陳文剛， 郝星星， 王澤霄， 郭文軒， 張桔幫， 王雨豪， 張祿中， 毛雨坤

(西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院， 昆明 650224)

摩擦和磨損在生活中無處不在。現(xiàn)代工業(yè)中，摩擦和磨損往往會對各種機(jī)械設(shè)備造成不良影響，有的甚至失效?？刂颇Σ磷钣行У姆椒ň褪翘砑訚櫥瑒?，潤滑劑可以使摩擦表面避免直接接觸或者在其摩擦表面形成一層薄膜來減少摩擦，從而能夠?qū)υO(shè)備起到保護(hù)作用。

石墨烯是一種由碳原子按照sp2雜化軌道組成的蜂窩狀的新型材料。2004年，英國Manchester大學(xué)Novoselov等[1]首次制備出單層石墨烯。隨后制備石墨烯的方法也層出不窮，其中最常見的是機(jī)械剝離法、氧化還原法、化學(xué)氣相沉積法。石墨烯的出現(xiàn)很快成為研究熱點，受到了物理、化學(xué)等領(lǐng)域科學(xué)家的關(guān)注，它不僅有很好的力學(xué)性能[2]，而且電學(xué)性能[3]和熱學(xué)性能[4]也特別顯著。優(yōu)良單層石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5 300 W/mK，是迄今為止導(dǎo)熱系數(shù)最高的碳材料，當(dāng)它作為載體時，導(dǎo)熱系數(shù)也可達(dá)600 W/mK[5]。

在摩擦學(xué)領(lǐng)域，相比于水基潤滑，油基潤滑因為具有很好的密封性且不易揮發(fā)，因此應(yīng)用十分廣泛。但是油基潤滑也有很多缺點，其中主要有冷卻性能差、后期污染嚴(yán)重等問題[6-8]。因此，針對油基潤滑的一些缺點，水基潤滑也出現(xiàn)在摩擦學(xué)領(lǐng)域。但是，水單獨地作為潤滑劑在潤滑系統(tǒng)中往往不能達(dá)到預(yù)期的效果，潤滑效果也不太明顯，因此需要研究高性能的水基潤滑添加劑，來降低摩擦因數(shù)，減少摩擦磨損過程對材料的破壞[9-10]。石墨烯因其具有獨特的結(jié)構(gòu)特征和自潤滑特性等良好的性能，因此受到廣大研究者的關(guān)注[11]。但是，由于在溶液中石墨烯的片層間強(qiáng)烈的相互作用使其極易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象[12-13]，不能達(dá)到分散的效果，這就大大阻礙了潤滑油在其中的作用。因此，如何快速、高效地讓石墨烯分散在溶液中成為亟須解決的難題?，F(xiàn)主要綜述納米石墨烯作為潤滑劑和復(fù)合材料添加劑的研究進(jìn)展，歸納總結(jié)石墨烯的減摩抗磨機(jī)理，同時指出納米石墨烯作為潤滑添加劑中存在的問題，如石墨烯的添加量對機(jī)體抗磨減摩的影響、不同石墨烯的層數(shù)和結(jié)構(gòu)對溶液抗磨減摩作用是否相同以及石墨烯與不同納米材料共同作用對溶液摩擦性能的影響，并對今后石墨烯的研究方向進(jìn)行展望。

