石墨烯/高密度聚乙烯在水潤滑條件下的摩擦學性能研究

張栗源，董從林，袁成清，吳宇航

（1.武漢理工大學 a.交通與物流工程學院 b.船舶動力工程技術交通行業(yè)重點實驗室，武漢430063；2.國家水運安全工程技術研究中心 可靠性工程研究所，武漢430063）

船舶推進軸系是船舶動力裝置中重要的組成部分之一。水潤滑尾軸承是船舶推進軸系中重要的支撐部件[1]，其性能直接影響船舶的安全和運營成本，優(yōu)異的水潤滑尾軸承有益于延長船舶推進系統(tǒng)的使用壽命[2]。由于螺旋槳的自重、懸伸結構以及水動力擾動等因素的影響[3]，水潤滑尾軸承工作環(huán)境十分復雜且惡劣。高密度聚乙烯（HDPE）是環(huán)境友好型材料，具有優(yōu)異的自潤滑性能，兼具良好的耐磨性和耐酸堿性[4,5]，被應用于水潤滑軸承制造。然而，面對極端工況時（船舶低速、重載、啟停等情況），高密度聚乙烯水潤滑尾軸承會產生劇烈的摩擦和異常的振動噪聲[6]，降低了尾軸承的耐磨性和可靠性。長時間運轉過程中的摩擦熱聚集現象，極易誘發(fā)復合材料異常疲勞磨損，加劇了水潤滑尾軸承的摩擦磨損[7]。因此，特殊工況下摩擦學性能的下降，成為制約高密度聚乙烯尾軸承進一步發(fā)展的關鍵問題。

眾多學者通過化學修飾和物理手段改性高密度聚乙烯，使之成為具備優(yōu)異性能的減摩抗磨復合材料[8-9]。同時，借助納米材料獨特的物理結構和理化性能改性復合材料也廣泛應用于工程領域[10]。石墨烯是典型的二維層狀結構材料，其低的層間剪切力所表現的自潤滑性能，引起了摩擦學者廣泛的關注[11-12]。石墨烯納米片（GNS）是典型的納米尺寸的碳質材料，具有大的比表面積、高硬度等眾多優(yōu)異特性。作為添加劑，能顯著提高復合材料的自潤滑性能和機械性能[13-15]。Ouyang 等[16]使用電弧法制備了僅有幾層厚度的石墨烯納米片，用作基礎油添加劑，結果表明，在低速和重載工況下，其提高了基礎油的潤滑性能。Wang 等[17]通過激光照射法制備了一種分散性良好的銀/石墨烯納米復合材料。結果表明，復合材料優(yōu)異的自潤滑性能和銀納米球的自修復二者協(xié)同作用，促進了復合材料的摩擦學性能。也有學者采用電泳沉積法制備了一種石墨烯固體潤滑涂層并用于硅晶片，研究發(fā)現，通過延長低壓下的沉積時間，得到了微觀結構致密的石墨烯涂層，從而達到優(yōu)異的減摩效果[18]。很顯然，利用石墨烯納米材料改性復合材料是提高復合材料摩擦學性能的重要途徑。

本研究將制備一種石墨烯/高密度聚乙烯復合材料，在水潤滑條件下進行相關摩擦學試驗，研究改性復合材料水潤滑條件下的摩擦磨損行為，通過對比分析摩擦系數、體積行程磨損率、微觀磨損形貌和對磨副磨損區(qū)域元素分布規(guī)律等，獲得GNS 添加比例對HDPE 復合材料摩擦學行為的影響規(guī)律，明晰其對低摩擦系數持續(xù)時間的影響規(guī)律。關于石墨烯納米片改性高聚物的相關研究，大多聚焦于其減摩抗磨作用效果強弱，關于低摩擦持續(xù)時間的研究十分稀少。本文研究石墨烯/高密度聚乙烯復合材料摩擦磨損機理，以及建立有效石墨烯潤滑層的條件，為開發(fā)減摩抗磨的聚合物基復合水潤滑軸承材料提供參考。

