石墨烯在潤滑油中的應用

陳東立（唐山市烯潤科技發(fā)展有限公司，河北 灤州063700）

潤滑油是一種可以使機械設備在運轉過程中降低摩擦的潤滑劑，是由基礎油和添加劑組成的。其中，添加劑的作用是使?jié)櫥透庸δ芑?。傳統(tǒng)潤滑油潤滑能力有限，為了提高潤滑油的性能，通常會加入一下含硫、磷、氯的添加劑，但是這種添加劑的使用給環(huán)境帶來了巨大的壓力。為了改善這一現狀，新型的添加劑不斷被發(fā)現，尤其是納米材料的出現，為潤滑油添加劑提供了很多資源，將納米材料應用于潤滑油中，可以起到減摩、抗磨、抗壓等作用。常見的納米添加劑有硼酸鈣、硼酸鎂、軟金屬納米材料、有機硼化物、有機鋁化物和碳納米材料。石墨烯是一種新型的碳納米材料，質量輕、強度大、具有優(yōu)異的導電性和導熱性，且石墨烯層與層之間可以滑動，抗磨損性較強，逐漸被人們應用于潤滑油領域。

1 石墨烯簡介

石墨烯是一種具有宏觀尺寸的新型碳納米材料，其尺寸在同一平面內可以無限擴展，在厚度方面為納米級別，是一種具有原子級厚度的二維碳材料。隨著技術的發(fā)展，石墨烯的種類也逐漸增多，根據石墨烯層的數量可以將其分為單層石墨烯、少層石墨烯和多層石墨烯。其中，單層石墨烯的碳原子多為sp2雜化形式，其晶體結構為六元環(huán)二維蜂窩狀晶格，單層石墨烯的理論厚度為0.335 nm。

石墨烯的成鍵情況與石墨相同，構成石墨烯的碳原子在2s、2px，和2py 軌道上形成雜化軌道，并與相鄰的碳原子形成σ鍵，鍵角為120°，這種結構特別穩(wěn)定，且每個碳原子的2pz 軌道上剩余一個電子，可以通過電子離域的形式想成大π鍵。離域的電子在晶體中還可以自由運動，這就使石墨烯具有與石墨等其他納米材料不具備的特性，例如表面積大、質量輕、導熱性能好、能耐高溫，可自潤滑。

隨著石墨烯的特異性能被逐漸發(fā)現，人們不斷的改變制備方法，制備不同結構、尺寸、層數的石墨烯，這些基本條件都直接影響石墨烯的性能。目前，已經成功制備的石墨烯有很多種，從層數上可分為單層石墨烯、雙層石墨烯、少層石墨烯和多層石墨烯；從價鍵理論可分為氧化石墨烯、還原石墨烯和還原氧化石墨烯；另外，目前制備的還有功能石墨烯。不同的石墨烯性能不同，當石墨烯的層數多于10層時，性能與石墨相近，當石墨烯的層數少于10層時，則表現出許多特異的性能。氧化石墨烯具有較大的缺陷，而還原石墨烯的缺陷較少，氧化石墨烯想減少缺陷可以通過功能化的方式。

2 石墨烯的潤滑性能

石墨烯是一種單層或多層結構的碳納米材料，對于多層石墨烯，層與層之間可以滑動，因此，具有特殊的潤滑性能，不同方法制備的石墨烯，層數、層與層之間的距離、堆垛形式、尺寸、形狀和缺陷不同，這些參數都會影響石墨烯的潤滑性能，除此之外，石墨烯的潤滑性能還受相對滑動方向的影響。經研究發(fā)現，用于潤滑油中的石墨烯，層數的多少對潤滑性能有著較大的影響，當石墨烯層數為2～3 層時，石墨烯表現出最佳的潤滑性能，其摩擦力接近零。因此，堆疊的多層石墨烯作為潤滑添加劑具有更佳的潤滑性能。另外，石墨烯的堆垛形式對其潤滑性能也有較大的影響，以非公度形式堆垛的石墨烯表現出的摩擦力較小，且這種摩擦力會隨著石墨烯層間距的增加而減小，以AB 形式堆垛的石墨烯現出的摩擦力則不同，其摩擦力隨層間距的減小而增加。

在實際應用過程中，石墨烯的摩擦力不可能為零，Sandoz-Rosado等研究了石墨烯薄膜的潤滑性能及失效機理，在研究過程中采取了原子模擬方法，研究發(fā)現，壓頭在較低的速率下滑動時，石墨烯的化學鍵斷裂較少，摩擦相對較大，當增加滑動速度時，石墨烯的化學鍵斷裂不斷增多，摩擦逐漸減小。Lin 等研究了多層石墨烯膜的潤滑性能，研究發(fā)現石墨烯的潤滑性能是固有的，石墨作為潤滑油添加劑，潤滑性能較好。

