石墨烯添加劑潤(rùn)滑性能的研究進(jìn)展

侯鎖霞，李兆剛，任呈祥，吳超，張好強(qiáng)

(1.華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.唐山學(xué)院 交通與車輛工程學(xué)院，河北 唐山 063000)

在日常工業(yè)生產(chǎn)中，摩擦過程的產(chǎn)生會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率甚至對(duì)零器件造成損害?？刂颇Σ磷钣行У姆椒ㄊ鞘褂霉?液體潤(rùn)滑劑。潤(rùn)滑劑可以通過阻礙摩擦表面直接接觸或者在摩擦表面形成潤(rùn)滑膜來減小摩擦，比如在車床加工當(dāng)中，適當(dāng)?shù)那邢饕嚎梢杂行У貙p小刀具與已加工表面之間的摩擦、切削力等，從而提高工件加工精度[1-4]。

而傳統(tǒng)的液體潤(rùn)滑劑在潤(rùn)滑、導(dǎo)熱等性能中并不理想，且無法在許多特殊環(huán)境下使用[5]。隨著對(duì)碳材料研究的進(jìn)展,人們發(fā)現(xiàn)石墨烯具有獨(dú)特的物化性能，高度的化學(xué)惰性、極高的強(qiáng)度，以及較弱的剪切強(qiáng)度，通過添加在潤(rùn)滑油、切削液等液體潤(rùn)滑劑當(dāng)中可以有效地提高其潤(rùn)滑以及減磨抗磨性能[6-7]。同時(shí)，石墨烯對(duì)氣體、液體的不透過性，可以有效減緩摩擦表面的腐蝕和氧化過程,其良好的導(dǎo)熱性能可以有效傳導(dǎo)摩擦熱，從而減少基體材料在摩擦過程中的分解[8]。除了單一使用外，石墨烯與其他納米粒子混合使用，不僅有助于提升納米粒子的分散性，減少團(tuán)聚現(xiàn)象，而且能夠表現(xiàn)出減磨抗磨的協(xié)同作用[9-10]。

本綜述主要對(duì)石墨烯類潤(rùn)滑添加劑以及其復(fù)合添加劑為研究對(duì)象，對(duì)比石墨烯類添加劑在油基潤(rùn)滑、水基潤(rùn)滑、離子基潤(rùn)滑和復(fù)合材料潤(rùn)滑中潤(rùn)滑效果，揭示其減摩抗磨機(jī)理，得出石墨烯作為添加劑時(shí)的濃度、層數(shù)、分散性等因素對(duì)潤(rùn)滑作用的影響規(guī)律，探討當(dāng)前研究成果中存在的問題，展望了石墨烯作為潤(rùn)滑劑添加劑在摩擦磨損領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

1 石墨烯類添加劑在油基潤(rùn)滑中的應(yīng)用

潤(rùn)滑油可以有效提高生產(chǎn)的效率，減輕生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的摩擦效果，在工業(yè)生產(chǎn)中具有很重要的運(yùn)用，而通過向基礎(chǔ)油中添加石墨烯納米顆粒，可以有效減少摩擦副之間直接接觸，同時(shí)摩擦過程中形成的摩擦膜可以提高潤(rùn)滑添加劑的強(qiáng)度，增大承載力，從而達(dá)到減磨抗磨作用[11]。

吳陸鵬等[12]將少層石墨烯納米片添加到4010航空潤(rùn)滑油中，用四球摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試了其在不同載荷、轉(zhuǎn)速和濃度下的摩擦學(xué)性能影響情況。研究結(jié)果表明：石墨烯納米片作為潤(rùn)滑油添加劑可以有效提高摩擦副的摩擦學(xué)性能。在添加0.5%的石墨烯納米片時(shí)，摩擦學(xué)性能提升最為明顯，與基礎(chǔ)油相比，減摩性能提高14.7%，耐磨性提高34%，承載能力提高18.2%。此外，在所有實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速和外加載荷下，石墨烯的加入對(duì)摩擦副的摩擦學(xué)性能都有積極的影響。尤其是，在重載情況下，減磨抗磨的效果更為顯著。在98 N載荷下，摩擦系數(shù)和磨痕直徑分別降低9.4%和16.9%，在647 N載荷下，摩擦系數(shù)和磨痕直徑分別降低20.5%和28.3%。

