石墨烯的功能化修飾及作為潤滑添加劑的應(yīng)用研究進(jìn)展

喬玉林，趙海朝，臧艷，張慶，劉宏飛

（1裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100072；2裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械產(chǎn)品再制造國家工程研究中心，北京100072）

石墨烯（graphene）是2004年由英國科學(xué)家Novoselov等首次發(fā)現(xiàn)的，是由碳原子緊密堆積而成的新型二維原子晶體，其基本結(jié)構(gòu)為sp2雜化碳原子形成的類六元環(huán)苯單元，是目前世界上最薄的二維材料，單層厚度只有0.3354nm，是構(gòu)成富勒烯、碳納米管、金剛石以及石墨塊材等碳材料的基本單元。石墨烯上長程有序的鍵電子結(jié)構(gòu)，使其具有獨(dú)特的電學(xué)性能、熱性能和力學(xué)性能，石墨烯在室溫下的載流子遷移率達(dá)1.5×104cm2／（V·S），理論熱導(dǎo)率達(dá)5000W／（m·K），其機(jī)械強(qiáng)度可達(dá)130GPa。石墨烯這些獨(dú)特性能，使其已成為近年來備受矚目的國際前沿和研究熱點(diǎn)，并展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景［1，2］。

1 石墨烯的功能化修飾

由于石墨烯在物理、化學(xué)、材料等不同領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景，極大地促進(jìn)了石墨烯制備技術(shù)的快速發(fā)展和工藝流程的不斷完善，為石墨烯的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)提供了原料上的保障。但由于結(jié)構(gòu)完整的石墨烯是由穩(wěn)定的類六元環(huán)苯單元組合而成，表面呈惰性，化學(xué)穩(wěn)定性高，并且石墨烯片與片之間強(qiáng)烈的π－π作用，使其在溶液中的分散穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響，很容易產(chǎn)生聚集沉淀，不利于石墨烯的進(jìn)一步應(yīng)用。為了擴(kuò)展石墨烯的應(yīng)用范圍，克服石墨烯在溶液中難于溶解或難以分散等缺陷，必須對石墨烯進(jìn)行有效的功能化修飾。從功能化修飾的方法來看，主要分為共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵功能化修飾兩種。

1.1 石墨烯的共價(jià)鍵功能化修飾

盡管結(jié)構(gòu)完整的石墨烯是由穩(wěn)定的類六元環(huán)苯單元構(gòu)成的，但通過氧化－還原法制備的氧化石墨烯（graphene oxide，簡稱GO，下同），其邊沿、表面含有大量的羧基、羥基和環(huán)氧鍵等活性含氧官能團(tuán)，如圖1所示。將氧化石墨烯進(jìn)行化學(xué)還原可得到石墨烯，在還原過程中，基面上大部分環(huán)氧基團(tuán)和羥基被還原，sp3雜化碳原子被還原為sp2雜化碳原子，但氧化石墨烯不能被完全還原，得到的石墨烯表面和邊緣仍殘留一些含氧官能團(tuán)。共價(jià)鍵功能化修飾就是利用石墨烯邊緣和表面上含有的羧基、羥基和環(huán)氧鍵等活性含氧官能團(tuán)，以這些官能團(tuán)為“錨固點(diǎn)”，利用酯化、羧基化等化學(xué)反應(yīng)，對石墨烯進(jìn)行共價(jià)鍵功能化修飾。主要有有機(jī)小分子功能化、高分子功能化、石墨烯負(fù)載納米粒子功能化。共價(jià)鍵功能化通過控制反應(yīng)物與石墨烯邊緣和表面上含氧官能團(tuán)的化學(xué)反應(yīng)，使其形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵，從而賦予其許多優(yōu)異的性質(zhì)［3］。