1 石墨烯作為固體潤滑劑的減摩抗磨性能

1.1 石墨烯作為固體潤滑劑的摩擦學(xué)性能

自石墨烯問世以來其各種優(yōu)越的性能就被科研人員發(fā)掘，其中石墨烯作為固體潤滑劑在摩擦學(xué)領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。Venturi等[14]采用熱噴涂法在不銹鋼襯底上制備石墨烯納米片。在球盤式摩擦試驗機(jī)上進(jìn)行試驗，結(jié)果顯示摩擦因數(shù)降低至0.1以下。分析其原因，因為試驗中無任何其他潤滑劑，只存在石墨烯納米片，石墨烯納米片被剝落，覆蓋在襯底上，進(jìn)而降低摩擦因數(shù)。Tahir等[15]采用化學(xué)氣相沉積法以果皮塑料廢料和油棕櫚纖維為原料制備石墨烯薄膜，利用球盤式摩擦試驗機(jī)進(jìn)行干滑動試驗。發(fā)現(xiàn)氫氣在石墨烯生長過程中對其碳含量沒有影響，但是氫氣的存在縮短了試驗?zāi)ズ蠒r間，摩擦因數(shù)更低。Marchetto等[16]探究了單層石墨烯的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)在SiC-6H(0001)上生長的石墨烯的摩擦因數(shù)為0.02，比石墨的摩擦因數(shù)要低得多。經(jīng)過往復(fù)滑動，石墨烯層雖然被破壞，但是摩擦因數(shù)仍低于石墨。Berman等[17]采用化學(xué)剝離法制備了可以分散到乙醇中的高定向熱解石墨烯，利用球-盤接觸的CSM摩擦試驗機(jī)來探究其摩擦學(xué)性能，將摩擦試件通過拉曼成像和光譜分析進(jìn)行表征。得出結(jié)論，在滑動鋼表面加入配制的石墨烯溶液可使磨損量大大減少，摩擦力也相對降低，石墨烯進(jìn)入滑動摩擦副中，形成了保護(hù)層，這可促進(jìn)剪切，降低腐蝕，進(jìn)而將磨損降低。Kim等[18]用化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)方法制得石墨烯薄膜，并用不同滑動方向的側(cè)向力研究其在二氧化硅光柵上的摩擦學(xué)性能。通過試驗，發(fā)現(xiàn)不同旋轉(zhuǎn)角掃描相同區(qū)域的滑動對石墨烯摩擦的影響不同，如圖1所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，石墨烯具有極低的表面能和摩擦因數(shù)，認(rèn)為石墨烯的摩擦因數(shù)(0.066)遠(yuǎn)低于二氧化硅基底的摩擦因數(shù)(0.263)。Liang等[19]采用電泳沉積法制備石墨烯薄膜。通過摩擦學(xué)性能測試得出結(jié)論，氧化石墨烯作為固體潤滑劑，硅片為基底時，摩擦因數(shù)和磨損量都有明顯的降低。認(rèn)為電沉積法制備的氧化石墨烯具有優(yōu)異的減摩抗磨效果，同時還可以增加硅的磨損壽命。

綜上所述，研究人員采用不同方法制備石墨烯，發(fā)現(xiàn)最終制得的石墨烯的摩擦學(xué)性能也大有不同。石墨烯作為固體潤滑劑時，當(dāng)它附著在摩擦表面時就會形成一層薄膜，這層薄膜不僅可以降低溶液對摩擦副表面的腐蝕，同時也會降低系統(tǒng)的摩擦因數(shù)。因此，石墨烯可以起到很好的抗磨減摩作用。

1.2 石墨烯及其他復(fù)合材料作為固體潤滑劑的摩擦學(xué)性能

張帥[20]采用一步水熱法制備還原氧化石墨烯(reduced graphene oxide，RGO)/ZnS石墨烯納米復(fù)合材料，然后將其用作固體潤滑劑以環(huán)氧樹脂為載體進(jìn)行了摩擦學(xué)性能測試，實驗結(jié)果表明，RGO/ZnS納米材料的摩擦因數(shù)和磨損率與RGO和ZnS相比都有所減小，其中磨損率比ZnS減少了60%以上。認(rèn)為ZnS微粒能更好地分散是因為石墨烯表面與ZnS納米粒子之間產(chǎn)生的牽引力作用影響的，這二者之間的協(xié)同作用可以更好地增加材料的潤滑能力。并通過水熱法制備了RGO/MoS2納米固體潤滑劑，然后以環(huán)氧樹脂為載體，對其進(jìn)行摩擦性能探究。實驗結(jié)果表明，RGO/MoS2復(fù)合材料的磨損率比MoS2涂層減少50%，分析其原因是，RGO能減少MoS2在真空摩擦狀態(tài)下產(chǎn)生的活性位點，同時RGO與MoS2發(fā)生摩擦?xí)r，所產(chǎn)生的范德華力能夠減少MoS2片層的結(jié)構(gòu)破壞。黃偉九等[21]采用溶液共混法來制備石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合材料，研究其摩擦學(xué)性能。實驗結(jié)果顯示，石墨烯的不斷增加使得復(fù)合材料的磨損率先下降后上升，但是摩擦因數(shù)顯著降低。劉燦燦等[22]通過液相反應(yīng)合成磷酸鋁鉻膠黏劑，并制備了以磷酸鋁鉻作為膠黏劑，膠體石墨為固體的黏結(jié)固體潤滑涂層。探究了磷酸鋁鉻與石墨的質(zhì)量比對潤滑涂層摩擦磨損的影響。得出結(jié)論，將石墨-磷酸鋁鉻固體潤滑涂層涂覆于45鋼表面，發(fā)現(xiàn)該涂層具有很好的抗摩擦性能。Suresha等[23]探究了將石墨顆粒加入玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。通過試驗發(fā)現(xiàn)，石墨含量對復(fù)合材料的摩擦性能有影響，溶液中石墨含量為7.5%時，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)最低。Pan等[24]探究了石墨烯/聚苯硫醚(PPS)復(fù)合材料涂層的摩擦學(xué)性能。通過噴涂法得到PPS/聚四氟蠟(PFW)/石墨烯復(fù)合涂層。還采用MM-200型摩擦磨損試驗機(jī)對其進(jìn)行摩擦學(xué)性能測試。測試結(jié)果表明，復(fù)合材料涂層的抗磨壽命明顯高于單一PPS的抗磨壽命，PFW質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，石墨烯添加量為0.8 g/100 g時，復(fù)合涂層的抗磨壽命提高到原來的7.5倍，如圖2所示；當(dāng)PPS中加入30%PFW時，復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)也有顯著降低，隨著石墨烯含量的增加。其摩擦因數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，如圖3所示，認(rèn)為石墨烯具有很好的力學(xué)性能，在摩擦過程中，與對偶材料的作用力增大，因此摩擦因數(shù)上升。隨著石墨烯含量緩慢增加，復(fù)合涂層隨著摩擦應(yīng)力和摩擦熱的增加，大量的石墨烯會聚集到一塊形成石墨，使得摩擦因數(shù)下降。Zhang等[25]探究了石墨烯納米片/尼龍6復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。采用共混發(fā)制備石墨烯納米片/尼龍6復(fù)合材料，通過掃滿電鏡來分析材料的表面形貌，得出結(jié)論，石墨烯納米片的含量達(dá)到10%時，減摩效果最佳，此時，摩擦因數(shù)降低30%，磨損率降低50%。