張立秀等[13]使用球盤式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)研究了石墨烯在不同濃度、轉(zhuǎn)速、載荷下作為美孚DTE輕級(jí)潤(rùn)滑油(MDOL)添加劑的潤(rùn)滑效果，以及溫度變化，研究結(jié)果表明：通過向MDOL中加入石墨烯，對(duì)改善滑動(dòng)副的摩擦學(xué)性能有積極作用。見圖1，當(dāng)采用轉(zhuǎn)速為500 r/min，載荷為40 N，GO濃度為0.3%時(shí)，與純MDOL相比，平均摩擦系數(shù)(AFC)、磨痕寬度(WSW)分別降低了67.37%和28.37%，同時(shí)，由于石墨烯較高的導(dǎo)熱系數(shù)和較大的比表面積，可以有效減少表面溫度，在濃度為1.5%，載荷為140 N，轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，可以達(dá)到最大的散熱效果，相對(duì)于純MDOL摩擦表面溫度減少了56.22%。

圖1 不同石墨烯濃度對(duì)磨痕寬度與平均摩擦系數(shù)的影響Fig.1 Effect of different graphene concentrations on wear mark width and average friction coefficient

以上兩項(xiàng)研究均可以得出石墨烯的減磨抗磨機(jī)理：由于石墨烯的薄層片狀結(jié)構(gòu)可以很容易地進(jìn)入到摩擦表面形成保護(hù)性的摩擦膜，防止摩擦副直接接觸從而提高減磨耐磨性能，但其實(shí)驗(yàn)時(shí)只是對(duì)石墨烯進(jìn)行簡(jiǎn)單的超聲處理的物理分散手段，并未考慮到石墨烯自身性質(zhì)或者在摩擦過程中反應(yīng)所導(dǎo)致在潤(rùn)滑劑中形成團(tuán)聚或者不穩(wěn)定的現(xiàn)象[14-15]。物理分散法由于強(qiáng)烈的外力作用對(duì)石墨烯的表面結(jié)構(gòu)、形態(tài)和性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響。且當(dāng)停止外力作用時(shí)，石墨烯容易在分子間作用力下重新團(tuán)聚，所以目前常用化學(xué)法對(duì)石墨烯進(jìn)行分散[16]。化學(xué)法又主要包括以下兩種方法：(1)向石墨烯中加入分散劑，通過分散劑的作用阻礙石墨烯的團(tuán)聚[17]；(2)通過對(duì)石墨烯進(jìn)行表面改性，接枝特殊官能團(tuán)，從而達(dá)到穩(wěn)定分散的目的。

張偉等[17]使用聚異丁烯基丁二酰亞胺作為分散劑，使用SRV-4多功能摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)研究石墨烯作為150 sn基礎(chǔ)油添加劑下的摩擦學(xué)性能，研究結(jié)果表明：在高載荷和高溫度下，加入了石墨烯后的基礎(chǔ)油可以阻礙油膜在高載荷下破裂，表明石墨烯的加入可以有效提高基礎(chǔ)油的承載能力，并且和高濃度下(0.005%)相比，較低濃度(0.001%)下摩擦系數(shù)更為穩(wěn)定。

Bao等[18]將氧化石墨烯加入到PAO4基礎(chǔ)油當(dāng)中，使用聚異丁烯琥珀酰亞胺(PIBS)作為分散劑，在UMT-3型摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)其摩擦學(xué)性能進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：加入分散劑后，PIBS大分子可以附著在石墨烯表面，使得石墨烯尺寸減小，可以有效提高其在油中的分散性。同時(shí)，與基礎(chǔ)油相比，加入分散劑后的石墨烯摩擦系數(shù)降低54%，磨損率降低了60%。

基于以上研究可以發(fā)現(xiàn)，石墨烯納米片與分散劑存在協(xié)同作用，可以在摩擦表面形成均勻的、連續(xù)的碳摩擦膜，從而提高基礎(chǔ)油的潤(rùn)滑性能，降低磨損量。

