石墨烯作為潤滑油添加劑在高溫條件下的抗磨性能分析

閆云敬

摘要： 為了研究石墨烯作為潤滑油添加劑在高溫條件下的抗磨性能，在基礎(chǔ)油中添加石墨烯，并且通過四球摩擦磨損試驗機做摩擦磨損實驗。利用XRD將石墨烯的征象顯露出來，通過對比基礎(chǔ)油與添加不同質(zhì)量的石墨烯潤滑油，分析石墨烯潤滑油的抗磨性能。結(jié)果說明：將石墨烯添加到潤滑油中，可以大幅度提升石墨烯在高溫條件下的抗磨性能。

Abstract： In order to study the antiwear performance of graphene as lubricant additive at high temperature， graphene was added to the base oil， and friction and wear tests were carried out on a four-ball friction and wear tester. The signs of graphene were revealed by XRD， and the anti-wear properties of graphene lubricating oil were analyzed by comparing the base oil and adding different qualities of graphene lubricating oil. The results show that adding graphene into lubricating oil can greatly improve the wear resistance of graphene under high temperature conditions.

關(guān)鍵詞： 石墨烯;潤滑油;高溫條件;抗磨性能

Key words： graphene;lubricating oil;high temperature condition;anti-wear performance

中圖分類號：TE626.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）23-0022-02

0? 引言

石墨烯是一種新興材料，它的納米層狀結(jié)構(gòu)非常薄，具有較高的熱穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性能，機械強度也高，是潤滑油添加劑中很好的材料。但是石墨烯非常容易形成分散液，而且性能穩(wěn)定，使得它在潤滑領(lǐng)域中的應(yīng)用有一定的局限性。分析石墨烯材料在高溫條件下的抗磨性能，對于石墨烯潤滑油添加劑的廣泛應(yīng)用有著重要的現(xiàn)實意義。

1? 實驗方案

1.1 石墨烯的征象與修飾

通過動態(tài)光散射納米激光粒度儀分析石墨烯的粒度大小，儀器中顯示石墨烯顆粒的直徑介于250-397nm之間，可以得出石墨烯結(jié)構(gòu)為層片狀，其每層厚度只有幾納米，片狀直徑可達幾百納米。借助X射線衍射儀可以獲取石墨烯的衍射圖譜，測出（002）層之間的距離衍射峰在23.5度上下，強度隨著峰值的變寬而變?nèi)?。而且衍射峰值?1度上下仍然會出現(xiàn)，這一點說明石墨烯為少層石墨烯，但是符合試驗要求。

1.2 抗磨性能測試

本實驗采用摩擦磨損試驗機，運用四球法進行摩擦模式試驗。把提前制備好的石墨烯用不同的質(zhì)量分數(shù)放入油樣中，等到他們充分溶解之后，制備待測油樣?？桂ぶ囼炐枰诟邷啬Σ聊p試驗一段時間，將油槽內(nèi)的油泄掉，但設(shè)備保持運轉(zhuǎn)到摩擦系數(shù)突變現(xiàn)象出現(xiàn)為止。試驗時，以10s為間隔記錄摩擦數(shù)據(jù)，待試驗結(jié)束后，運用石油醚反復(fù)清洗鋼球。等鋼球徹底干燥之后，運用金相顯微鏡（精度是0.001mm）對鋼球的磨斑進行細致的觀察，將磨斑的直徑測量出來。

2? 實驗結(jié)果與分析

2.1 抗磨性能分析

圖1中可以看出試驗穩(wěn)定后不同質(zhì)量含量的石墨烯添加劑油樣的摩擦系數(shù)，得出在摩擦狀態(tài)穩(wěn)定的情況下，并未加入石墨烯基礎(chǔ)油的摩擦系數(shù)是0.071，摩擦磨損試驗進行中，基礎(chǔ)油的摩擦系數(shù)逐漸升高。但是加入石墨烯后，摩擦系數(shù)發(fā)生了很大改變，摩擦系數(shù)隨著石墨烯質(zhì)量的增加呈先降后升的態(tài)勢，但是后期再加大石墨烯濃度，其摩擦系數(shù)看不出變化。再穩(wěn)定狀態(tài)下加入質(zhì)量分數(shù)為0.03%時，摩擦系數(shù)為0.06，達到最小系數(shù)[2]。但是進行摩擦磨損試驗后，摩擦系數(shù)會降到0.055。相對于基礎(chǔ)油來說，其摩擦因子大約降了22.5%。