3 石墨烯的潤滑機理

為了研究石墨烯的潤滑機理，人們總結出了薄膜潤滑機理。根據這這一機理，將石墨烯添加到潤滑油中時，當形成的油膜層數較多時，石墨烯表現出的潤滑機理趨于薄膜潤滑，當形成的油膜層數較少時，，石墨烯表現出的潤滑機理為混合潤滑。因此，在使用過程中，隨著石墨烯添加量的增加，摩擦物表面逐漸被石墨烯覆蓋，摩擦物的表面粗糙程度也逐漸被石墨烯的粗糙程度代替，形成更多的油膜，可以用薄膜潤滑機理進行解釋，潤滑性能大幅度提高。當石墨烯的添加量增加到一定程度后，如果繼續(xù)添加石墨烯，多余的石墨烯則會在摩擦物表面堆積，使原本形成的油膜被破壞，潤滑機理表現為混合潤滑，潤滑性能下降。對于混合潤滑機理，體系中存在三種摩擦，一種是被石墨烯覆蓋形成油膜的兩種摩擦物摩擦，一種是被石墨烯覆蓋形成油膜的摩擦物與未形成油膜的摩擦物摩擦，最后一種是都未形成油膜的兩種摩擦物摩擦。此時，添加石墨烯的潤滑油的潤滑性能與這三種摩擦直接相關。

綜上所述，沒有添加石墨烯等添加劑的潤滑油，其潤滑機理為混合潤滑機理，添加合適量的石墨烯的潤滑油，其潤滑機理為薄膜潤滑，添加過量石墨烯的潤滑油，其潤滑機理為混合潤滑。

4 石墨烯在潤滑油中的應用

在眾多的潤滑油添加劑中，石墨烯是一種性能優(yōu)異的新型添加劑，將其添加到基礎油中，可以提高潤滑油的潤滑性能和抗磨性能，但是，石墨烯表面存在大量的羥基、羧基等親水基團，因此，與基礎油的相容性不是很好，將其添加到基礎油中，出現了分散穩(wěn)定性差、易團聚等問題，從而影響了石墨烯性能的發(fā)揮，因此，目前對石墨烯的研究主要集中在兩個方面，一方面是制備特定結構、層數的石墨烯，從而提高石墨烯的潤滑性能，Senatore 等制備了氧化石墨烯，并用超聲法將石墨烯分散于基礎油中，可以明顯降低制備的潤滑油的摩擦系數和磨損率。另一方面則是對石墨烯的表面進行改性，從而改善石墨烯與基礎油的相容性，Lin 等利用硬脂酸為改性劑，通過化學改性法制備了硬脂酸接枝石墨烯，石墨烯表面長鏈烷烴的存在減少了石墨烯表面的親水基團，增強了其與基礎油的相容性，制備的潤滑油具有更低和更穩(wěn)定的摩擦系數和更高的軸承抗磨損能力。Zhang 等以油酸為改性劑，制備了功能化的石墨烯，該石墨烯的添加降低了潤滑油的摩擦系數，增加了其強度。Choudhary 等以烷基胺為改性劑制備了功能石墨烯，改性后的石墨烯在基礎油中的分散性較好。

石墨烯除了單獨作為添加劑用于潤滑油效果較好外，還可以與其他添加劑共同使用提高潤滑油的性能，Farsadi等將功能化的氧化石墨烯同二硫化鉬復合，并用作潤滑油的添加劑，效果更為明顯。Jia 等將石墨烯、硼砂和硝酸鈣復合，并采用水熱法制備了復合添加劑，并以油酸改性，大幅度提高了潤滑油的潤滑性能和抗磨性能。

5 結語

石墨烯是一種新型的碳納米材料，具有非常優(yōu)異的性能，如質量輕、導熱性能好、導電性能好、具有良好的防腐蝕性能，還有很好的自潤滑性能。石墨烯自潤滑性能的發(fā)現使其在潤滑油領域具有潛在的應用價值。本文介紹了石墨烯的潤滑性能和潤滑機理，綜述了石墨烯在潤滑油中的應用，石墨烯的加入增強了潤滑油的潤滑性能和抗磨性能，但是在相容性方面還存在一些問題，在以后的研究中，還需要深入研究石墨烯的表面改性，從而改善石墨烯與潤滑油之間的相容性；還需深入研究石墨烯的潤滑機理及與其他添加劑的協(xié)同作用，以便開發(fā)出性能更加優(yōu)異的潤滑油。