【原】清華大學(xué)田煜教授帶你了解石墨烯潤滑的機(jī)理和應(yīng)用

以石墨烯為代表的二維納米材料，預(yù)計將在傳統(tǒng)技術(shù)和工程領(lǐng)域引入新的應(yīng)用機(jī)會。石墨烯中同一原子層中的原子通過共價鍵組合在一起，從而形成了具有高模態(tài)和高強(qiáng)度的單層結(jié)構(gòu)。此外，范德瓦爾斯力結(jié)合的相鄰原子層之間的低剪切電阻使原子層很容易滑動。由于二維材料的比表面積較高，很容易吸附到接觸面上，從而防止摩擦對的直接接觸。因此，二維材料的潤滑性能優(yōu)于其他納米材料。

二維材料的隔層滑動和低剪切力，賦予了它們超潤滑特性。此外，由于其納米結(jié)構(gòu)，它們可以很容易地進(jìn)入摩擦接觸表面，形成潤滑膜，可以減少表面粗糙度和修復(fù)磨損。

然而，這一機(jī)制的闡明仍然是納米粒子潤滑系統(tǒng)研究中許多爭論的主題。研究人員通過表面分析技術(shù)（薄膜形成機(jī)制、自愈機(jī)制和滾珠軸承機(jī)制）描述了利用納米粒子懸浮物實現(xiàn)潤滑增強(qiáng)的機(jī)制。這些機(jī)制可分為兩大類。一類是直接的納米粒子效應(yīng)，包括球效應(yīng)和薄膜形成。另一類是通過修復(fù)和拋光實現(xiàn)的表面增強(qiáng)輔助效果。

具有較大表面積的納米粒子可以展現(xiàn)出化學(xué)活性，并迅速吸附到摩擦表面，形成物理吸附膜。一些納米粒子受摩擦表面遷移等外部因素的影響，沉積在摩擦表面形成沉積膜。納米粒子還可以在摩擦表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)反應(yīng)膜，從而增強(qiáng)摩擦對表面的耐磨性。

由于制造技術(shù)的固有局限性，接觸面仍然非常粗糙。這時，納米材料可以填充摩擦表面的凹面，使其平滑。

摩擦表面在高壓下緊密結(jié)合，從而產(chǎn)生摩擦和磨損。當(dāng)在潤滑油中加入大量納米材料以滲透到凹面摩擦表面時，損壞的表面得到修復(fù)。滑動過程中的瞬時高溫甚至可以熔化納米粒子并修復(fù)滑動表面的缺陷。

納米粒子通過摩擦修復(fù)分散，形成"級軸承"，將滑動摩擦轉(zhuǎn)化為滾動摩擦，從而降低摩擦系數(shù)，表現(xiàn)出出色的抗摩擦性能。研究人員建立了一個機(jī)制模型來研究納米材料的類軸承效應(yīng)，并發(fā)現(xiàn)納米粒子將滑動摩擦轉(zhuǎn)化為滑動摩擦和滾動摩擦的組合。這種潤滑機(jī)制歸因于剪切表面之間具有穩(wěn)定低負(fù)荷狀態(tài)的摩擦對系統(tǒng)，以保持納米粒子的形狀和剛度。

二維材料的潤滑機(jī)制總結(jié)為四個過程（如下圖）。（a）進(jìn)入滑動表面的接觸區(qū)域（b）三波膜形成，（c）填補(bǔ)接觸區(qū)的坑和縫隙（d）影響流體阻力和粘度。此外，還存在其他機(jī)制。（1）二維材料由于體積小而容易進(jìn)入摩擦對，接觸表面的相對運動在這些材料上形成剪切力。因此，多層二維材料很容易被切割，并且很容易與摩擦表面接觸，形成滑動系統(tǒng)，從而產(chǎn)生有效的潤滑。例如，帶有潤滑脂的MoS2片在兩個摩擦對之間的摩擦表面接觸時，由于MoS2的lamellar晶體結(jié)構(gòu)和層之間的范德瓦爾斯力的結(jié)合，片層結(jié)構(gòu)很容易被吸收到摩擦表面。在摩擦剪切力和正常負(fù)載的影響下，裂縫很容易發(fā)生在MoS2層間。裂縫同樣也在平面滑動處出現(xiàn)，它起到反摩擦作用。（2）二維材料由于具有超高化學(xué)穩(wěn)定性，對液體和氣體不透水。將這些材料吸附在基板上有助于防止對給定系統(tǒng)中的潤滑劑或其他活性元素的化學(xué)攻擊，從而減緩材料的腐蝕和氧化，并進(jìn)一步減少滑動表面的磨損。

二維材料具有出色的摩擦行為機(jī)制，具有較高的比表面積（可以覆蓋更大的表面積）、較高的平面強(qiáng)度（通過共價鍵粘合）、良好的表面化學(xué)穩(wěn)定性和較低的層間剪切強(qiáng)度（允許相鄰層輕松相互滑動）。因此，其表面潤滑效果明顯，非常適合潤滑領(lǐng)域應(yīng)用，如潤滑劑添加劑、空間潤滑材料、納米級潤滑膜等。

鑒于其獨特的分子結(jié)構(gòu)和潤滑特性，二維材料廣泛應(yīng)用于摩擦學(xué)領(lǐng)域。它們也是摩擦表面潤滑的極好候選者，因為它們的強(qiáng)度高，原子之間的層間剪切強(qiáng)度低。二維材料的防摩擦和防磨性能優(yōu)于傳統(tǒng)潤滑劑添加劑。此外，二維材料還可用于減少有害物質(zhì)的排放，為營造綠色環(huán)境做出重要貢獻(xiàn)。