圖1 氧化石墨烯結(jié)構(gòu)示意圖［4］

Stankovich等［5］利用石墨烯上的羧基、羥基與異氰酸酯進(jìn)行反應(yīng)，制備了一系列異氰酸酯功能化石墨烯，可在N，N－二甲基甲酞胺等多種極性非質(zhì)子溶劑中實(shí)現(xiàn)均勻分散，并能夠長時(shí)間保持穩(wěn)定。Niyogi［6］利用十八胺上的氨基與石墨烯上的羧基進(jìn)行反應(yīng)，制得可溶解于有機(jī)溶劑（如溶于四氫呋喃和四氯化碳等）的長鏈烷基功能化石墨烯。Samulski等［7］將氧化石墨烯用硼氫化鈉還原后進(jìn)行磺化反應(yīng)，最后再用肼還原，獲得了磺酸基功能化石墨烯。該功能化石墨烯可溶于水，導(dǎo)電性顯著提高（1250S／m）。Shen等［8］首先采用化學(xué)氧化法和超聲剝離法，制備了氧化石墨烯，然后用硼氫化鈉還原，獲得了結(jié)構(gòu)相對完整的石墨烯，最后在引發(fā)劑（如過氧化二苯甲酰自由基）作用下，石墨烯與苯乙烯和丙烯酰胺進(jìn)行共聚反應(yīng)，獲得了聚苯乙烯－聚丙烯酰胺嵌段共聚物功能化石墨烯。該功能化石墨烯具有兩親性，既能溶解于水，也能溶解于二甲苯。馬文石等［9］利用乙醇胺在溫和條件下與氧化石墨烯反應(yīng)，然后經(jīng)水合肼還原，得到乙醇胺功能化的石墨烯，其平均厚度為3～4nm，可穩(wěn)定分散于水、乙醇和丙酮等溶劑中。

石墨烯的共價(jià)鍵功能化不僅能夠提高石墨烯的溶解性，還可以通過化學(xué)交聯(lián)引入新的官能團(tuán)，獲得具有特殊功能的新型雜化材料。李遠(yuǎn)耀等［10］用全氟辛胺（FOA）的胺基與氧化石墨烯的羧基或烷氧基反應(yīng)制備了含氟石墨烯復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)FOA己經(jīng)成功地修飾到石墨烯的邊緣。與未修飾的石墨烯相比，水滴在FOA修飾的石墨烯表面上的接觸角從68°提高118°，顯示出良好的疏水性能。Yang等［11］首先用低濃度的氫氧化鈉溶液與氧化石墨烯發(fā)生反應(yīng)，將氧化石墨烯上的羧基變成羧酸鈉；然后將修飾的氧化石墨烯與六水合氯化鐵和四水合氯化亞鐵進(jìn)行離子交換反應(yīng)，獲得石墨烯羧酸鐵；最后在堿性條件下水解，獲得四氧化三鐵顆粒直徑為2～4nm，并具有較好溶解性的四氧化三鐵－石墨烯雜化材料。

氧化石墨烯具有超大比表面和獨(dú)特的三維皺褶結(jié)構(gòu)，使其成為負(fù)載納米粒子的最佳載體。氧化石墨烯負(fù)載納米粒子不僅可以豐富二者原有的本征特性，而且可以產(chǎn)生協(xié)同作用，并賦予其新的特殊功能［12］。楊艷［13］的研究發(fā)現(xiàn)，還原法制備出的GO／Au納米復(fù)合材料不僅具有高表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）活性，而且對芳香結(jié)構(gòu)的分子具有較強(qiáng)親和力。汪爾康等［14］采用濕化學(xué)法合成了三維Pt－Pd雙金屬納米枝晶與石墨烯的復(fù)合材料，該復(fù)合材料的電化學(xué)活性表面面積（ECSA）高達(dá)81.6m2／g，且顯示出很高的電催化氧化甲醇的活性。Kim等［15］在溫和的液相還原反應(yīng)條件下制備了石墨烯－銀納米復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)納米銀均勻分布在石墨烯片層及片層中間，銀離子用量和石墨烯表面含氧官能團(tuán)對納米銀的大小和分布有很大影響。何衛(wèi)等［16］用乙二醇還原Pd金屬離子和氧化石墨烯，制備了氧化石墨烯負(fù)載Pd納米催化劑，負(fù)載后的Pd催化劑表現(xiàn)出了較商業(yè)化Pd／C更高的電催化活性和更好的穩(wěn)定性，其用于甲酸電催化氧化時(shí)，GO上殘存的含氧基團(tuán)降低了Pd催化劑受CO的毒化程度。李林儒等［17］用石墨烯（Gr）代替VulcanXC－72作為Ir的載體制備了石墨烯負(fù)載Ir（Ir／Gr）催化劑，在氨氧化的試驗(yàn)中，Ir／Gr催化劑對氨氧化的電催化性能優(yōu)于VulcanXC－72催化劑，Ir／Gr催化電極可以作為電流型電化學(xué)氨傳感器的工作電極。