Wang等[19]使用相轉(zhuǎn)移法，使用油胺對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行改性，并將其分散在正十六烷中，用SRV4摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦學(xué)性能分析。研究結(jié)果表明：當(dāng)氧化石墨烯添加量為25 mL/L時(shí)，摩擦系數(shù)達(dá)到最小值0.15，與單一的正十六烷相比，添加了石墨烯的潤(rùn)滑油摩擦系數(shù)更穩(wěn)定，同時(shí)能夠有效提高減磨抗磨能力，磨損率更低，其減磨抗磨機(jī)理有三個(gè)：(1)油胺分子間的低剪切力;(2)正十六烷流體間的低剪切力;(3)石墨烯片層間的低剪切力，其中，摩擦表明吸附的石墨烯膜是提高摩擦學(xué)性能的關(guān)鍵因素。

Bhavya等[20]使用十八胺(ODA)對(duì)還原氧化石墨烯(RGO)進(jìn)行改性，用四球摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)量ODA-RGO分散在石蠟油后在邊界潤(rùn)滑和彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑(EHD)下的摩擦學(xué)性能，用粘度計(jì)測(cè)量了加入前后的粘性，研究結(jié)果表明：ODA-RGO的加入可以使得石蠟油的粘度提高60%，當(dāng)石墨烯濃度為0.2%時(shí)，在邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下摩擦系數(shù)與純石蠟油相比減少了61.8%，EHD狀態(tài)下摩擦系數(shù)減少75%，磨痕直徑減少了92.5%。

Zhang等[21]用1-十二硫醇和叔十二烷基硫醇對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行改性，分別制備了具有長(zhǎng)鏈烷基和硫元素的GO-D和GO-T薄片，將其分散在菜籽油(RSO)當(dāng)中，并用MMW-1四球摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)其摩擦學(xué)性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明：在GO濃度為0.2%時(shí)，潤(rùn)滑劑的摩擦學(xué)性能最佳，與純RSO相比，GO-D的摩擦系數(shù)降低44.5%，磨損率降低40%，GO-T的摩擦系數(shù)降低38%，磨損率降低33%，兩種改性方式均能夠提高潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑性能，并且由于活性硫元素的加入，還能提高潤(rùn)滑劑的極壓性能。

Mungseu等[22]通過十八烷基三氯硅烷(OTCS)和十八烷基三乙氧基硅烷(OTES)的共價(jià)作用，制備了烷基化氧化石墨烯(GO)/還原氧化石墨烯(rGO)，將其作為聚合醇基礎(chǔ)油的添加劑，并用四球摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)其潤(rùn)滑性能進(jìn)行分析，研究表明：GO-OTCS的接枝密度最大，而rGO-OTES的接枝密度最低，在GO和rGO上接枝的十八烷基硅烷促進(jìn)了它們?cè)诨A(chǔ)油中的分散性能，十八烷基硅烷接枝密度最大的GO-OTCs具有良好的分散性，在相同的摩擦條件下，rGO-OTCS和rGO-OTES的減摩率為29%～37%，優(yōu)于GO-OTCS和GO-OTES的減摩率(23%～25%)，這是由于GO上面的氧官能團(tuán)降低了片層之間的易剪性。

基于上述研究可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)石墨烯進(jìn)行外部修飾，能夠提高其在潤(rùn)滑油中的分散性，改變其潤(rùn)滑性能。除了外部因素，石墨烯本身的結(jié)構(gòu)也會(huì)影響其潤(rùn)滑性能。

Zhao等[23]在基礎(chǔ)油中加入3種不同剝離程度(層數(shù))的石墨烯，分別是剝離程度較好的少層石墨烯FLG-Ls(約3層)，剝離程度居中的石墨烯FLG-Ms(約7層)，剝離程度最差的多層石墨烯MLG-Ss(10層以上)，并在UMT-3摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明：剝離程度較高的FLG-Ls具有良好的摩擦學(xué)性能，在濃度為0.5%摩擦系數(shù)低至0.08，而剝離程度較差的MLG-Ss摩擦系數(shù)幾乎和純基礎(chǔ)油一樣大，不能改善潤(rùn)滑性。其減磨抗磨機(jī)理是：在摩擦過程中，剝離程度較高的石墨烯會(huì)形成有序的，均勻的；與摩擦界面平行的摩擦膜，有效改善潤(rùn)滑性能，而剝離程度較低的石墨烯會(huì)形成無序的，有缺陷的結(jié)構(gòu)，無法形成摩擦膜。

