隨著科技的飛速發(fā)展以及機(jī)械制造技術(shù)的日益提高，各行業(yè)領(lǐng)域設(shè)備都出現(xiàn)了高速、重載的工作狀態(tài)，摩擦和磨損也成為業(yè)內(nèi)人士遇到的最普遍的問(wèn)題之一。因此，人們對(duì)潤(rùn)滑油的高溫承載能力以及減摩抗磨性能提出了更高的要求，而以石墨烯為代表的新一代碳納米潤(rùn)滑復(fù)合材料也逐漸成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。

    1 石墨烯的納米摩擦性能

    1.1石墨烯的層間滑動(dòng)摩擦

    國(guó)際上一些科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)原子力顯微鏡/摩擦力顯微鏡（AFM/FFM）試驗(yàn)，以及第一性原理、分子動(dòng)力學(xué)和有限元計(jì)算對(duì)石墨烯的表面黏著、納米摩擦和磨損性能開(kāi)展了深入的研究工作。

    理論研究發(fā)現(xiàn)石墨烯層間的納米摩擦力主要取決于石墨烯層間的晶格公度性（錯(cuò)配角度）；其中，非公度（晶格失配）形式堆垛的石墨烯的層間滑動(dòng)摩擦力非常小，甚至出現(xiàn)超低摩擦（超潤(rùn)滑）[1]。

    另外除了堆垛形式、相對(duì)滑動(dòng)方向、尺寸、缺陷和層間距以外，石墨烯的層數(shù)也顯著影響石墨烯層間的摩擦力，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)單層石墨烯的摩擦力相對(duì)較高，且表現(xiàn)出黏－滑特征；而多層石墨烯的摩擦力很低，且非常穩(wěn)定。

    1.2石墨烯表面滑動(dòng)摩擦

    除了針對(duì)石墨烯層間的滑動(dòng)摩擦力，更多的研究考察了探針在石墨烯表面滑動(dòng)時(shí)的納米摩擦力。目前，石墨烯表面納米摩擦力隨其層數(shù)變化的摩擦機(jī)理主要包括電子－聲子耦合機(jī)理、面外折皺機(jī)理、彈性變形的能量耗散機(jī)理、剪切變形機(jī)理4個(gè)方面。

    1.2.1電子－聲子耦合機(jī)理[1]

    研究表明，SiC表面外延生長(zhǎng)的單/雙層石墨烯膜的原子黏－滑特性、晶格取向和表面接觸勢(shì)（橫向接觸剛度）都相同，但在各種試驗(yàn)參數(shù)下（載荷、偏壓、探針尖材料），外延生長(zhǎng)的單層石墨烯膜的摩擦力是雙層石墨烯膜的兩倍。

    其原理為外延生長(zhǎng)的單層石墨烯膜，電子－聲子耦合產(chǎn)生的電子激勵(lì)能夠有效地阻尼晶格振動(dòng)，從而只能通過(guò)電子激勵(lì)耗散大部分能量；而外延生長(zhǎng)的雙層石墨烯膜的電子－聲子耦合幾乎消失，因而未受阻尼的晶格振動(dòng)增加了能量耗散，從而使其比單層石墨烯膜具有更低的表面摩擦力。

    1.2.2面外折皺機(jī)理

    現(xiàn)機(jī)械剝落的石墨烯的摩擦力與石墨烯－基底間的結(jié)合狀態(tài)緊密相關(guān)。

    ①基底弱結(jié)合或自支撐的石墨烯表面的摩擦力隨石墨烯層數(shù)的增加而減少，且不受FFM探針掃描速率，施加載荷和探針尖材料的影響，當(dāng)石墨烯層數(shù)增加至5層時(shí)，達(dá)到與塊體石墨相似的固體潤(rùn)滑性能[2]。

    ②強(qiáng)結(jié)合在基底表面的石烯的摩擦學(xué)性能不受層數(shù)的影響，并具有與塊體石墨相似的摩擦性能。這是因?yàn)槭┡c基底間的強(qiáng)結(jié)合抑制了石墨烯固有的表面波紋，并顯著減小了折皺效應(yīng)。

    1.2.3彈性變形的能量耗散機(jī)理

    耗散機(jī)理如下：當(dāng)探針掃描時(shí)，針尖后部的石墨烯原子向上移動(dòng)，而針尖前部的石墨烯原子向下運(yùn)動(dòng)，雖然變形能的凈變化為零，但石墨烯原子的彈性位移所產(chǎn)生的原子動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝?dòng)[2]，發(fā)生能量耗散。