張瓊等［18］等通過化學(xué)合成制備出了TiO2／GO復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)TiO2顆粒在成核的過程中，與羥基和羰基的結(jié)合活性較高，而與羧基的結(jié)合活性很低，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)GO使得TiO2的光催化降解效率有了大幅度的提高。Yang等［11］采用化學(xué)沉淀法制備了Fe3O4／GO復(fù)合材料，并用其負(fù)載抗腫瘤藥物阿霉素，該復(fù)合材料負(fù)載前后均可在水中均勻分散，同時(shí)在外加磁場下規(guī)則移動(dòng)，顯示出其作為可控靶向藥物載體。劉艷云［19］采用溶液熱法制備了石墨烯負(fù)載氧化鋅的復(fù)合材料（ZnO／G），研究表明ZnO／G的電容和循環(huán)性能較單純的石墨烯大幅提高。鄧文君等［20］采用共沉淀法制備了二氧化釕／石墨烯納米復(fù)合材料，實(shí)驗(yàn)表明，該復(fù)合材料的比容量和循環(huán)性能都要優(yōu)于純的氧化釕材料，表明合成的復(fù)合材料適合用于超級電容器中。Ng等［21］采用光催化還原法制備了BiVO4／石墨烯光催化材料，研究發(fā)現(xiàn)石墨烯的加入不僅提高了激發(fā)BiVO4所產(chǎn)生電子的壽命，降低了光生電子－空穴的復(fù)合概率，而且也增加了BiVO4與導(dǎo)電基底的接觸面積，從而提高了光電池光電轉(zhuǎn)化和光催化反應(yīng)的效率。陳勝［22］在水－異丙醇體系中一步還原制備了石墨烯－氫氧化鈷復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)Co（OH）2納米晶比較均勻地負(fù)載在石墨烯片上，Co（OH）2與石墨烯的質(zhì)量比為6.3／1，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的比容（972.5F／g）力比傳統(tǒng)的超級電容器電極材料（RuO2，720F／g）高很多，其作為超級電容器電極材料具有潛在應(yīng)用前景。

1.2 石墨烯的非共價(jià)鍵功能化修飾

共價(jià)鍵功能化修飾通過控制反應(yīng)物與石墨烯形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵，而賦予其許多優(yōu)異的性質(zhì)，但也會(huì)不可避免的破壞石墨烯原有的結(jié)構(gòu)特征，使其本征性能受到不同程度的影響［23］。而非共價(jià)鍵功能化由于對石墨烯結(jié)構(gòu)的非破壞性，可以更好地保持和發(fā)揮石墨烯本身的優(yōu)異性能，而備受研究者的重視。功能化修飾分子可通過π－π相互作用、氫鍵等作用與石墨烯結(jié)合在一起，提高功能化石墨烯的分散穩(wěn)定性能。

石墨烯中的碳原子通過sp2雜化，形成高度離域的π電子，這些π電子與其他具有大π共軛結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，通過π－π相互作用，使石墨烯功能化，并賦予其良好的分散穩(wěn)定性能。清華大學(xué)的石高全課題組［24］研究了芘丁酸對石墨烯的非共價(jià)鍵功能化，基于該類化合物與石墨烯表面具有很強(qiáng)的π－π作用力，他們選擇水溶性衍生物－芘丁酸鹽離子作為穩(wěn)定劑，獲得了在水溶液中分散穩(wěn)定的石墨烯。Hao等［25］將具有高度共軛體系和豐富π電子的四氰基對苯二醌二甲烷還原成帶負(fù)電荷的陰離子，該陰離子在石墨烯表面上吸附，可有效抑制石墨烯層間π－π作用，使功能化的石墨烯能溶于水和有機(jī)溶劑，形成穩(wěn)定分散體系。Dai等［26］利用聚苯乙炔類高分子PmPV的大π共扼結(jié)構(gòu)特征，以及與石墨烯之間的π－π相互作用，將膨脹石墨分散到PmPV的二氯乙烷溶液中，然后在超聲波作用下，制備了在有機(jī)溶劑中具有良好分散性的功能化石墨烯。

離子相互作用是另一類常用的非共價(jià)鍵功能化方法。Li等［27］研究發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯之所以能夠溶解于水，不僅僅是因?yàn)槠浜豕倌軋F(tuán)的親水性，還因?yàn)槠浔砻尕?fù)電荷的相互排斥作用，形成了穩(wěn)定的膠體溶液。他們利用這一發(fā)現(xiàn)，通過控制還原，在除去氧化石墨烯上的羥基、環(huán)氧基等官能團(tuán)的同時(shí)，保留了羧基負(fù)離子，利用電荷相互排斥作用，獲得了能夠在水中很好分散的還原態(tài)石墨烯。Valles等［28］首先采用成熟的方法制備了堿金屬（鉀鹽）石墨層間化合物，然后使其在溶劑中發(fā)生剝離，通過離子鍵功能化制備了可溶于N－甲基吡咯烷酮的功能化石墨烯，石墨烯上胺基負(fù)離子與鉀離子之間的相互作用，使其能夠穩(wěn)定地分散到極性溶劑中。