1 試驗

1.1 材料

圖 1a 為本試驗使用的高密度聚乙烯顆粒（HDPE），其直徑為3 mm，呈白色透明顆粒狀。石墨烯納米片厚度為5～10 nm，直徑為400～1500 nm，如圖1b 所示。石墨烯納米片的微觀形貌和拉曼光譜分別如圖1c 和圖1d 所示。拉曼光譜G 峰（1580 cm-1）和2D 峰（2700 cm-1）是屬于石墨烯的特征峰[19]。

本試驗制備了7 種不同含量的石墨烯/高密度聚乙烯復合材料，原料配比如表1 所示。利用密煉機對原始材料進行加熱熔融，平行雙螺桿推動熔融材料緩慢蠕動，在熱熔和螺桿攪動的雙重作用下，復合材料實現充分混合。設置密煉機加熱溫度為180 ℃，轉速為80 r/min，單次運行時間為10 min。使用注塑成型機將密煉后的復合材料制備成易于檢測性能的規(guī)則試樣，設定注塑溫度為200 ℃，注塑壓力為120 MPa，每個新制備的高聚物試樣在室溫下充分冷卻20 min。圖1e 是制備完成的圓盤狀試樣，直徑為30 mm，高度為8 mm。隨著石墨烯含量的增加，試樣顏色趨近于深黑色。為了便于表示，將未添加石墨烯的復合材料定義為0.0% GNS（即純HDPE），添加質量分數0.3%～3.0%石墨烯的復合材料依次是 0.3% GNS、0.6% GNS、0.9% GNS、1.2% GNS、1.5% GNS 和3.0%GNS。在進行摩擦學性能測試之前，對復合材料試樣表面進行拋光處理，拋光后，其表面粗糙度達到Sa=(1.0±0.3) μm。

圖1 材料合成示意圖Fig.1 Schematic diagram of material synthesis: (a) HDPE; (b) graphene nano-sheets; (c) SEM of GNS; (d) Raman patterns of GNS; (e) composite specimens (φ=30 mm, h=8 mm)

表1 復合材料成分比例Tab.1 Composition ratio of composites wt%

1.2 摩擦學試驗

使用RTEC 摩擦磨損試驗機開展改性復合材料在水潤滑條件下的摩擦學性能測試，潤滑介質均使用蒸餾水，試驗原理如圖2 所示。對磨副為φ10 mm 的Si3N4和ZrO2陶瓷球，其表面粗糙度均為Sa=(150±50)nm，如圖2b 所示。氮化硅和氧化鋯陶瓷球化學性質穩(wěn)定，具有極高的耐磨性能，在與高分子復合材料摩擦磨損過程中幾乎不會被磨損，可以排除因對磨副的嚴重摩擦磨損導致被測復合材料的摩擦磨損行為受到顯著干擾[20]。本次試驗采取往復運動摩擦模式，設定法向載荷為15 N，往復行程為9 mm，往復頻率為1 Hz（線速度為0.018 m/s），試驗溫度為25 ℃，測試時間為60 min。在測試條件不變的前提下，補充測試0.6% GNS 復合材料600 s 和2000 s 的摩擦磨損試驗。每組試驗均重復3 次，每次試驗前均更換新的陶瓷球和石墨烯/高密度聚乙烯復合材料試樣。

圖2 摩擦磨損試驗儀器及原理Fig.2 Wear test apparatus and principles: (a) RTEC wear test apparatus; (b) working principle of water-lubricated

1.3 測試技術和方法

使用激光共聚焦顯微鏡（VK-X1000，KEYENCE，Japan）、掃描電子顯微鏡（VEGA3， TESCAN，Czech），觀測高分子復合材料的磨損表面微觀形貌，結合積分原理計算體積磨損量，進而獲得體積行程磨損率，并使用能譜儀（EDS）分析對磨副磨損區(qū)域的元素成分及分布情況。采用共焦顯微拉曼光譜儀（InVia，RENISHAW，England）檢測復合材料的拉曼圖譜，使用固體石墨烯/高密度聚乙烯復合材料試樣進行檢測，測試波數范圍為1500～3000 cm-1，光譜分辨率為1～2 cm-1。用電子萬能材料試驗機（Instron 5967，INSTRON，China）測試復合材料的拉伸強度和撕裂強度，其載荷精度≥±0.5%。采用肖氏硬度計（LX-A，LUNJIE，China）檢測復合材料室溫下的肖氏硬度。

