如羥基、羰基、羧基、酯基及環(huán)氧基等。迄今為止，科學(xué)工作者已經(jīng)針對(duì)石墨烯及GO的摩擦學(xué)行為開(kāi)展了廣泛的研究?；谑┘癎O獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)、層間弱相互作用力和表界面特性，其可以在特定的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑效果；同時(shí)，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(rùn)滑效果。目前，石墨烯已成為航空及機(jī)械工程領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的潤(rùn)滑材料之一。

潤(rùn)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(qiáng)的疏水性。因此，有必要對(duì)石墨烯的表面進(jìn)行修飾以實(shí)現(xiàn)與液體的相容性。

目前，對(duì)石墨烯表面修飾的方法主要有3種：共價(jià)鍵修飾、非共價(jià)鍵修飾和元素?fù)诫s。

共價(jià)鍵修飾主要包括碳骨架修飾、羥基修飾、羧基修飾、環(huán)氧基修飾等。共價(jià)鍵修飾(如羧基、羥基、環(huán)氧基改性)的石墨烯具有很強(qiáng)的表面化學(xué)鍵，但形成的共價(jià)鍵通常位于石墨烯六元環(huán)邊緣的缺陷結(jié)構(gòu)位置，會(huì)進(jìn)一步破壞部分石墨烯的本征規(guī)則結(jié)構(gòu)，留下一些sp3雜化碳原子；此外，共價(jià)鍵修飾需要進(jìn)行復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，會(huì)使用有毒的化學(xué)試劑，危害人體健康，且污染環(huán)境。與共價(jià)修飾手段相比，石墨烯的非共價(jià)修飾不僅能更好地保留石墨烯的原始結(jié)構(gòu)，而且還能在多種尺度上提供表面活性基團(tuán)。

非共價(jià)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(jiǎn)單方便，可以將大量的含氧基團(tuán)轉(zhuǎn)移到納米片層表面，然后與活性聚合物鏈的官能團(tuán)(如羥基、氨基、羧基等)形成非共價(jià)相互作用，從而促進(jìn)活性聚合物鏈吸附在石墨烯納米片層表面。蛋白質(zhì)和殼聚糖等生物大分子可以通過(guò)范德華力、氫鍵和共軛π鍵等非共價(jià)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(wěn)定性。

元素?fù)诫s主要是將金屬元素或非金屬元素加入到石墨烯片層中，進(jìn)而提高石墨烯表面的活性。材料學(xué)和摩擦學(xué)領(lǐng)域的大量研究已證實(shí)，在摩擦過(guò)程中，在接觸面上會(huì)由摩擦誘導(dǎo)生成潤(rùn)滑轉(zhuǎn)移物即轉(zhuǎn)移膜，其摩擦機(jī)制為界面摩擦物理化學(xué)，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(yōu)異的摩擦學(xué)性能。

（改性石墨烯方法）

水基環(huán)境

水作為一種綠色潤(rùn)滑劑，其黏度低，在摩擦過(guò)程中難以形成邊界潤(rùn)滑膜和流體潤(rùn)滑膜來(lái)顯著降低摩擦系數(shù)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(rùn)滑能力。

在水基環(huán)境中應(yīng)用時(shí)，石墨烯的潤(rùn)滑特性為非共價(jià)鍵相互作用或?qū)娱g靜電斥力形成的邊界潤(rùn) 滑;當(dāng)添加適量的石墨烯時(shí)，不僅可以形成油膜層，還能夠大幅度提高潤(rùn)滑性能，其潤(rùn)滑機(jī)制為薄膜潤(rùn)滑特性。石墨烯在水基環(huán)境中的宏觀潤(rùn)滑機(jī)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(dòng)，導(dǎo)致摩擦系數(shù)極低。