基礎(chǔ)油在摩擦過程中會在摩擦副之間出現(xiàn)油膜，有效避免了摩擦表面凸體之間的接觸，使得試驗中的摩擦系數(shù)數(shù)值比較穩(wěn)定。但是將石墨烯加入到基礎(chǔ)油中后，在摩擦?xí)r油膜還能起到潤滑作用，但是石墨烯極易覆蓋于摩擦副表面，填充表面的粗糙度，從而產(chǎn)生薄膜潤滑，有效減少摩擦表面微凸體的接觸，進一步降低摩擦系數(shù)。但是如果石墨烯的質(zhì)量分數(shù)含量比較大時，石墨烯會堆積在摩擦副表面，阻止油膜的形成，導(dǎo)致摩擦因子上升。如果繼續(xù)加入添加劑，摩擦因子幾乎不會變化。這是因為在一定條件下，石墨烯中的量是一定的，所起到的作用也是有限的，添加一定量的潤滑油形成的油膜能夠承受試驗中的剪切力。在這種情況下，即使繼續(xù)添加，其抗磨性能也不會進一步增強。另外，實驗過程中鋼球磨斑直徑在沒有加入石墨烯油樣的磨斑直徑約為0.335mm，為最大直徑。當(dāng)加入石墨烯后，磨斑直徑隨著質(zhì)量分數(shù)的增加而呈先變小后變大的態(tài)勢[3]。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因有三點：①受到荷載作用的影響，結(jié)

構(gòu)為層片狀的石墨烯易于在鋼球表面沉積、剝離，使得摩擦副間的接觸面積縮小，能夠有效減少磨損。②在摩擦磨損中，結(jié)構(gòu)為層片狀的石墨烯極其容易被擠碎成為碎屑，然后在接觸表面進行填充，從而有效減少磨損，提升承載力。③由于石墨烯的導(dǎo)熱性能非常強，傳熱速度快，能夠有效減少黏著磨損，確保油膜完整。但是要掌握好石墨烯含量，伴隨石墨烯含量增加，摩擦表面的石墨烯量也會增加，但石墨烯的濃度達到臨界值，再添加的石墨烯就會變得多余，不僅不能減少磨損，反而會與其它金屬磨屑產(chǎn)生團聚問題，導(dǎo)致接觸面更加粗糙。在潤滑油中，石墨烯顆粒可以增大摩擦副之間的磨損，減小抗磨性能，而且會增加磨斑直徑。