2 結果與分析

2.1 石墨烯/高密度聚乙烯復合材料性能表征

圖3 是不同含量石墨烯改性的高密度聚乙烯復合材料拉曼光譜圖譜，在1580、2700 cm-1處分別出現了sp2碳原子的面內振動引起的G 峰和雙聲子共振二階拉曼2D 峰，均屬于石墨烯的典型拉曼光譜特征峰[19]。高密度聚乙烯的拉曼特征峰主要集中在2800～3000 cm-1[5]，表現出很高的強度值。值得注意的是，隨著石墨烯含量的增加，石墨烯的拉曼特征峰（1580、2700 cm-1）顯著增強。顯然，石墨烯含量越多，特征峰越顯著。3.0% GNS 表現出最強的石墨烯拉曼特征峰。

圖3 石墨烯改性復合材料的Raman 圖譜Fig.3 Raman patterns of composites modified by GNS

材料的機械性能與其減摩抗磨能力有直接的關系[21]。表2 展示了石墨烯/高密度聚乙烯復合材料的拉伸強度、撕裂強度和肖氏硬度?？梢钥闯?，隨著石墨烯納米片含量的增加，復合材料的拉伸強度展現出先增加后減小的趨勢，1.5% GNS 復合材料的拉伸強度最大，達到19.81 MPa，3.0% GNS 復合材料的拉伸強度降低為19.13 MPa。復合材料的撕裂強度和肖氏硬度也表現出相似的規(guī)律，1.5% GNS 復合材料的撕裂強度和肖氏硬度最高，值分別為31.34 MPa 和92.6HSA，當添加3.0% GNS 的改性復合材料撕裂強度和肖氏硬度均出現下降的趨勢。含量過多的石墨烯納米片使復合材料與石墨烯的界面結合接觸面積增大，在外力作用下，誘發(fā)滑移剪切現象，制約復合材料機械性能的提升[22]。該結果表明，適量石墨烯納米片有利于提高高密度聚乙烯的機械性能，過多則會造成機械性能的下降。

表2 復合材料的機械性能Tab.2 Mechanical properties of composites

2.2 摩擦系數的變化規(guī)律

圖4 是7 組石墨烯/高密度聚乙烯復合材料在水潤滑條件下的摩擦系數（法向載荷15 N，往復頻率1 Hz，試驗時間60 min，對磨副分別為Si3N4和ZrO2）?？傮w上，如圖4a 和圖4c 所示，0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%、3.0% GNS 改性高密度聚乙烯的摩擦系數低于未改性的高密度聚乙烯材料，說明石墨烯納米片有助于降低高分子材料的摩擦系數，得益于在微觀摩擦界面形成易剪切的石墨烯納米片潤滑層[13]。對磨副為Si3N4陶瓷球時，0.0% GNS 復合材料（純高密度聚乙烯）在整個摩擦過程中一直表現出高的摩擦系數，保持在0.08 附近，如圖4a 所示。0.3% GNS 復合材料在初始110 s 內，摩擦系數明顯降低，僅為0.053，但隨著磨損時間的延長，摩擦系數持續(xù)上升，最終高于純高密度聚乙烯材料，說明摩擦副遭受了嚴重的磨損，導致摩擦系數持續(xù)上升。0.6%、0.9%、1.2%GNS 復合材料都表現出相似的上升規(guī)律。初始摩擦階段，摩擦系數均處于較低水平，并持續(xù)了一段時間，隨著石墨烯納米片含量的增加，低摩擦系數的持續(xù)時間在不斷延長。1.5% GNS 復合材料在整個60 min 的測試過程中，摩擦系數始終維持最低且平穩(wěn)的狀態(tài)，穩(wěn)定在0.037 附近。這說明摩擦界面建立了持續(xù)而有效的潤滑層，摩擦界面工作環(huán)境得到改善。改性復合材料的減摩效果呈現顯著的石墨烯納米片含量依賴性，高含量石墨烯納米片有益于維持復合材料低摩擦系數的持續(xù)時間。然而，3.0% GNS 復合材料的摩擦系數出現變化，初始低摩擦系數現象消失，這是由于過多的石墨烯納米片削弱了復合材料界面的結合強度，使材料的機械性能下降（表2），導致摩擦學性能不穩(wěn)定。圖4b 是復合材料與Si3N4摩擦學試驗的平均摩擦系數。石墨烯含量增加，復合材料的摩擦系數呈現先降低后升高的趨勢。1.5% GNS 復合材料表現出了最低的平均摩擦系數，達到0.036，相比純高密度聚乙烯材料下降了53.6%。3.0% GNS 復合材料的平均摩擦系數出現上升的趨勢，達到0.055。