Anbo等[24]用動(dòng)力學(xué)仿真研究Stone-Wales缺陷對(duì)石墨烯摩擦學(xué)性能的影響，比較了缺陷石墨烯和原始石墨烯的摩擦學(xué)性能；研究表明：該缺陷在摩擦過程中存在釘扎效應(yīng)，會(huì)增加石墨烯在zigzag和armchair方向上的摩擦力。而且Stone-Wales缺陷會(huì)改變褶皺的形態(tài)，缺陷對(duì)平面外變形的抵抗力導(dǎo)致缺陷位置附近有更高的褶皺，而褶皺的變形會(huì)導(dǎo)致更高的摩擦力。

上述研究總結(jié)了石墨烯作為潤(rùn)滑油添加劑在不同條件下對(duì)潤(rùn)滑性能的影響情況，但均是使用單一的石墨烯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究表明：石墨烯與其他納米粒子作為復(fù)合添加劑時(shí)能夠產(chǎn)生協(xié)同作用，提高潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑性能和抗磨能力[25-26]。

Meng等[27]采用超臨界水解和簡(jiǎn)易熱分解相結(jié)合的方法制備了氧化銅/氧化石墨烯(CuO/rGO)納米復(fù)合材料，用十八胺進(jìn)行表面改性后加入到10w40內(nèi)燃機(jī)油中，并用UMT摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦學(xué)性能測(cè)試，研究結(jié)果表明：所合成的CuO/rGO具有獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，與純機(jī)油相比，0.06CuO/-0.18%CuO/RGO內(nèi)燃機(jī)油的摩擦系數(shù)和磨損率分別降低了46.62%和77.05%。此外，CuO/rGO作為納米添加劑表現(xiàn)出比rGO、CuO及其機(jī)械混合物更優(yōu)越的潤(rùn)滑性能。CuO/rGO納米復(fù)合材料的協(xié)同潤(rùn)滑作用主要得益于其特殊的納米結(jié)構(gòu)，而不僅僅是CuO和rGO的共存。CuO/rGO納米添加劑的抗磨減摩機(jī)理主要來自其協(xié)同潤(rùn)滑作用和納米復(fù)合材料自發(fā)沉積行為在磨損表面形成的摩擦膜。

Alghani等[28]將銳鈦礦型TiO2與石墨烯納米片添加到基礎(chǔ)油當(dāng)中，用油酸作為分散劑，用TR-30四球摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦學(xué)性能分析，研究結(jié)果表明：在基礎(chǔ)油中加入0.4%TiO2+0.2%石墨烯納米粒子后可以達(dá)到最佳的潤(rùn)滑效果，摩擦系數(shù)為0.06，磨痕直徑為0.55 mm。與純基礎(chǔ)油相比，最佳濃度下的TiO2石墨烯納米潤(rùn)滑劑的摩擦系數(shù)、磨痕直徑和比磨損率分別降低了38.83%,36.78%,15.78%。這些潤(rùn)滑性能的提升是由于兩種納米粒子的協(xié)同作用和在滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)過程中形成的納米粒子摩擦膜。

Wang等[29]用激光輻照的方法，將銀與石墨烯混合作為添加劑分散到石蠟油中，用MM-W1B四球摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦學(xué)性能分析，研究表明：激光輻照可以有效防止團(tuán)聚，讓銀納米球均勻覆蓋在石墨烯薄膜上，與純石蠟油相比，復(fù)合添加劑濃度為0.1%時(shí)，摩擦系數(shù)和磨斑直徑分別降低40%和36%，其潤(rùn)滑機(jī)理是：復(fù)合潤(rùn)滑材料尺寸小，分散穩(wěn)定性強(qiáng)，容易進(jìn)入摩擦區(qū)域，此外銀與石墨烯高度剝離的層狀結(jié)構(gòu)具有良好的自潤(rùn)滑性能，銀具有特殊的球形形狀可以將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，有效地降低了摩擦磨損。

上述研究表明，石墨烯在油基潤(rùn)滑中存在許多影響因素，包括石墨烯在油中的濃度，分散性；自身的層數(shù)，缺陷；摩擦過程中實(shí)驗(yàn)機(jī)的載荷、轉(zhuǎn)速等因素都會(huì)影響其潤(rùn)滑性能。