    1.2.4剪切變形機(jī)理

    研究發(fā)現(xiàn)掃描探針在石墨烯表面的黏－滑運(yùn)動(dòng)使底層產(chǎn)生了周期性的剪切位移－恢復(fù)現(xiàn)象[3]。石墨烯膜越厚，其表層處于更長(zhǎng)的黏著相，即剪切位移越大，而對(duì)于更薄的石墨烯膜，強(qiáng)的恢復(fù)力使表層快速縮回，探針迅速跳至下一個(gè)最小勢(shì)能位，從而產(chǎn)生更小的摩擦力，因此單層石墨烯的表面摩擦力最小。

    2 石墨烯潤(rùn)滑材料摩擦機(jī)理

    石墨烯具有特殊的二維納米層狀結(jié)構(gòu)、高的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)熱性，并且是碳質(zhì)固體潤(rùn)滑材料的基本結(jié)構(gòu)單元。實(shí)驗(yàn)研究表明，隨著石墨烯的添加，石墨烯不斷覆蓋在摩擦副表面，摩擦副表面的粗糙度被石墨烯表面的粗糙度所替代，所以潤(rùn)滑機(jī)理逐漸趨向薄膜潤(rùn)滑，潤(rùn)滑油力學(xué)性能有所提高[4]。

    當(dāng)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增加時(shí)，石墨烯在摩擦副表面堆積，阻斷潤(rùn)滑油膜的形成，潤(rùn)滑油的摩擦性能反而下降。

石墨烯納米添加劑摩擦機(jī)理示意圖

    綜合考慮干摩擦與薄膜潤(rùn)滑機(jī)理，當(dāng)只有潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油工作時(shí)，其潤(rùn)滑處于臨界狀態(tài)，同時(shí)存在干摩擦與薄膜潤(rùn)滑；當(dāng)有適當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石墨烯參與潤(rùn)滑時(shí)，薄膜潤(rùn)滑占主導(dǎo)地位，摩擦因子較低；當(dāng)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，石墨烯間的干摩擦作用凸顯，且逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，摩擦因子不斷上升[4]。

    2.1石墨烯納米薄膜的摩擦學(xué)性能

    石墨烯本身具備的自潤(rùn)滑性能使其可用于制備石墨烯潤(rùn)滑膜。采用機(jī)械剝落法可制備由數(shù)層碳原子基平面構(gòu)成的多層石墨烯膜，其表面表現(xiàn)出比裸露的Si表面更小的摩擦力[5]，而磨損機(jī)理可認(rèn)為是內(nèi)層碳原子之間化學(xué)鍵的破壞和石墨烯膜表面的修剪造成的。

    研究表明，較裸露的銅箱而言，石墨烯沉積的銅薄膜具有更高的接觸角和更低的摩擦系數(shù)，可用作高性能潤(rùn)滑膜[6]。此外，也可以通過(guò)原位還原法和組裝法將石墨烯潤(rùn)滑膜添加到不同的基底上，發(fā)揮其優(yōu)異的摩擦性能。

    2.2石墨烯潤(rùn)滑油添加劑

    從氧化石墨中剝離出高度去氧化的超薄石墨烯，然后通過(guò)超聲分散法將石墨烯均勻分散在原油中制備出潤(rùn)滑油。當(dāng)石墨烯的質(zhì)量濃度為0.025mg/mL時(shí)，其摩擦系數(shù)和磨痕直徑[6]分別減小了80%和33%。采用硬脂酸和油酸對(duì)石墨烯片進(jìn)行改性。并將改性石墨烯添加進(jìn)潤(rùn)滑油中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)改性石墨烯添加量為0.075%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，潤(rùn)滑劑的減磨耐磨性能達(dá)到最好。

    由于改性石墨烯能引起兩接觸面的滾動(dòng)效應(yīng)，并在摩擦表面形成潤(rùn)滑膜，從而使?jié)櫥湍湍バ缘玫教岣摺Ｊ┰谟突{米流體中的優(yōu)異耐磨性主要?dú)w因于其極大的機(jī)械強(qiáng)度和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

  3 石墨烯納米潤(rùn)滑材料的潛力

    目前的潤(rùn)滑油市場(chǎng)中，傳統(tǒng)潤(rùn)滑油依然占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于其潤(rùn)滑能力有限以及添加含硫、磷、氯等元素的添加劑對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)今的工作需求。而石墨烯因納米材料具有減摩抗磨機(jī)理[7]且不含有污染元素而成為了潛在的高性能納米潤(rùn)滑材料。

    （1）碳納米潤(rùn)滑油添加劑[8]粒徑小，在基礎(chǔ)油中分散均勻，并可以填充摩擦副表面的劃痕，起到修復(fù)作用；而且納米顆粒以膠體的形式分散在油中，不易形成堵塞。