油基環(huán)境

一般來(lái)說(shuō)，石墨烯作為油基環(huán)境的潤(rùn)滑添加劑，其剝離程度越高，潤(rùn)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(dòng)邊界的方向上重新排列，形成層狀薄膜，從而降低摩擦系數(shù)，提高潤(rùn)滑性能。而剝離程度較低的多層石墨烯在摩擦過(guò)程中層狀結(jié)構(gòu)容易被損壞，形成結(jié)構(gòu)缺陷，潤(rùn)滑效果降低。

石墨烯作為油基潤(rùn)滑劑的添加劑，其潤(rùn)滑機(jī)制主要包括摩擦轉(zhuǎn)移層的形成、滑動(dòng)滾動(dòng)耦合以及補(bǔ)償性自壓實(shí)。通過(guò)調(diào)整控制石墨烯的剝離程度和層狀結(jié)構(gòu)，石墨烯可以與潤(rùn)滑劑基體協(xié)同作用，形成摩擦學(xué)特性得到改善的潤(rùn)滑系統(tǒng)，以進(jìn)一步滿足石墨烯的工程應(yīng)用，為開(kāi)發(fā)新型油基潤(rùn)滑劑提供新的設(shè)計(jì)理念。

固體潤(rùn)滑劑

隨著航空航天和核電工業(yè)的高速發(fā)展，固體潤(rùn)滑劑不僅在空氣環(huán)境中作用顯著，而且在高真空、極低溫、強(qiáng)輻射、超高速、超高壓和超高溫等惡劣的工作條件下同樣發(fā)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(nèi)具有良好的摩擦學(xué)性能，而自潤(rùn)滑材料可以在發(fā)揮本征潤(rùn)滑效應(yīng)的同時(shí)，還能保持基材的優(yōu)良摩擦學(xué)特性，從而大大節(jié)省原材料和生產(chǎn)成本。因此，采用石墨烯基固體潤(rùn)滑劑是改善系統(tǒng)潤(rùn)滑性能的一種有效方法。

空氣環(huán)境

石墨烯固體自潤(rùn)滑材料具有良好的減摩耐磨性能，不僅摩擦系數(shù)小，而且物化性質(zhì)比較穩(wěn)定。但是，石墨烯在空氣中的潤(rùn)滑性能較差。將石墨烯通過(guò)原位生長(zhǎng)或復(fù)合的方法沉積于硬質(zhì)合金部件表面，有望彌補(bǔ)傳統(tǒng)式機(jī)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(duì)穩(wěn)定的固體潤(rùn)滑劑。通過(guò)開(kāi)發(fā)石墨烯固體潤(rùn)滑劑的自潤(rùn)滑特性，打破石墨烯本身固有結(jié)構(gòu)缺陷的束縛，保持石墨烯摩擦過(guò)程中轉(zhuǎn)移膜的耐久性，可以提高其在大氣環(huán)境下的潤(rùn)滑效果。

特殊環(huán)境

在極低溫、極高溫或高真空環(huán)境下實(shí)現(xiàn)軸承與運(yùn)行工況之間的潤(rùn)滑和動(dòng)態(tài)密封，這對(duì)固體潤(rùn)滑材料的組成成分、表面結(jié)構(gòu)和潤(rùn)滑性能提出了更加嚴(yán)苛的要求。采用傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的石墨烯不足以在惡劣的工作條件下滿足運(yùn)行機(jī)械部件的高要求。

控制石墨烯的多層結(jié)構(gòu)及表面官能團(tuán)類型是獲得宏觀潤(rùn)滑的關(guān)鍵之一，同時(shí)服役工況的載荷、滑移速度和環(huán)境氣氛等的合理設(shè)置也十分重要。這不僅可以促使石墨烯在復(fù)雜條件下實(shí)現(xiàn)理想的潤(rùn)滑狀態(tài)，還可以滿足航空、航天、機(jī)械、核電等領(lǐng)域?qū)?rùn)滑狀態(tài)的要求。

總結(jié)與展望

信息來(lái)源：石墨烯研究院

（版權(quán)歸原作者或機(jī)構(gòu)所有）