圖4 復合材料摩擦系數Fig.4 COF of composites: friction against with Si3N4 (a) COF curves and (b) average COF; friction against with ZrO2 (c) COF curves and (d) average COF

為了排除可能的Si3N4材料水解效應致使的低摩擦現象，在相同工況下，補充對磨副為ZrO2陶瓷球的摩擦學試驗，結果如圖4c 所示。純HDPE 在整個摩擦磨損階段維持著最高的摩擦系數。GNS 含量增加，0.3%、0.6%、0.9%、1.2% GNS 改性的HDPE 復合材料初始低摩擦系數的持續(xù)時間逐漸延長，與圖4a展現出相似的規(guī)律。復合材料填充3.0% GNS 時，導致摩擦學性能波動。圖4d 是復合材料與ZrO2摩擦學試驗的平均摩擦系數。隨著GNS 含量的增加，平均摩擦系數出現明顯的先降低后升高的趨勢。1.5% GNS復合材料的摩擦學性能最優(yōu)，平均摩擦系數相比純HDPE 降低了49.5%。3.0% GNS 復合材料的平均摩擦系數增加到0.074。結果表明，改性復合材料與兩種不同陶瓷球對磨展現的規(guī)律基本一致，可以排除對磨副對改性復合材料摩擦學性能的干擾，下文將主要檢測與Si3N4對磨的改性復合材料的摩擦學行為。

2.3 磨損表面三維形貌分析

采用激光共聚焦顯微鏡觀測對磨副為Si3N4的復合材料的磨損形貌，磨痕的三維輪廓如圖5 所示。0.0% GNS 材料（純高密度聚乙烯材料）的磨痕最明顯，磨痕寬度最大，達到1381 μm，磨痕區(qū)域的面粗糙度也最大，達到11.21 μm，這說明在摩擦過程中，HDPE 經歷了極其嚴重的摩擦磨損。0.3% GNS 改性復合材料磨痕區(qū)域也較為粗糙，面粗糙度為9.74 μm，略有下降，磨痕寬度減小為1185 μm。0.6% GNS、0.9%GNS 和1.2% GNS 改性復合材料的磨痕寬度和磨損區(qū)域面粗糙度均表現出下降的趨勢，磨痕寬度分別為1046、942、893 μm，磨損界面面粗糙度分別為8.87、7.52、6.14 μm。磨痕變窄、光滑與石墨烯含量的增加有直接關聯(lián)。更有甚者，因為摩擦副之間形成了持續(xù)而有效的潤滑，1.5% GNS 復合材料的摩擦系數低且穩(wěn)定，使得其三維磨損輪廓最為平整光滑，磨損區(qū)域面粗糙度最小，為Sa=3.85 μm，且有最小的磨痕寬度（624 μm）。總體表明，添加適量石墨烯納米片強化了高密度聚乙烯的機械性能（表2）和自潤滑性能（圖4），提升了改性復合材料的耐磨損性能。