圖2 PPS復(fù)合涂層的抗磨壽命隨石墨烯含量的變化關(guān)系[24]Fig.2 Relationship between anti-wear life of PPS composite coating and graphene content[24]

圖3 PPS復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)隨石墨烯含量的變化關(guān)系曲線[24]Fig.3 The variation curve of friction coefficient of PPS composite coating with graphene content[24]

復(fù)合材料在使用中，摩擦因數(shù)和磨損率都很大，因此對材料的壽命有很大影響。向機(jī)體中加入適量的石墨烯，可以有效地降低材料磨損率和摩擦因數(shù)，同時也可以增加材料的使用壽命。分析原因，石墨烯與復(fù)合材料在摩擦過程中的共同作用(牽引力作用、范德華力作用)、自身的力學(xué)性能和石墨烯的含量都是影響潤滑性能的主要因素。

2 石墨烯作為水基潤滑劑添加劑的分散性和減摩抗磨性能

2.1 石墨烯及納米顆粒復(fù)合材料作為水基潤滑劑添加劑的摩擦學(xué)性能

水基潤滑在機(jī)械潤滑中的應(yīng)用近年來也十分廣泛，相比于油基潤滑，水基潤滑不僅經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，而且原料充足。水由于其自身的黏度較低、容易蒸發(fā)，對一些金屬有腐蝕等問題，往往不適合單獨作為潤滑劑，因此需要在水基中加入潤滑添加劑來改善其潤滑性能。Wu等[26]探究了GO(氧化石墨烯)和ND(納米金剛石)復(fù)合材料作為水基潤滑添加劑的摩擦學(xué)行為。使用往復(fù)式摩擦試驗機(jī)對水、GO和ND的摩擦性能進(jìn)行了對比試驗。研究發(fā)現(xiàn)，GO和ND復(fù)合材料作為潤滑劑時，摩擦因數(shù)最低(0.03)。認(rèn)為GO和ND共同作用在水中會形成摩擦膜以及ND在該過程中會出現(xiàn)滾動軸承效應(yīng)。Hou等[27]采用溶液法制得氧化石墨烯納米片，并用三氟化鑭(LaF3)修飾石墨烯納米片得到LaF3-GO納米復(fù)合材料。采用四球摩擦磨損試驗機(jī)來測試LaF3-GO作為蒸餾水添加劑的摩擦學(xué)特性。得出結(jié)論，當(dāng)溶液中LaF3-GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.5%時，蒸餾水的摩擦學(xué)性能有顯著提升。在摩擦過程中，摩擦副表面形成了由LaF3和GO組成得保護(hù)層薄膜，進(jìn)而降低了系統(tǒng)中的摩擦磨損。張栗源等[28]探究了石墨烯/高密度聚乙烯高分子材料在水基潤滑下的摩擦學(xué)性能。采用石墨烯納米片填充高密度聚乙烯，然后在RTEC摩擦磨損試驗機(jī)進(jìn)行試驗，通過分析復(fù)合材料的機(jī)械性能、摩擦因數(shù)、磨損形貌，揭示復(fù)合材料在水基潤滑下的摩擦磨損機(jī)理，結(jié)果表明，復(fù)合材料的平均摩擦因數(shù)隨著石墨烯含量的增加而減小，利用1.5%石墨烯納米片改性過的聚乙烯平均摩擦因數(shù)比無石墨烯納米片改性過的聚乙烯降低53.6%。Huang等[29]探究了氧化石墨烯-氧化鋁復(fù)合材料作為水基潤滑劑的摩擦學(xué)性能。采用UMT-3摩擦試驗機(jī)對其摩擦學(xué)性能進(jìn)行評價，結(jié)果表明GO-Al2O3復(fù)合材料潤滑劑顯著降低了系統(tǒng)的摩擦磨損和摩擦因數(shù)。與基礎(chǔ)水和GO溶液相比，摩擦因數(shù)分別降低66%和47%，表面粗糙度分別改善64%和60%。分析其原因，認(rèn)為在摩擦過程中GO-Al2O3在摩擦副表面組成了薄膜，阻止了摩擦表面直接接觸，導(dǎo)致抗滑性降低，達(dá)到抗磨減摩效果。Lü等[30]研究了氧化石墨烯/二氧化硅復(fù)合材料作為水基潤滑劑的摩擦學(xué)性能。開發(fā)了一種GO/SiO2復(fù)合納米材料水基潤滑劑作為切削液的微量潤滑(minimal quantity lubrication，MQL)技術(shù)，并通過四球摩擦試驗機(jī)對其摩擦學(xué)進(jìn)行對比研究。當(dāng)溶液中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.02%GO和0.50%SiO2時，潤滑劑的潤滑性能最佳，與基礎(chǔ)潤滑劑MQL相比，摩擦因數(shù)和磨損率有顯著降低，如圖4所示。