氫鍵是一種較強(qiáng)的分子間作用力，由于氧化石墨烯表面和邊界上存在的羧基和羥基等極性基團(tuán)，容易與其他物質(zhì)產(chǎn)生氫鍵。分子間氫鍵的形成，有利于物質(zhì)之間的均勻分散和溶解。因此，可以利用氫鍵對氧化石墨烯進(jìn)行功能化。Patil等［29］采用化學(xué)氧化法合成了氧化石墨烯，加入新解螺旋的單鏈DNA后用肼還原，利用DNA與石墨烯間的氫鍵及靜電等作用，制備了具有優(yōu)異分散穩(wěn)定性能的非共價(jià)鍵功能化修飾的石墨烯。

2 石墨烯作為潤滑添加劑的應(yīng)用

石墨烯具有超薄的片層結(jié)構(gòu)（易進(jìn)入摩擦接觸面）、優(yōu)異的力學(xué)性能和自潤滑性［30］，這些特性使其在潤滑添加劑方面的應(yīng)用研究受到關(guān)注，大量研究發(fā)現(xiàn)適量的石墨烯作為潤滑添加劑不僅可以減少摩擦系數(shù)，而且能通過摩擦吸附膜的形式顯著提高潤滑劑的承載抗磨性能［31］。但石墨烯在潤滑油和水中容易產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，從而影響了其在潤滑油和水等溶劑中的分散穩(wěn)定性。目前，解決石墨烯在潤滑油和水等溶劑中的分散穩(wěn)定性的方法主要有2種，一種是添加分散劑，利用分散劑的分散作用，使石墨烯均勻穩(wěn)定地分散在溶劑中，但分散劑有時(shí)會(huì)影響石墨烯摩擦學(xué)性能的發(fā)揮；另一種是將石墨烯進(jìn)行功能化修飾，增加石墨烯在溶劑中的分散穩(wěn)定性，其關(guān)鍵是功能化分子的選擇。

2.1 油基潤滑添加劑

張永康［32］利用肼還原氧化石墨烯制備了石墨烯，研究發(fā)現(xiàn)石墨烯能均勻分散在潤滑油中，并使油膜厚度增加，潤滑油的承載能力得以提高；同時(shí)，由于石墨烯片層間極小的剪切力，使其在滑動(dòng)過程中容易在摩擦副表面形成轉(zhuǎn)移膜，從而避免摩擦配副之間的直接接觸，因而摩擦配副的摩擦系數(shù)和磨損率明顯降低。其中石墨烯添加量為0.3%時(shí)，摩擦系數(shù)最低，約為0.043。張偉等［33］運(yùn)用SRV試驗(yàn)機(jī)對比研究了150SN基礎(chǔ)油和添加石墨烯的150SN潤滑油的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)150SN基礎(chǔ)油不能完成在設(shè)定條件下的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，而添加石墨烯的潤滑油可以順利完成摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001%時(shí)，添加石墨烯潤滑油的摩擦系數(shù)較為穩(wěn)定；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005%，添加石墨烯的潤滑油的摩擦系數(shù)變得很不穩(wěn)定。其主要原因是石墨烯容易附著于摩擦副表面，形成一層低剪切力的薄膜，但當(dāng)石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過某一臨界值時(shí)，基礎(chǔ)油在摩擦副表面生成的油膜破損快于形成，導(dǎo)致摩擦系數(shù)不穩(wěn)定。Varrla等［34］研究了添加超薄石墨烯（集中太陽能放射技術(shù)制備）的潤滑油的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)石墨烯濃度為0.025mg／mL時(shí)，其承載能力達(dá)到最高值，約為935N，摩擦系數(shù)和磨痕直徑分別減小了80%和33%。