2 石墨烯類添加劑在水基潤(rùn)滑中的應(yīng)用

長(zhǎng)期以來，水基潤(rùn)滑劑因其節(jié)能和環(huán)保的特點(diǎn)而受到相當(dāng)大的關(guān)注[30-32]。然而，水作為潤(rùn)滑劑存在一些局限性，如粘度低、摩擦學(xué)性能差等。因此，納米顆粒被認(rèn)為是提高摩擦學(xué)性能的有效水基潤(rùn)滑添加劑，而石墨烯由于其獨(dú)特的性能也廣泛應(yīng)用在水基潤(rùn)滑當(dāng)中[33-34]。

Liang等[30]使用原位剝離石墨烯作為潤(rùn)滑添加劑，將其加入到去離子水中，并使用TritonX-100作為表面活性劑，并進(jìn)行超聲和離心處理制備了石墨烯水分散液(G-L)，同時(shí)制備了氧化石墨烯分散于水溶液和表面活性劑的兩組對(duì)比分散液(GO-L/GOT-L)，使用UMT-3球盤式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦學(xué)性能分析，研究結(jié)果表明：樣品的減磨能力遵循如下規(guī)律：G-L>GO-L/GOT-L>溶劑>去離子水。在最佳濃度110 mg/mL下，去離子水相比，G-L樣品與摩擦系數(shù)的降幅為81.3%，磨損率降幅為61.8%，GO-L和GOT-L樣品的摩擦系數(shù)降低幅度分別為37.8%和44.2%，磨損率降幅為27.8%/26.1%，同時(shí)隨著滑動(dòng)時(shí)間的增加，G-L樣品的摩擦系數(shù)更穩(wěn)定，曲線波動(dòng)不大。

Kinoshita等[35]使用微波輻照的方式將單層氧化石墨烯分散到去離子水中，用往復(fù)式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦學(xué)性能分析，研究表明：氧化石墨烯摩擦系數(shù)最初較高，隨著循環(huán)次數(shù)增加，摩擦系數(shù)開始降低，隨后逐漸平穩(wěn)，最低可達(dá)到0.05，與純水相比摩擦系數(shù)降幅為87%。

Min等[36]使用HF和HNO3對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行改性，通過水熱反應(yīng)合成了具有親水性的氟化氧化石墨烯(FGO)，并用同樣的方法合成了還原氧化石墨烯(FrGO)，采用球盤式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)樣品摩擦學(xué)性能進(jìn)行分析，研究表明：相比于FrGO，F(xiàn)GO具有更優(yōu)異的分散性能，在最佳濃度為0.7%時(shí)潤(rùn)滑性能最好，與純水相比，F(xiàn)GO的摩擦系數(shù)和磨損率降幅為41.4%和88.1%，F(xiàn)rGO的摩擦系數(shù)和磨損率降幅為14.9%和54.2%，同時(shí)FGO的磨痕寬度要小于FrGO與純水。

Wu等[9]將氧化石墨烯(GO)與納米金剛石(Nd)作為復(fù)合添加劑加入到水中作為潤(rùn)滑劑，以Si3N4和硅片作為摩擦副，在往復(fù)式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦學(xué)性能分析，研究表明：GO和Nd的協(xié)同作用表現(xiàn)出了良好的減磨抗磨性能，在載荷為40 N， GO與Nd濃度為0.1%和0.5%時(shí)具有最佳摩擦系數(shù)為0.03，相比純水摩擦系數(shù)降低90%，與單一添加劑(GO/Nd)相比摩擦系數(shù)降低62%。良好的潤(rùn)滑性能來源于GO層間較低的剪切力與Nd的滾珠軸承效應(yīng)。