圖4 磨損表面顯微鏡像圖[30]Fig.4 Microscope images of the worn surfaces[30]

以上研究表明，石墨烯與其他納米復(fù)合材料作為水基潤滑添加劑時，與復(fù)合材料共同作用形成摩擦膜，有的甚至可以使摩擦過程出現(xiàn)滾動軸承效應(yīng)，進(jìn)而增加溶液的減摩抗磨效果。

2.2 表面活性劑改性石墨烯作為水基潤滑添加劑的摩擦學(xué)性能

通過研究發(fā)現(xiàn)，表面活性劑的種類、超聲分散時間和表面活性劑的濃度都會影響石墨烯在水基中的分散穩(wěn)定性。Wang等[31]分別選用3種不同的表面活性劑SDeS(陰離子型)、DTAC(陽離子型)和Tween80(非離子型),分別制成石墨烯水分散液，通過分光光度計和UV-Vis分析最終得出結(jié)論，當(dāng)表面活性劑Tween80濃度為0.012 mmol/L時，所得石墨烯水分散液的最佳濃度為564.3 mg/L。李麗君等[32]通過超聲分散和吸光光度法分析了表面活性劑對氧化石墨烯的分散性影響，選用十二烷基磺酸鈉(SDS)、十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)和Tween 80三種不同的表面活性劑進(jìn)行實驗，結(jié)果顯示，不同濃度的表面活性劑電導(dǎo)率不同，因此對氧化石墨烯在水溶液中分散效果也不同。當(dāng)溶液中SDBS的濃度為1.2 mmol/L時，氧化石墨烯分散液的電導(dǎo)率為0.997 Ms/cm。加入SDBS后的氧化石墨烯分散液放置45 h后，吸光度略微降低，說明SDBS表面活性劑具有很好的分散能力。Lotya等[33]提出了一種低成本的方法來制備濃度為0.3 mg/mL的石墨烯在表面活性劑(膽酸鈉)/水體系中的穩(wěn)定分散體。這種方法使用的是時間高達(dá)400 h的低功率超聲，隨后經(jīng)過離心得到穩(wěn)定的分散體。Liang等[34]以原位剝離石墨烯為納米添加劑，非離子表面活性劑TritionX-100為穩(wěn)定劑來制備水基潤滑劑，使用UMT-3摩擦計進(jìn)行摩擦學(xué)性能測試，結(jié)果表明與純?nèi)ルx子水相比，摩擦因數(shù)和磨斑直徑分別降低了81.3%和61.8%。Hu等[35]通過酰胺化反應(yīng)制得聚乙二醇化石墨烯，將其作為提高水基潤滑劑摩擦性能的添加劑。當(dāng)水溶液中加入0.05%的聚乙二醇時，與純水溶液相比，摩擦因數(shù)降低39.4%，磨損率降低81.23%。認(rèn)為親水性的聚乙二醇能夠增強(qiáng)羧基石墨烯納米片與水的親和力，所以增強(qiáng)潤滑性能。Wu等[36]采用Hummer法制備氧化石墨烯，并用十四烷基三甲基溴化銨(TTAB)對氧化石墨烯(GO)進(jìn)行化學(xué)改性得到改性氧化石墨烯(MGO)。通過試驗，得出結(jié)論MGO具有很好的摩擦學(xué)性能，與基礎(chǔ)乳液潤滑和GO-乳化液潤滑相比，摩擦因數(shù)分別降低18%和14%，磨損率分別降低48%和37%。認(rèn)為MGO與金屬表面反應(yīng)形成了一層膜，這層膜可以降低接觸面的摩擦因數(shù)和磨損率。