石墨烯和氧化石墨烯的摩擦減弱機(jī)制相似。它們很容易形成保護(hù)膜，以防止接觸表面之間的直接接觸。此外，納米級厚度和極薄的層壓結(jié)構(gòu)提供較低的剪切強(qiáng)度，從而容易導(dǎo)致層間滑動，形成較低的摩擦力。二維材料還可作為水性潤滑添加劑，以保持出色的導(dǎo)熱性和水潤滑膜的承載能力。

石墨烯雖然能有效發(fā)揮防摩擦、防磨損的作用，但石墨烯容易在基層潤滑油中聚集，嚴(yán)重影響潤滑效果。為了避免石墨烯的聚集，可以（1）使用適量的分散劑來改善潤滑油中的均勻分散；（2）石墨烯的適當(dāng)化學(xué)修飾（如氟化或氫化）用于增強(qiáng)潤滑油中石墨烯的均勻分散。

濺射的MoS2固體潤滑油廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域，例如用于陀螺儀的高速長壽命軸承以及用于航天器諧波驅(qū)動裝置的加速度計、齒輪和軸承。

磁鐵濺射技術(shù)具有薄膜形成率高、沉積溫度低、薄膜厚度均勻、薄膜結(jié)構(gòu)密集等優(yōu)點。該技術(shù)已應(yīng)用于各種耐磨、耐腐蝕、抗氧化涂料和固體潤滑劑涂料的制備。

MoS2濺射膜的眾多實際應(yīng)用已經(jīng)開發(fā)出來，使用宇航510，表明這些濺射薄膜的使用壽命可以超過數(shù)倍，個別測試結(jié)果目前已經(jīng)達(dá)到數(shù)倍。但是，空間環(huán)境中的真空、低溫、強(qiáng)輻射等極端條件要求固體潤滑油具有特殊性能要求。

石墨烯分層結(jié)構(gòu)具有超薄厚度、超低剪切強(qiáng)度、高化學(xué)耐化學(xué)性、高特異性表面積。因此，它們適用于微/納米膜設(shè)備。

在Cu和Ni金屬催化劑上生長的石墨烯薄膜具有優(yōu)良摩擦特性，通過CVD方法將兩種石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到SiO2/Si基材中，發(fā)現(xiàn)石墨烯薄膜能有效降低粘附力和摩擦力。CVD生長的石墨烯薄膜在減少粘附和摩擦以及保護(hù)基板表面方面具有強(qiáng)大的潛力。液相剝離法可用于生產(chǎn)高產(chǎn)石墨烯薄膜，而利用該方法獲得的薄膜性能由于功能組和結(jié)構(gòu)缺陷而導(dǎo)致性能降低。可以利用退火方法，通過縫合墊片，將石墨烯片的結(jié)構(gòu)修復(fù)，從而形成連續(xù)膜，提高晶體質(zhì)量和摩擦特性。

二維材料具有獨特的分層結(jié)構(gòu)，具有抗摩擦和防磨損特性，為納米級潤滑油的發(fā)展提供了廣闊的前景。二維材料的摩擦機(jī)制可分為界面摩擦和表面摩擦機(jī)制。界面摩擦機(jī)制主要受溫度、負(fù)荷、大小、堆疊、缺陷、層間距和層數(shù)的影響，而表面摩擦機(jī)制主要分為電子聲耦合效應(yīng)、平面外皺褶機(jī)理和變形能量消散機(jī)制。潤滑機(jī)制包括薄膜形成機(jī)制、滾珠軸承機(jī)制、自愈機(jī)制等潤滑機(jī)制。在實際應(yīng)用中，二維材料由于其獨特的防摩擦和防磨性能，常用作潤滑劑添加劑、納米潤滑膜和真空空間潤滑材料。

為了促進(jìn)二維材料的使用，我們認(rèn)為今后應(yīng)在以下領(lǐng)域進(jìn)行研究：（1）原子級摩擦研究是摩擦學(xué)領(lǐng)域的一個新方向。超潤滑研究可能有助于促進(jìn)工業(yè)和能源的發(fā)展。因此，在宏觀和微觀尺度條件下實現(xiàn)超潤滑和保持超潤滑的持久性還需要進(jìn)一步的研究。（2）雖然二維材料具有出色的摩擦性能，但很容易受到表面條件的影響，從而導(dǎo)致性能下降。因此，在準(zhǔn)備和實驗過程中，各種過程的優(yōu)化是不可避免的。（3）由于石墨烯聚集的抑制，功能改進(jìn)的二維材料具有優(yōu)越的摩擦性能。因此，應(yīng)進(jìn)一步研究功能二維材料的制備和抑制聚集的機(jī)理。（4）二維材料由于其比表面積高，會迅速吸附到摩擦對的表面，并發(fā)生進(jìn)一步的化學(xué)反應(yīng)。因此，需要進(jìn)一步研究了解這些物理和化學(xué)反應(yīng)，使二維材料的潤滑機(jī)制更加可靠。（5）二維非lamellar材料由于其復(fù)雜的電子結(jié)構(gòu)，在電子工業(yè)的能量轉(zhuǎn)換和存儲方面具有很大的優(yōu)勢。（6）二維材料系列新材料的制備和材料的物理和化學(xué)特性需要進(jìn)一步探索。