Huang等[37]在去離子水中加入氧化石墨烯(GO)和氧化鋁(Al2O3)納米粒子制備了Al2O3-GO水基潤(rùn)滑劑，使用UMT-3型摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦學(xué)性能分析，研究表明：Al2O3納米粒子可以均勻地分布在GO片層上，防止粒子之間相互團(tuán)聚，并且可以有效提高GO潤(rùn)滑膜的承載能力。在摩擦過程中兩種粒子可以進(jìn)入到接觸表面形成復(fù)合潤(rùn)滑膜，防止接觸表面直接接觸，提高潤(rùn)滑效果。摩擦學(xué)性能分析表明，在Al2O3與GO濃度均為0.06%時(shí)，可以達(dá)到最低摩擦系數(shù)0.18，與去離子水、純GO和Al2O3溶液相比，摩擦系數(shù)降幅為66%,47%,64%，磨痕直徑降幅為35%,12%,34%。

3 石墨烯類添加劑在離子液體中的應(yīng)用

離子液體作為一種先進(jìn)功能流體，由于其良好的熱穩(wěn)定性，低揮發(fā)性，在潤(rùn)滑劑方面有良好的應(yīng)用[38-39]，研究表明，使用離子液體對(duì)石墨烯進(jìn)行預(yù)改性和剝離，可以有效提高石墨烯類潤(rùn)滑劑的減磨抗磨性能,作為多功能潤(rùn)滑劑在工業(yè)生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用[40]。

Pamies[41]將離子液體1-乙基-3-甲基咪唑(EMIM)與雙氰胺[DCA])、EMIM與雙三氟甲基磺酰亞胺(TFSI)分別于少層石墨烯，通過球磨、超聲后混合得到復(fù)合潤(rùn)滑劑。使用旋轉(zhuǎn)流變儀和銷盤式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)樣品的流變行為和摩擦學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。研究表明：粘度隨著剪切速率的增加而下降，EMIM-DCA表現(xiàn)出比EMIM-TFSI低得多的粘度值，而石墨烯的加入會(huì)有效提高潤(rùn)滑劑的粘度，同時(shí)加入0.5%的石墨烯使EMIM-DCA和EMIM-TFSI最大粘度分別增加了48.5%和70.5%，而加入1%的石墨烯使EMIM-DCA和EMIM-TFSI的最大粘度分別增加了151%和269%，摩擦學(xué)分析表示，與EMIM-DCA相比，EMIM-TFSI石墨烯分散體具有更優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，在石墨烯濃度為0.5%時(shí)，摩擦系數(shù)最低可達(dá)到0.08，磨損率為1.66×10-6(mm3Nm)， EMIM-TFSI石墨烯分散體具有更優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，可防止表面損傷。石墨烯-離子液體納米流體的這種良好的潤(rùn)滑性能歸因于離子液體-石墨烯分散體具有較高的承載能力，并且在磨損表面上形成了石墨烯潤(rùn)膜，避免摩擦表面直接接觸。

Fan等[40]使用烷基咪唑離子液體LB104、LP104、LF106通過環(huán)氧化開環(huán)反應(yīng)對(duì)氧化石墨烯(GO)進(jìn)行改性，將其轉(zhuǎn)化為石墨烯(G)，并作為多烷基環(huán)戊烷(MARs)的添加劑，使用SRV往復(fù)式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)其摩擦學(xué)性能進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明：在添加劑濃度為0.1%，樣品MARs+G-LB104潤(rùn)滑性能最好，在25 ℃環(huán)境下摩擦系數(shù)最低為0.21,200 ℃環(huán)境下摩擦系數(shù)最低為0.14，與純MACS相比，同等條件下摩擦和磨損分別降低了27%和74%，在MACS中分散性和穩(wěn)定性好的石墨烯顯著提高了摩擦學(xué)性能，其磨損機(jī)理是由于石墨烯離子液體復(fù)合潤(rùn)滑膜在摩擦副之間形成的物理吸附膜和摩擦化學(xué)反應(yīng)膜的協(xié)同作用，從而提高潤(rùn)滑劑的減磨抗磨能力和潤(rùn)滑性能。

Wang等[42]用碳氟和氨基結(jié)構(gòu)的離子液體過酰胺化反應(yīng)和熱還原法制備了蓬松的納米孔結(jié)構(gòu)的離子液體改性石墨烯(TrGO-IL)，然后將TrGO-IL與純氟醚橡膠共混制得橡膠復(fù)合材料(FM-TrGO-IL-1)，使用UMT-3型摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)其摩擦學(xué)性能進(jìn)行分析，研究表明：與未改性石墨烯相比，F(xiàn)M-TrGO-IL-1復(fù)合材料與氟醚橡膠的相容性和交聯(lián)密度同時(shí)提高，同時(shí)，F(xiàn)M-TrGO-IL-1的摩擦系數(shù)和磨損率分別降低了13.1%和59.8%。其減磨抗磨機(jī)理是離子液體在石墨烯表面提供了一層有效的自潤(rùn)滑層，使TrGO-IL與橡膠基體形成了良好的界面結(jié)合，提高了FM-TrGO-IL-1的耐磨性。

