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隨著科技的飛速發(fā)展以及機械制造技術(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題之一。因此，人們對潤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滑復合材料也逐漸成為當前研究的熱點之一。 一、石墨烯納米添加劑摩擦機理 石墨烯具有特殊的二維納米層狀結(jié)構(gòu)、高的機械強度和導熱性，并且是碳質(zhì)固體潤滑材料的基本結(jié)構(gòu)單元。實驗研究表明，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，所以潤滑機理逐漸趨向薄膜潤滑，潤滑油力學性能有所提高。當石墨烯質(zhì)量分數(shù)不斷增加時，石墨烯在摩擦副表面堆積，阻斷潤滑油膜的形成，潤滑油的摩擦性能反而下降。 石墨烯納米添加劑摩擦機理示意圖 綜合考慮干摩擦與薄膜潤滑機理，當只有潤滑油基礎(chǔ)油工作時，其潤滑處于臨界狀態(tài)，同時存在干摩擦與薄膜潤滑；當有適當質(zhì)量分數(shù)的石墨烯參與潤滑時，薄膜潤滑占主導地位，摩擦因子較低；當石墨烯質(zhì)量分數(shù)較高時，石墨烯間的干摩擦作用凸顯，且逐漸占據(jù)主導地位，摩擦因子不斷上升。 二、石墨烯納米潤滑材料的潛力 目前的潤滑油市場中，傳統(tǒng)潤滑油依然占據(jù)主導地位，但由于其潤滑能力有限以及添加含硫、磷、氯等元素的添加劑對環(huán)境造成嚴重污染，無法滿足現(xiàn)今的工作需求。而石墨烯因納米材料具有減摩抗磨機理且不含有污染元素而成為了潛在的高性能納米潤滑材料。 1、碳納米潤滑油添加劑粒徑小，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、減摩防護薄膜，單層、三層及多層石墨烯基納米潤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、高的機械強度和熱導率使得石墨烯作為潤滑油、水、離子液體等介質(zhì)的潤滑抗磨添加劑，在摩擦界面形成的石墨烯摩擦吸附膜和對偶表面轉(zhuǎn)移膜，阻止了摩擦副的直接接觸，顯著提高了潤滑劑的承載性能和摩擦副的抗磨性色。 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性能，并通過形成的自潤滑和高強度的連續(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，但并沒有研究發(fā)現(xiàn)可以改善陶瓷材料的潤滑性能。 三、石墨烯基復合潤滑材料研究方向 現(xiàn)今，科學界預言“將徹底改變21世紀，掀起一場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，在未來石墨烯基復合潤滑材料的研究將朝著以下幾個方向發(fā)展： 1、各種功能化石墨烯的納米摩擦和納米磨損機制的理論計算和實驗研究，如氧化、氟化、氮化、硅烷化，胺基化石墨烯； 2、石墨烯的非共價功能化及原位還原技術(shù)研究保持石墨烯固有力學性能和摩擦學性能的同時，提高石墨烯在各種溶劑、潤滑劑、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、石墨烯與潤滑劑間的摩擦化學機理研究； 5、石墨烯增強復合材料在極端苛刻以及特殊環(huán)境下的摩擦學性能的研究，如低速重載、高溫環(huán)境、液體環(huán)境等； 6、石墨烯增強無機非金屬材料的摩擦學性能優(yōu)化研究。 四、展望 雖然石墨烯的層數(shù)對摩擦學性能的影響機制在學術(shù)界還存在一定的分歧，但大量的石墨烯納米摩擦學性能研究結(jié)果顯示出石墨烯具有優(yōu)異的潤滑和抗磨性能，隨著各種石墨烯基納米潤滑薄膜，潤滑添加劑和潤滑填料的不斷發(fā)展及其潤滑機制的深入研究，石墨烯在潤滑材料領(lǐng)域必將大有可為。 |
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