3 石墨烯作為油基潤滑劑添加劑的分散性和減摩抗磨性能

3.1 石墨烯作為油基潤滑添加劑的摩擦學(xué)性能

石墨烯因其特殊的結(jié)構(gòu)容易進(jìn)入摩擦副中，本身也有自潤滑性能，所以具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。Zhe等[37]研究了氧化石墨烯(GO)作為添加劑在烴類基礎(chǔ)油中的摩擦學(xué)性能。通過試驗得出結(jié)論，當(dāng)溶液中的GO片質(zhì)量濃度達(dá)到0.5%時，抗磨減摩效果最佳。選用的商用摩擦試驗機(jī)測試模式為往復(fù)式球-盤摩擦，負(fù)載范圍為50～150 N，選擇50、100和150 ℃進(jìn)行對比。溫度在50 ℃時，含有0.5%GO片的潤滑劑的摩擦因數(shù)比純烴基油小10%到20%；溫度在100 ℃時，碳?xì)浠妥儽?，開始試驗時，摩擦因數(shù)急劇上升，說明球和盤直接接觸，所以磨損嚴(yán)重。但是，對于含有0.5%GO片的潤滑劑，摩擦因數(shù)相對穩(wěn)定，說明潤滑劑的潤滑效果還是有效的；溫度達(dá)到150 ℃，基礎(chǔ)油的黏度降低，且含有GO片的潤滑劑和基礎(chǔ)油都不能承受50 N的載荷。Jka等[38]研究了在聚α烯烴(polyalphaolefin，PAO)基礎(chǔ)油中加入石墨烯片對鋼/鋼和類金剛石碳(diamond-like carbon，DLC)/DLC接觸副在不同潤滑條件下的摩擦影響。發(fā)現(xiàn)石墨烯片作為潤滑油添加劑具有很好的減摩效果，不同石墨烯濃度對摩擦因數(shù)影響不同，當(dāng)石墨烯濃度達(dá)到5%時，可以將DLC/DLC接觸的摩擦力降低50%，對鋼/鋼接觸的摩擦力降低44%。通過光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡圖發(fā)現(xiàn)，石墨烯進(jìn)入到鋼/鋼和DLC/DLC的摩擦副中，在其界面處產(chǎn)生了石墨烯基摩擦膜，這樣才能使摩擦因數(shù)降低，因此摩擦學(xué)性能的改善是通過在鋼和DLC涂層的界面處形成摩擦膜實現(xiàn)的?？咨械萚39]也探究了石墨烯在PAO基礎(chǔ)油中的摩擦學(xué)性能，利用丁二酰亞胺(分散劑A)輔助石墨烯分散于聚α烯烴(PAO4)基礎(chǔ)油中，測試溶液的分析穩(wěn)定性，并使用摩擦磨損試驗儀考察分散液的摩擦磨損性能。結(jié)果表明，分散劑A可以顯著提高石墨烯在PAO4中的分散性，并且當(dāng)石墨烯的濃度為0.8 mg/mL、分散劑A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時，基礎(chǔ)油的抗磨減摩性能最佳，相比于PAO基礎(chǔ)油，磨損體積減小了55%。Dou等[40]使用銷盤式摩擦計探究了褶皺石墨烯球的摩擦學(xué)性能，并與石墨片晶、還原氧化石墨烯片(r-GO)和炭黑進(jìn)行了對比。r-GO的摩擦因數(shù)曲線和基礎(chǔ)油的基本相似。通過對比，當(dāng)添加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%時，褶皺石墨烯球的摩擦因數(shù)最低，與基礎(chǔ)油相比，摩擦因數(shù)降低20%。當(dāng)添加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.1%后，r-GO的摩擦性能沒有顯著改善，但是石墨和炭黑的性能降低，可能是因為在高濃度的環(huán)境下更容易發(fā)生聚集，這種聚集會影響分散性，從而導(dǎo)致摩擦因數(shù)增加。相比之下，褶皺的石墨烯在這種情況下摩擦性能沒有太大影響。Ouyang等[41]研究了三維多孔石墨烯(3D HPGS)作為鋰基脂添加劑在不同運動方式下的摩擦學(xué)性能。結(jié)果表明，當(dāng)3D HPGS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時，潤滑脂的抗磨減摩效果最好，此時摩擦因數(shù)和磨損量分別降低20.3%和52.0%。此外，通過掃描電鏡、能譜儀和拉曼光譜分析發(fā)現(xiàn)，3D HPGS可以進(jìn)入摩擦副界面中，沉積在摩擦表面形成一層具有保護(hù)作用的摩擦膜，避免摩擦副的直接接觸，近而提高抗磨性。Ouyang等[42]還探究了三維石墨烯納米片(3D GNS)在低速和重載下的摩擦學(xué)性能。通過電弧放電法制備三維石墨烯納米片(3D GNS)，在基礎(chǔ)油中加入3D GNS后，摩擦因數(shù)和磨損體積分別減少29.1%和55%。Cheng等[43]通過對不同尺寸的氧化石墨烯納米片進(jìn)行試驗來探究其摩擦學(xué)性能。得出結(jié)論，尺寸更小、碳氧比更低的GO納米片具有更顯著的摩擦學(xué)性能。用MMW-1型四球機(jī)測試了基礎(chǔ)油的潤滑性能， 通過紅外光譜、能譜分析、拉曼光譜等分別對GO-20、GO-27和GO-35進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明，GO-35納米片比GO-20和GO-27具有更優(yōu)異的抗磨性能。分析原因是GO-35的尺寸較小，因此容易進(jìn)入摩擦副表面。