Kumar等[43]使用離子液體水楊酸鹽(BScB)，通過激光輻照的方法合成功能化石墨烯(G0-BScB),使用CSM型球盤式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)量了GO-BSCB在直線往復(fù)模式下的摩擦學(xué)性能,研究表明：在較低濃度下，摩擦系數(shù)較高，當(dāng)GO-BSCB樣品濃度0.8 mg/mL時(shí)，摩擦力逐漸降至最低值(0.138)。但是，隨著劑量的增加，摩擦值逐漸增大。另一方面，在循環(huán)次數(shù)不斷增加的條件下，摩擦系數(shù)是先增高后降低。

Noelia等[44]使用兩種不同層數(shù)的石墨烯，分別是1～2層石墨烯(G1)和1～10層石墨烯(G2)，將其加入到離子液體1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽(IL)中合成了石墨烯/離子液體分散體，使用ISC銷盤式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)合成的潤(rùn)滑劑進(jìn)行摩擦學(xué)性能研究，結(jié)果表明：在石墨烯添加劑濃度均為0.1%時(shí)，對(duì)摩擦表面的減摩效果依次為(IL+G2)>IL>(IL+G1)，在IL中添加0.1%G2可以降低16%的平均摩擦系數(shù)值，見圖2，而添加G1反而會(huì)提高平均摩擦系數(shù)，其原因可能是由于G1表面存在的多層石墨結(jié)構(gòu)會(huì)影響到離子液體對(duì)石墨烯表面的修飾[45]。

圖2 平均摩擦系數(shù)Fig.2 Average friction coefficient

4 結(jié)束語

基于石墨烯獨(dú)特的物化性能，將其作為潤(rùn)滑添加劑應(yīng)用于金屬摩擦副中，可以顯著提高基礎(chǔ)油和冷卻劑的熱物理性能和潤(rùn)滑性能，同時(shí)，與其他納米粒子相結(jié)合時(shí)存在協(xié)同作用，形成復(fù)合潤(rùn)滑膜附著在接觸表面，能夠大大增強(qiáng)自身的減磨抗磨性能，在摩擦學(xué)領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。為進(jìn)一步提高石墨烯在摩擦學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，提高其潤(rùn)滑性能，今后需要對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)一步深入研究：

(1)增強(qiáng)石墨烯在潤(rùn)滑劑中的穩(wěn)定分散性，減少團(tuán)聚，從而提高潤(rùn)滑油的持久性至關(guān)重要，包括不同分散劑以及改性方法對(duì)石墨烯分散性的影響。

(2)石墨烯的層數(shù)、褶皺、彎曲、扭曲、剝落等本位結(jié)構(gòu)對(duì)潤(rùn)滑性能的影響。不同形態(tài)下石墨烯的結(jié)構(gòu)差異性會(huì)對(duì)其潤(rùn)滑性能產(chǎn)生較大的影響，目前對(duì)于石墨烯的自身結(jié)構(gòu)對(duì)其摩擦學(xué)性能的影響研究較少。

(3)深入探討石墨烯在摩擦過程中的潤(rùn)滑機(jī)理。采用模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法獲得石墨烯作為潤(rùn)滑添加劑的減磨抗磨機(jī)理。

(4)石墨烯類潤(rùn)滑劑增強(qiáng)金屬間潤(rùn)滑性能的研究。石墨烯在金屬表面附著力較低是影響其潤(rùn)滑性能的主要因素，提高石墨烯的附著力能夠有效提升石墨烯類添加劑在金屬間的潤(rùn)滑能力。

(5)拓展石墨烯作為潤(rùn)滑添加劑的應(yīng)用。諸如真空、高溫等特殊工作環(huán)境下石墨烯類添加劑的潤(rùn)滑性能。