圖5 復合材料三維磨痕輪廓Fig.5 3D wear scar profile of composites

依據磨痕區(qū)域剖面圖可以推算出復合材料的體積行程磨損率。由于石墨烯含量相近的材料磨痕剖面曲線相差不大，故選取0.0% GNS、0.6% GNS、1.5%GNS、3.0% GNS 復合材料的磨痕剖面圖進行分析，如圖6a 所示。可以明顯看出，HDPE 的磨痕明顯，磨痕深度最大，達到42 μm。這說明HDPE 在相同工況下最容易磨損，摩擦磨損過程最嚴重。0.6% GNS和1.5% GNS 的磨痕最大深度分別為33 μm 和19 μm。1.5% GNS 展現了最窄且最淺的磨痕，這與其良好的機械性能和持續(xù)低的摩擦系數結果一致。石墨烯納米片含量過多時，復合材料的機械性能降低（表2），摩擦學性能出現波動（圖4），優(yōu)異的耐磨損性能遭到削弱，最大磨痕深度增加并達到27 μm。采用積分公式，計算材料橫截面的磨損輪廓面積S磨損，磨損橫截面可以看作是無數個寬度為ΔL的極小矩形面積之和。激光共聚焦設置的平面分辨率為2 μm，也就是ΔL=2 μm。可以得到寬度為ΔL的矩形面積S單：

圖6 磨痕區(qū)域剖面圖（a）及體積行程磨損率（b）Fig.6 Cross-section of wear scar (a) and volume stroke wear rates (b)

單位載荷和單位滑動距離下的材料體積行程磨損率為：

式中：S磨損是磨損面積，μm2；S單是最小寬度ΔL的磨損面積，μm2；f(Lx)是橫坐標為x時磨痕的深度值，μm；W是磨痕寬度，μm；V是磨損體積，mm3；D是磨痕長度，mm；F是法向載荷，N；S是總行程，m。

通過計算得到石墨烯/高密度聚乙烯復合材料的體積行程磨損率，如圖6b 所示。0.0% GNS 復合材料的磨損最嚴重，達到3.76×10-4mm3/(N·m)，復合材料剝離脫落現象明顯。0.3% GNS、0.6% GNS、0.9% GNS、1.2% GNS、1.5% GNS 改性高密度聚乙烯復合材料的體積行程磨損率逐漸減小，這與磨痕三維輪廓圖（圖5）和磨痕區(qū)域剖面圖（圖6a）結論一致。然而，3.0%GNS 復合材料的體積行程磨損率出現上升趨勢。

2.4 微觀磨損形貌分析

為了深入分析石墨烯/高密度聚乙烯復合材料的摩擦磨損機理，使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀測磨痕微觀形貌，如圖7 所示。0.0% GNS 材料在試驗過程中遭受嚴重的磨損，局部集中的摩擦熱導致材料產生了明顯的塑性變形，并伴隨著嚴重的材料撕裂和堆積現象，與其持續(xù)的高摩擦系數相一致（圖4a）。石墨烯納米片添加量為0.3%、0.6%時，磨損表面出現明顯的裂紋和材料堆積現象，但是磨損區(qū)域大小及磨損程度相較HDPE 有所改善。隨著石墨烯含量繼續(xù)提升，0.9%、1.2% GNS 改性復合材料的微觀磨損表面受到摩擦力的往復作用，出現了輕微的材料撕裂分離現象，磨損現象得到明顯改善。1.5% GNS 復合材料表現出最光滑平整的磨損界面，如圖7f 所示，表面僅出現輕微的劃痕現象，這顯然與其低摩擦系數（圖4a）、最小的磨痕和體積行程磨損率（圖5 和圖6）是分不開的。