Wu等[44]用四球試驗機(jī)研究了不同濃度少層石墨烯的4010航空潤滑油的兩種摩擦副(Si3N4/GCr15，GCr15/GCr15)的摩擦學(xué)性能。通過激光掃描共聚焦顯微鏡、能量色散X射線光譜和拉曼光譜對磨損表面進(jìn)行分析。在4010鋁合金中加入單層石墨烯(FG)后，抗磨減摩性能得到改善，與無任何添加的4010鋁合金的平均摩擦因數(shù)和磨斑直徑相比，當(dāng)GCr15鋼相對GCr15鋼滑動時，平均摩擦因數(shù)和磨斑直徑分別下降了25%和39%。當(dāng)達(dá)到最佳濃度時，Si3N4/GCr15滑動副表現(xiàn)出比GCr15/GCr15滑動副增強(qiáng)的摩擦性能，導(dǎo)致平均摩擦因數(shù)和磨斑直徑分別降低27%和43%。這主要是由于單層石墨烯的存在改善了Si3N4/GCr15滑動副的摩擦學(xué)性能，F(xiàn)G的存在通過使用EDS和拉曼光譜進(jìn)行研究，提出了一種潤滑機(jī)制來解釋這一結(jié)果：FG的剪切、撕裂和填充及其對摩擦表面的黏附防止摩擦表面的嚴(yán)重破壞。

上述研究表明，石墨烯雖然具有抗磨減摩作用，但是，不同濃度的石墨烯和石墨烯的層數(shù)、形狀等都會影響其在潤滑介質(zhì)中的潤滑效果。研究人員通過改變石墨烯的濃度、形貌和結(jié)構(gòu)來改善其在潤滑介質(zhì)中的摩擦學(xué)性能。

3.2 改性石墨烯及其納米復(fù)合材料作為油基潤滑潤滑添加劑的摩擦學(xué)性能

研究表明石墨烯在油基中具有很好的抗磨減摩效果[45-49]，但是由于其較大的比表面積和片與片之間的范德華力很容易產(chǎn)生團(tuán)聚，而通過向其中加入表面活性劑，可以有效地改善潤滑油介質(zhì)的分散穩(wěn)定性，進(jìn)而提高摩擦學(xué)性能。

夏池等[50]用長鏈脂肪族十八烷基胺對氧化石墨烯(GO)進(jìn)行改性得到改性氧化石墨烯(GO-ODA)。通過摩擦磨損測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)GO-ODA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%時，潤滑油的抗磨減摩效果最好，此時摩擦因數(shù)下降16%，磨斑直徑減小10%(圖5)。朱超[51]采用化學(xué)還原法制備了兩種長鏈烷基官能團(tuán)的石墨烯潤滑油添加劑。利用微動摩擦磨損試驗機(jī)和三維輪廓儀對潤滑油添加劑的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了檢測，得出結(jié)論，當(dāng)十八醇接枝還原氧化石墨烯(RGO-g-OA)和十八溴接枝還原氧化石墨烯(RGO-g-BO)的添加比例為0.005%時，潤滑油的摩擦性能最優(yōu)。此時，與單一潤滑油相比，RGO-g-OA作為添加劑時的摩擦因數(shù)降低9.7%，RGO-g-BO作為添加劑時的摩擦因數(shù)降低18.5%。Liu等[52]制備了石墨烯/離子液體(G/IL)復(fù)合材料作為潤滑油添加劑探究G/IL對基礎(chǔ)油的減摩抗磨性能的影響。當(dāng)G/IL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04%時，基礎(chǔ)油的摩擦因數(shù)和磨損體積分別降低了45%和90%。認(rèn)為一定量的石墨烯可以促進(jìn)離子液體在摩擦界面的化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而形成化學(xué)反應(yīng)膜，這種膜可以有效地保護(hù)磨損表面，因此，得出結(jié)論，G/IL復(fù)合材料表現(xiàn)出石墨烯和離子液體的協(xié)同潤滑作用，這種作用可以提高PAO6的潤滑性能。Bao等[53]通過在石墨烯中加入聚異丁烯丁二酰亞胺(PIBS,商品名T154)來進(jìn)行改性。實驗結(jié)果表明，被T154改性的石墨烯(GO-T154)懸浮液經(jīng)過一年的時間，溶液也沒有明顯的沉淀，其穩(wěn)定性較好。摩擦學(xué)結(jié)果表明，加入GO-154之后潤滑性能得到了很大的改善，摩擦因數(shù)降低54%，磨損率降低60%。陳佳敏[54]研究了不同超聲時間和不同分散劑[十二烷基硫酸鈉、CO890、聚羧酸減水劑、聚乙烯(基)吡咯烷酮]對納米石墨烯片分散性的影響，得出結(jié)論，超聲30 min后，GnPs溶液沒有明顯的分層，上部溶液顏色淺，下部溶液顏色深；超聲60 min后GnPs溶液的團(tuán)聚現(xiàn)象有明顯減弱，分散效果較好；通過比較得出結(jié)論，十二烷基硫酸鈉、聚乙烯(基)吡咯烷酮和聚羧酸減水劑均能增加石墨烯片的分散性。