2.2 抗黏著性能分析

為了研究石墨烯在高溫條件下的抗磨性能，針對質(zhì)量分數(shù)為0.03%的石墨烯潤滑油進行了抗黏著試驗，對比和分析試驗結(jié)果。

從圖2可以看出試驗中摩擦因子的變化情況。在開始5min時，摩擦因子的效果與高溫摩擦磨損試驗相同，但是在泄油之后，石墨烯添加劑油樣與基礎(chǔ)油的結(jié)果呈現(xiàn)出很大的不同。當(dāng)試驗開始5min時泄油，加入了石墨烯添加劑的油樣摩擦因子沒有馬上變化，而是等到12min時摩擦因子呈現(xiàn)上升趨勢，然后又以平穩(wěn)的速度降下來，而且在后續(xù)的36min、60min這種突變情況還是會發(fā)生，一直到摩擦因子出現(xiàn)劇烈變化為止。而基礎(chǔ)油在剛開始泄油時，其摩擦因子就立刻發(fā)生了變化，突然上升，然后趨于平穩(wěn)狀態(tài)，而且呈現(xiàn)出平穩(wěn)下降的態(tài)勢，一直到摩擦系數(shù)出現(xiàn)劇烈變化為止。對試驗結(jié)果進行分析，可以看出在摩擦開始階段，即試驗開始五分鐘時，潤滑油會在摩擦副間形成油膜，保護摩擦表面，而且使摩擦系數(shù)處于穩(wěn)定狀態(tài)。但是當(dāng)進行泄油處理時，剛一開始基礎(chǔ)油的油膜就出現(xiàn)了破裂，使得表面微凸點之間接觸，導(dǎo)致摩擦因子突然變化。但是該實驗運用的是四球法，在試驗機運轉(zhuǎn)時，四個鋼球之間不是持續(xù)接觸的，鋼球表面殘留的潤滑油會再次進入摩擦區(qū)域，使得摩擦因子恢復(fù)之前的數(shù)值，直到殘留的潤滑油完全消耗完成之后，摩擦因子才會出現(xiàn)劇烈變化。而加入石墨烯添加劑的基礎(chǔ)油，在進行泄油的瞬間，摩擦因子未變化，表明石墨烯作為潤滑油添加劑可以有效緩解油膜破裂現(xiàn)象的發(fā)生，使得潤滑油能夠保持較長的穩(wěn)定時間，從而提升潤滑油的承載力。出現(xiàn)這種情況的原因主要是石墨烯納米級的厚度，極易進入摩擦副區(qū)域，在其表面形成一層保護膜，可以有效減少油膜破裂，進一步增加基礎(chǔ)油穩(wěn)定時間。在整個試驗過程中，總共發(fā)生了三次突變，直到最后摩擦因子才出現(xiàn)劇烈變化。這表明每次突變，石墨烯都會進入摩擦副區(qū)域，并且被擠碎成為碎屑，起到減摩作用，避免摩擦副黏著現(xiàn)象的出現(xiàn)，一直到殘留的碎屑完全消耗掉。

此外，本次試驗還記錄了基礎(chǔ)油與加入石墨烯添加劑的油樣的抗黏著時間。在試驗過程中，基礎(chǔ)油的摩擦因子是在2640s出現(xiàn)的劇烈變化，而加入石墨烯添加劑的油樣是在4790s出現(xiàn)的劇烈變化，后者比前者的抗黏著時間明顯延長，大大提高了抗黏著性能[4]。在試驗完成后，觀察鋼球表面磨斑直徑及其形貌可以看出，鋼球的磨斑直徑發(fā)生了很大改變。在抗黏著試驗完成后，基礎(chǔ)油的鋼球磨斑直徑約為0.437mm，加入石墨烯添加劑的油樣的磨斑直徑約為0.216mm，比前者顯著降低，說明加入了石墨烯添加劑的油樣具有將高的抗黏著性能。觀察磨斑表面的形貌，可以得出基礎(chǔ)油的表面有很深的劃痕和溝槽，而加入石墨烯添加劑的油樣表面雖然也有一些劃痕，但是都是比較淺顯的。因此，可以得出在高溫條件下，石墨烯作為潤滑油添加劑，而且確保添加質(zhì)量分數(shù)最佳時，能夠展現(xiàn)出較高的抗磨性能。

3? 結(jié)論

在高溫摩擦磨損試驗過程中，石墨烯作為潤滑油添加劑具有較好的抗磨性能，而且當(dāng)石墨烯的質(zhì)量含量為0.03%時，其抗磨性能最好。此外，石墨烯作為潤滑油添加劑還能有效提升抗黏著性能。

參考文獻：

[1]馬青怡，沈巖，袁曉帥，劉志翔，邢傳斐，徐久軍.液相等離子制備石墨烯潤滑添加劑的摩擦磨損特性[J].車用發(fā)動機，2021（04）：42-47.

[2]丁隆新，常偉豪，袁小亞，鄭旭煦.石墨烯作為潤滑油添加劑的研究進展[J].潤滑與密封，2021，46（08）：136-146.

[3]劉文秋，李瑞山，李維學(xué)，林博，李東山，魯志斌.三維石墨烯作為潤滑油添加劑的抗斷油性能研究[J].表面技術(shù)，2020，49（07）：175-183.

[4]董懿，張艷崗，劉勇，郭澤宇，白羽，郭巨壽.化學(xué)法石墨烯分散液的制備及其摩擦學(xué)性能的研究[J].機械科學(xué)與技術(shù)，2020，39（08）：1295-1298.