圖7 復合材料磨痕SEM 圖像Fig.7 SEM pictures of composites wear scar

2.5 對磨副Si3N4陶瓷球EDS 分析

上述結果表明，石墨烯含量的增加顯著改善了改性復合材料的潤滑狀態(tài)以及摩擦學性能，這可能與具有極低層間剪切力的層狀石墨烯潤滑層的形成與分布有直接關系[23-24]。為了印證石墨烯潤滑層的形成與分布，利用能譜儀分析對磨副磨損接觸區(qū)域的元素成分。Si3N4陶瓷球與0.6%、1.5% GNS 改性復合材料進行對磨試驗時摩擦面的EDS 圖譜見圖8。圖8a 是EDS 曲線圖譜，可以發(fā)現，與1.5% GNS 改性復合材料摩擦的Si3N4磨損接觸區(qū)域明顯出現了屬于碳元素的能譜峰，其峰值高于與0.6% GNS 改性復合材料摩擦的Si3N4陶瓷球。磨損區(qū)域碳元素分布如圖8e-3，碳元素的質量分數為3.5%，原子數分數為3.8%（圖8c）。然而，與0.6% GNS 改性高密度聚乙烯摩擦的Si3N4陶瓷球表面僅存在少量的碳元素分布，如圖8d-3，碳元素的質量分數為 0.3%，原子數分數為0.4%。大量的碳元素均勻地分布于Si3N4磨損表面，說明在摩擦磨損過程中，改性復合材料中較多的石墨烯轉移至Si3N4磨損表面，形成了有效的石墨烯潤滑層，顯著改善了摩擦副之間的潤滑工況，降低了摩擦系數（圖4a），這與其他學者的研究相符[25]。與此同時，磨損被抑制（圖5 和圖6），僅發(fā)生輕微劃痕（圖7f）。微量碳元素分布于磨損區(qū)域，說明石墨烯潤滑層不連續(xù)、不完備，在摩擦磨損過程中不能起到良好的潤滑作用；磨損加劇以后，潤滑層發(fā)生剝離進而失效，最終致使摩擦系數出現急劇增加的現象（圖4a），磨損加劇，體積行程磨損率增大（圖6）。

圖8 與0.6% GNS 和1.5% GNS 復合材料對磨的Si3N4 陶瓷球磨損區(qū)域的EDS 能譜及元素組成和分布Fig.8 EDS of wear surfaces of Si3N4 ball going against the HDPE modified by 0.6% GNS and 1.5% GNS: (a)EDS patterns;(b) element composition proportion and (d) element distribution of Si3N4 ball going against the HDPE modified by 0.6% GNS;(c) element composition proportion and (e) element distribution of Si3N4 ball going against the HDPE modified by 1.5% GNS

2.6 對磨副Si3N4 陶瓷球不同磨損時間的EDS 分析

為了進一步研究石墨烯潤滑層被破壞和失效的過程，選取0.6% GNS 復合材料試樣，分別進行600 s和2000 s 的摩擦磨損試驗，其他試驗條件均不改變，試驗結果如圖9 所示。圖9a 是摩擦系數隨時間的變化曲線。在600 s 的摩擦磨損過程中，摩擦系數維持低的值，在0.05 附近，表明石墨烯起到減摩的作用。在2000 s 的摩擦磨損過程中，摩擦系數在1300 s 開始急劇上升，說明摩擦副潤滑狀況發(fā)生改變，石墨烯潤滑層可能被破壞，導致摩擦系數陡增，這與圖4a所示的摩擦系數變化規(guī)律是相似的。圖9b 展示了磨損600 s 和2000 s 的Si3N4陶瓷球磨損表面的EDS 圖譜?？梢钥闯瞿p600 s 時，碳元素在Si3N4陶瓷球表面有著明顯的能譜峰值，磨損區(qū)域也分布著密集的碳元素，如圖9c-3 所示；碳元素的質量分數為1.9%，原子數分數為2.1%，如圖9d 所示。大量的碳元素均勻地分布于Si3N4磨損表面，表明在摩擦磨損初期（600 s 以內），改性復合材料中的石墨烯轉移至Si3N4磨損表面，形成了有效的石墨烯潤滑層，石墨烯潤滑層在摩擦界面發(fā)揮了有效的潤滑作用[26]，使得摩擦系數保持一個低而穩(wěn)定的值。當摩擦磨損試驗時間增加至2000 s 時，碳元素的EDS 峰值變得不明顯，如圖9b 所示；碳元素分布稀少（圖9e-3），質量分數和原子分數分別減小到0.7%和0.9%（圖9f）。顯然，經過長時間的摩擦磨損，表面逐漸變得粗糙，石墨烯潤滑層逐漸被剝離，變得不連續(xù)，不能有效地覆蓋于摩擦副表面，慢慢喪失減摩的作用，摩擦系數逐漸增大。