a為潤滑油；b為0.02%GO-ODA潤滑油；c為0.01%GO-ODA潤滑油；d為0.005%GO-ODA潤滑油圖5 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)改性GO的潤滑油的摩擦因數(shù)[50]Fig.5 Friction coefficient of lubricating oil modified by GO with different mass fraction[50]

石墨烯和納米顆粒都具有獨特的潤滑優(yōu)勢，因此，近年來，石墨烯納米復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能引起了大量學(xué)者的研究。Li等[55]采用一鍋還原法制備石墨烯-銅納米復(fù)合材料，通過透射電子顯微鏡、X射線衍射、拉曼光譜等對復(fù)合材料進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)以適當(dāng)?shù)谋壤砑蛹{米復(fù)合材料會表現(xiàn)出更好的減摩性能，承載能力也提高50%。發(fā)現(xiàn)當(dāng)GO和Cu2+離子同時還原時，由于表面限制，納米銅離子可以均勻地沉積在石墨烯表面，銅離子的吸附使石墨烯表面能降低。當(dāng)納米復(fù)合材料添加到基礎(chǔ)油中時，它們進(jìn)入并沉積在接觸面上，在摩擦剪切力的作用下，石墨烯層崩解，形成一層薄薄的固體物理吸附膜，將兩個摩擦副分開。納米顆?？梢蕴畛浔砻娴奈⒖雍蛽p傷部分，促進(jìn)修復(fù)過程，但是，高質(zhì)量的純銅納米粒子和納米石墨烯-銅復(fù)合材料由于團(tuán)聚而不能增加摩擦。Wang等[56]利用一步激光照射策略制備銀/石墨烯納米復(fù)合材料，其有效地解決了團(tuán)聚現(xiàn)象并且有很好的分散穩(wěn)定性。摩擦學(xué)試驗證明，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的銀/石墨烯納米復(fù)合材料作為潤滑油添加劑時，可以使摩擦因數(shù)降低40%，磨斑直徑降低36%。分析其原因是因為Ag顆粒特殊的球形形貌可以將滑動摩擦轉(zhuǎn)化為滾動摩擦，兩者都能有效降低摩擦磨損，磨損表面凹槽中剝落的銀納米顆粒在滑動過程中對磨損部件表現(xiàn)出修復(fù)效果。Wu等[57]探究了納米La(OH)3/RGO復(fù)合材料在柴油機(jī)油中的摩擦學(xué)性能。結(jié)果表明，納米La(OH)3/RGO復(fù)合材料能顯著提高柴油機(jī)油在邊界潤滑條件下的抗磨性能，在80 ℃、1.62 GPa接觸壓力下，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的納米La(OH)3/RGO復(fù)合材料時，柴油機(jī)油抗磨性能提高44%。Jin等[58]采用原位水熱法合成Mn3O4#G納米復(fù)合材料，并且進(jìn)一步采用超聲振動、電磁攪拌等工藝制備了Mn3O4#G復(fù)合潤滑脂，對復(fù)合潤滑脂的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了研究。當(dāng)Mn3O4#G質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時，比純石墨烯的摩擦因數(shù)和磨損深度分別降低了43.5%和86.1%。認(rèn)為在摩擦作用下，Mn3O4#G中的石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)趨于有序化和正規(guī)化，從而降低摩擦因數(shù)，改善減摩性能。Meng等[59]在臨界二氧化碳(ScCO2)流體中，制備Au納米顆粒修飾氧化石墨烯納米復(fù)合材料(SC-Au/GO)。通過X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)、拉曼光譜、熱重分析儀(thermogravimetric analyzer，TGA)和透射電鏡對SC-Au/GO進(jìn)行了表征，并在球盤式摩擦試驗機(jī)上進(jìn)行了摩擦學(xué)性能測試。摩擦學(xué)性能結(jié)果表明，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%的SC-Au/GO分散在PAO6油中時，摩擦因數(shù)和磨損率分別比純PAO6油降低33.6%和72.8%。認(rèn)為改性后的SC-Au/GO可以吸附基礎(chǔ)油，使油膜增加，防止摩擦副直接接觸，提高減摩抗磨性能。Jia等[60]采用一步還原法合成銅/氧化石墨烯復(fù)合材料，用油酸(OA)改性復(fù)合材料(Cu/rGOA、Cu/rGOB和Cu/rGOC)，在MRS-10A四球摩擦試驗機(jī)對其摩擦學(xué)性能進(jìn)行分析。試驗結(jié)果表明：當(dāng)載荷為392 N時，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%OA到改性的Cu/rGOA添加劑后，磨損量從0.75 mm降低至0.35 mm，如圖6所示，說明Cu/rGOA在質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5%時抗磨性能最好；載荷為490 N時，當(dāng)只有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%OA改性Cu/rGOA時，磨斑直徑由0.78 mm降到0.64 mm，抗磨性能比其他兩種添加劑和OA更好。同時，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時，含Cu/rROA的PAO的平均摩擦因數(shù)為0.083低于純PAO，如圖7所示。