    （2）石墨烯具有原子薄的厚度和低剪切強(qiáng)度的層狀結(jié)構(gòu)，作為各種材質(zhì)微納器件的抗黏、減摩防護(hù)薄膜，單層、三層及多層石墨烯基納米潤(rùn)滑薄膜能夠顯著減小基底表面的摩擦系數(shù)和耐久壽命。

    （3）高的機(jī)械強(qiáng)度和熱導(dǎo)率使得石墨烯作為潤(rùn)滑油、水、離子液體等介質(zhì)的潤(rùn)滑抗磨添加劑，在摩擦界面形成的石墨烯摩擦吸附膜和對(duì)偶表面轉(zhuǎn)移膜，阻止了摩擦副的直接接觸，顯著提高了潤(rùn)滑劑的承載性能和摩擦副的抗磨性色[8]。

    （4）選擇氧化石墨烯作為聚合物、陶瓷等材料的填料，石墨烯顯著提高了基體材料的力學(xué)性能，并通過(guò)形成的自潤(rùn)滑和高強(qiáng)度的連續(xù)轉(zhuǎn)移膜減小了聚合物基體的摩擦系數(shù)，大幅提升了基體材料的抗磨性能，但并沒(méi)有研究發(fā)現(xiàn)可以改善陶瓷材料的潤(rùn)滑性能。

    4 石墨烯基復(fù)合潤(rùn)滑材料研究方向

    現(xiàn)今，科學(xué)界預(yù)言“將徹底改變21世紀(jì)，掀起一場(chǎng)席卷全球的顛覆性新技術(shù)革命”的石墨烯正在慢慢發(fā)揮作用，在未來(lái)石墨烯基復(fù)合潤(rùn)滑材料的研究將朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展[9]：

    （1）各種功能化石墨烯的納米摩擦和納米磨損機(jī)制的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究，如氧化、氟化、氮化、硅烷化，胺基化石墨烯；

    （2）石墨烯的非共價(jià)功能化及原位還原技術(shù)研究保持石墨烯固有力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的同時(shí)，提高石墨烯在各種溶劑、潤(rùn)滑劑、聚合物等材料中的分散性；

    （3）石墨烯基多層組裝體系在各種基底表面可控構(gòu)筑研究；

    （4）石墨烯與潤(rùn)滑劑間的摩擦化學(xué)機(jī)理研究；

    （5）石墨烯增強(qiáng)復(fù)合材料在極端苛刻以及特殊環(huán)境下的摩擦學(xué)性能的研究，如低速重載、高溫環(huán)境、液體環(huán)境等[10]；

    （6）石墨烯增強(qiáng)無(wú)機(jī)非金屬材料的摩擦學(xué)性能優(yōu)化研究。

    5 展望

    雖然石墨烯的層數(shù)對(duì)摩擦學(xué)性能的影響機(jī)制在學(xué)術(shù)界還存在一定的分歧，但大量的石墨烯納米摩擦學(xué)性能研究結(jié)果顯示出石墨烯具有優(yōu)異的潤(rùn)滑和抗磨性能，隨著各種石墨烯基納米潤(rùn)滑薄膜，潤(rùn)滑添加劑和潤(rùn)滑填料的不斷發(fā)展及其潤(rùn)滑機(jī)制的深入研究，石墨烯在潤(rùn)滑材料領(lǐng)域必將大有可為。

    參考文獻(xiàn)：

    [1]蒲吉斌，王立平，薛群基。石墨烯摩擦學(xué)及石墨烯基復(fù)合潤(rùn)滑材料的研究進(jìn)展[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，Vol 34 ,No 1,Jan 2014.

    [2]Service R F. Carbon sheets an atom thick give rise to graphene dreams[J].Science,2009,324:875-877.

    [3]賈園，顏紅俠。石墨烯的表面改性及其在摩擦領(lǐng)域的應(yīng)用[J].Vol 27,No 3,Mar.2013.

    [4]張偉，朱宏偉。石墨烯改性潤(rùn)滑油[J].Vol 38,No 2,Feb 2016.

    [5]TARASOV S,KOLUBAEV A,BELYAEV S,et al.Study of friction reduction by nanocopper additives to motor oil [J].Wear,2002,252:63-69.

    [6]張偉。石墨烯的液相法制備及其性能研究[D].北京：清華大學(xué)，2011.

    [7]張紫萍，劉秀軍，李同起，等。摻雜型石墨烯基納米復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2011,,30（4）：788-806.

    [8]Areshkin D A,White C T. Building blocks for integrated graphene circuits [J].Nano Letters,2007,7:3 253-3 259.

    [9]Kim K S,Lee C G,et al. Chemical vapor deposition-grown graphene:the thinnest solid lubricant [J].ACS Nano,2011,5:5 107-5 114.

    [10]李群仰，張帥，等。二維材料納米尺度摩擦行為及其機(jī)制[J].Vol 38,No 3,June.2017.

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