圖9 與0.6% GNS 復合材料對磨600 s 和2000 s 的Si3N4 陶瓷球磨損區(qū)域的EDS 能譜圖Fig.9 EDS of wear surfaces of Si3N4 ball going against the HDPE modified by 0.6% GNS for 600 s and 2000 s: (a) COF curves;(b) EDS patterns; (c) element distribution and (d) element composition proportion of Si3N4 ball going against the HDPE modified by 0.6% GNS for 600 s; (e) element distribution and (f) element composition proportion of Si3N4 ball going against the HDPE modified by 0.6% GNS for 2000 s

2.7 摩擦磨損機理分析

總體上，石墨烯納米片對高密度聚乙烯基體材料的摩擦學性能產生了顯著的影響。在摩擦磨損過程中，摻雜于高密度聚乙烯中的石墨烯納米片受到剪切力的作用，逐漸剝離脫落，轉移至摩擦副的接觸表面，形成石墨烯潤滑層，顯著改善摩擦副之間的潤滑性能，降低摩擦系數。與此同時，石墨烯納米片還強化了高密度聚乙烯機械性能（表2）。二者綜合作用下，顯著改善高密度聚乙烯的耐磨損性能。然而，改性高密度聚乙烯的耐磨損性能表現出明顯的石墨烯含量依賴性和磨損時間依賴性。在一定范圍，石墨烯含量越高，則轉移至摩擦副表面的石墨烯納米片越多，有利于較好地形成石墨烯潤滑層，減磨效果更加顯著，并且持續(xù)時間較長。過高的石墨烯含量造成復合材料機械性能下降（表2），摩擦學性能也出現波動（圖4）。當石墨烯含量較低時，在磨損初期，能形成較好的石墨烯潤滑層，摩擦系數處于較低的水平（見圖4a、圖4c、圖9a）。然而，隨著磨損時間的延長，磨損逐漸嚴重，摩擦副表面的石墨烯潤滑層逐漸剝落，而石墨烯含量較少的高密度聚乙烯復合材料缺乏足夠的石墨烯納米片轉移至摩擦副表面，不能補充剝落的石墨烯潤滑層，最終導致潤滑層破裂，失去潤滑作用，摩擦系數升高（圖4）。最后表現出改性高密度聚乙烯的低摩擦系數持續(xù)時間在一定范圍內隨著石墨烯納米片含量的增加而延長。

3 結論

1）石墨烯納米片憑借優(yōu)異的理化性能，對高密度聚乙烯復合材料的拉伸強度、撕裂強度和肖氏硬度都具有一定程度的提升。復合材料的機械性能隨著石墨烯含量的增加而先增強后減弱。

2）石墨烯納米片含量增加，石墨烯/高密度聚乙烯復合材料的摩擦學性能總體得到提升。1.5% GNS復合材料表現出最低的摩擦系數、最小體積行程磨損率以及光滑的微觀形貌。3.0% GNS 復合材料的摩擦學性能下降。

3）隨著摩擦時間的延長，磨損逐漸嚴重，摩擦副表面的石墨烯潤滑層逐漸剝落，最終破裂，失去潤滑作用，摩擦系數升高，導致改性高密度聚乙烯材料低摩擦系數的持續(xù)時間在一定范圍內隨著石墨烯納米片含量的增加而延長。