Zhang等［35］研究了油酸改性石墨烯調(diào)配的聚α－烯烴潤滑油的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)改性石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%時(shí)，摩擦系數(shù)減小17%；而質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%時(shí)，磨斑直徑減小14%。Choudhary等［36］制備了烷基胺共價(jià)改性氧化石墨烯，這種氧化石墨烯極易分散在非極性有機(jī)溶劑（尤其是脂肪烴類溶劑）中，其中對添加硬脂胺改性的石墨烯配制的正十六烷潤滑油的摩擦學(xué)性能研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)添加濃度為0.06mg／mL，正十六烷潤滑劑的摩擦系數(shù)和磨斑直徑分別減小26%和9%。Senatore等［37］研究了氧化石墨烯納米片在礦物潤滑油中（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.1%），在不同赫茲接觸應(yīng)力、不同溫度和速率下的摩擦磨損變化情況，發(fā)現(xiàn)在所有潤滑域（邊界潤滑，混合潤滑到彈流潤滑域）氧化石墨烯均能使基礎(chǔ)潤滑油的摩擦系數(shù)降低（平均降低20%），同時(shí)使摩擦副從邊界潤滑，混合潤滑到彈流潤，其磨斑直徑分別減小12%、27%和30%。Lin等［38］利用油酸和硬脂酸的回流反應(yīng)對石墨烯片進(jìn)行了改性修飾，改性修飾后的石墨烯可以均勻且穩(wěn)定地分散在潤滑油中，四球摩擦磨損試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其磨損速率和平均摩擦系數(shù)隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長而平穩(wěn)增大，且均低于同等條件下添加天然鱗片石墨的潤滑油和基礎(chǔ)潤滑油的磨損速率和平均摩擦系數(shù)，如圖2所示，進(jìn)一步的研究還發(fā)現(xiàn)當(dāng)改性石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.075%時(shí)，其無卡咬負(fù)荷PB最高，為627.2N。

盡管石墨烯和氧化石墨烯作為潤滑添加劑能顯著改善基礎(chǔ)也的摩擦學(xué)性能，但有時(shí)存在易團(tuán)聚的缺點(diǎn)。在石墨烯表面負(fù)載納米粒子不僅可以有效抑制（氧化）石墨烯團(tuán)聚，而且納米粒子修飾的石墨烯既能保持石墨烯和納米粒子的原有性能，又能產(chǎn)生良好的協(xié)同效應(yīng)。Song等［39］利用簡單水解和高溫煅燒，使α－Fe2O3表面的羧基與Fe形成單配位或雙配位絡(luò)合物，該絡(luò)合物再與GO表面的羧基發(fā)生配位反應(yīng)，從而制備了GO／α－Fe2O3復(fù)合納米潤滑添加劑，研究發(fā)現(xiàn)α－Fe2O3在GO表面的均勻沉積，抑制了氧化石墨烯的二次團(tuán)聚。當(dāng)GO／α－Fe2O3復(fù)合納米潤滑添加劑添加到液體石蠟基礎(chǔ)油中，相較于α－Fe2O3、氧化石墨烯及其物理混合物，GO／α－Fe2O3復(fù)合納米潤滑添加劑不僅在摩擦表面形成潤滑膜，而且GO表面負(fù)載的α－Fe2O3納米粒子能夠引起兩接觸面的滾動(dòng)效應(yīng)，將滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，提高了其承載能力，降低了其摩擦磨損。其中，復(fù)合納米潤滑添加劑質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，其減摩抗磨性能最優(yōu)，如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)時(shí)間對磨損速率和平均摩擦系數(shù)的影響［39］

李 雪 珊［40］通 過 還 原 法 制 備 了Cu－GN（Cu－Graphene）復(fù)合納米潤滑添加劑，相較于納米銅粉、石墨烯及石墨烯與納米銅粉物理混合物，Cu－GN復(fù)合納米潤滑添加劑具有更好的抗磨性能。當(dāng)Cu－GN復(fù)合納米潤滑添加劑和span－80（山梨醇脂肪酸酯）按1∶10的比例分散在10號航空液壓油中，發(fā)現(xiàn)Cu－GN復(fù)合納米潤滑添加劑質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.005%～0.03%時(shí)，其最大無卡咬負(fù)荷PB與基礎(chǔ)油相比提高50%。其主要原因是石墨烯可以進(jìn)入和沉積在摩擦接觸表面，并在摩擦剪切力的作用下，石墨烯層與層之間發(fā)生分離，并形成一層薄薄的固體物理吸附膜，避免了兩個(gè)摩擦副的直接接觸，而石墨烯片層表面負(fù)載大量的均勻分散的球形納米銅粒子，可以填充工作表面的微坑和損壞部位，起到修復(fù)作用。