圖6 OA和Cu/rGO復(fù)合材料作為添加劑的磨斑直徑和摩擦因數(shù)(392 N)[60]Fig.6 Wear scar diameter and friction coefficient of OA and the Cu/rGO composites as additives (392 N)[60]

圖7 OA和Cu/rGO復(fù)合材料磨斑直徑的摩擦因數(shù)(490 N)[60]Fig.7 Wear scar diameter and friction coefficient of OA and Cu/rGO composites as additives (490 N)[60]

Meng等[61]在超臨界CO2的輔助下，通過化學(xué)還原法合成了銀納米粒子修飾的石墨烯納米復(fù)合材料，并用四球摩擦試驗機(jī)研究納米復(fù)合材料作為潤滑油添加劑在發(fā)動機(jī)油中的摩擦學(xué)性能。研究表明：摩擦因數(shù)和磨斑直徑隨著所添加劑的引入而降低，顯然Sc-Ag/GN分散機(jī)油的摩擦因數(shù)和磨斑直徑最低。商用二烷基二硫代磷酸鋅(ZDDP)和Sc-Ag/GN添加劑的濃度對摩擦因數(shù)和磨斑直徑的影響如圖8所示，圖8(a)在最低點。與裸機(jī)油相比，摩擦因數(shù)和磨斑直徑分別降低了30.4%和27.4%，超過該底部，摩擦因數(shù)和磨斑直徑隨著Sc-Ag/GN濃度的增加而逐漸增加，機(jī)油中Sc-Ag/GN的最佳濃度為0.06%～0.10%。

圖8 不同添加劑分散在10W40油中的摩擦因數(shù)和磨斑直徑對濃度的影響[343 N，1 200 r/min，60 min，(75±1)℃][61]Fig.8 Friction coefficient and wear scar diameter versus concentration of different additives dispersed in 10W40 oil [343 N, 1 200 r/min, 60 min, (75±1) ℃][61]

4 結(jié)論與展望

4.1 存在問題

納米石墨烯由于其優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，將其作為固體潤滑劑、水基潤滑添加劑和油基潤滑添加劑潤在摩擦學(xué)領(lǐng)域表現(xiàn)出較大應(yīng)用價值。但還是存在以下問題。

(1)采用不同方法制備的石墨烯在潤滑劑中的最優(yōu)添加量和抗磨減摩性能各不相同。

(2)石墨烯復(fù)合其他納米材料的試驗較多，而采用模擬理論分析的設(shè)計研究較少。

(3)不同結(jié)構(gòu)和層數(shù)的石墨烯在不同的工作條件下的抗磨減摩性能不夠清晰。

4.2 工作展望

針對以上問題，未來需要對以下幾個方面進(jìn)一步研究。

(1)歸納總結(jié)石墨烯制備方法，并且通過理論加試驗的方法找到石墨烯的最優(yōu)添加量。

(2)積極采用分子動力學(xué)模型，對石墨烯潤滑油添加劑的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計。

(3)充分完善不同層數(shù)結(jié)構(gòu)石墨烯在各種工況條件下的抗磨減摩性能。