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的GO、GO／α－Fe2O3復(fù)合材料、α－Fe2O3和GO的混合物以及α－Fe2O3的平均摩擦系數(shù)和磨痕寬度［40］

2.2 水基潤滑添加劑

Song等［41］采用改進(jìn)的Hummers方法制備了氧化石墨烯納米片，這種氧化石墨烯納米片不需任何分散劑或改性劑，就能在水中穩(wěn)定分散。摩擦學(xué)性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種氧化石墨烯添加劑能明顯提高水的減摩抗磨性能，且性能優(yōu)于氧化碳納米管，如在60N的高載下，0.1%的氧化石墨烯水溶液的摩擦系數(shù)和磨痕寬度僅為0.5%氧化碳納米管水溶液的67%和55%，如圖4所示。

Liu等［42］對比研究了氧化石墨烯和改性納米金剛石顆粒作為水潤滑添加劑的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)由于氧化石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)和適當(dāng)尺寸，其作為純水添加劑時(shí)，使Si3N4／Al2O3陶瓷摩擦副的摩擦跑合期由純水潤滑時(shí)的2000s縮短到250s。與改性納米金剛石顆粒比較，氧化石墨烯使Si3N4／Al2O3陶瓷摩擦副的摩擦系數(shù)顯著降低，摩擦磨損試驗(yàn)初始跑合階段的平均摩擦系數(shù)由0.6降低至0.1，當(dāng)進(jìn)入到穩(wěn)態(tài)磨損階段，其摩擦系數(shù)進(jìn)一步減小至0.01，如圖5所示。

圖4 不同載荷下的GO和CNTs－COOH的摩擦系數(shù)和磨痕寬度（3.142m／s，10min）［42］

圖5 去離子水和金剛石（0.5%）、氧化石墨烯（0.7%）水分散體系潤滑下平均摩擦系數(shù)與試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系［43］

王立平團(tuán)隊(duì)［43］對類金剛石／離子液體／石墨烯復(fù)合空間潤滑材料的摩擦學(xué)性能研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石墨烯濃度為0.075mg／mL時(shí)，復(fù)合空間潤滑材料的磨損率 為6.61×10－9mm3／（N·m），摩 擦 系 數(shù) 為0.037，其中磨損率較類金剛石／離子液體降低一個(gè)數(shù)量級，摩擦系數(shù)約降低50%。崔慶生［44］研究了在不同載荷作用下，石墨烯和氧化石墨烯水分散體系的減摩抗磨性能，發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)，石墨烯和氧化石墨烯水分散體系的減摩抗磨性能均有明顯改善。如載荷15N時(shí)，石墨烯水分散體系的摩擦系數(shù)和磨損體積與純水相比，分別降低22.0%和21.3%，氧化石墨烯水分散體系的摩擦系數(shù)和磨損體積分別降低45%和23.7%。

3 展 望

石墨烯以其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和豐富而新奇的性能，以及廣泛的應(yīng)用前景，成為備受關(guān)注和矚目的研究前沿和熱點(diǎn)。石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)熱性能和減摩抗磨性能以及化學(xué)惰性，使其非常適合作為高效、綠色的潤滑添加劑，賦予潤滑劑優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，石墨烯已成為潛在的高性能納米潤滑材料。但石墨烯難以穩(wěn)定分散于潤滑劑中的特性，使其應(yīng)用受限。因此，必須對石墨烯進(jìn)行功能化修飾，研究人員也在這方面開展了積極而有效的工作。但石墨烯的功能化修飾方面的研究還不成熟，對各種功能化的方法和效果還缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識，如何根據(jù)實(shí)際需求對石墨烯進(jìn)行預(yù)期和可控的功能化修飾，以及功能化修飾與其摩擦學(xué)性能的內(nèi)在聯(lián)系，需要在以下幾個(gè)方面開展深入的研究工作。

（1）石墨烯的可控功能化修飾與分散穩(wěn)定調(diào)控機(jī)理，以及功能化修飾與其摩擦學(xué)性能的內(nèi)在聯(lián)系。

（2）不同層數(shù)石墨烯潤滑添加劑的摩擦學(xué)性能，與潤滑劑之間的摩擦化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，以及在摩擦副表面上形成摩擦化學(xué)反應(yīng)膜和轉(zhuǎn)移膜的物理化學(xué)變化。

（3）石墨烯負(fù)載納米粒子功能化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、途徑控制以及負(fù)載反應(yīng)機(jī)理，石墨烯與負(fù)載納米粒子協(xié)同潤滑作用機(jī)理。

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