碳基納米材料在潤(rùn)滑劑中的應(yīng)用

周 凝

(福斯?jié)櫥?中國(guó))有限公司，上海 201802)

0 引言

能源短缺和由此引起的新能源技術(shù)是當(dāng)今世界發(fā)展的主題。摩擦和磨損是能量消耗和機(jī)械失效的主要原因，據(jù)報(bào)道每年世界總消耗能量的30%～40%用于克服摩擦，以乘用車為例，燃料中33%的能量用于克服摩擦，僅21.5%的能量用于驅(qū)動(dòng)汽車運(yùn)行[1]。摩擦學(xué)的優(yōu)化和改進(jìn)是節(jié)能的關(guān)鍵策略，其中潤(rùn)滑劑可以減小摩擦、抵抗磨損以節(jié)約能源和提高機(jī)械的使用壽命。此外，潤(rùn)滑劑還能對(duì)摩擦副起到冷卻、密封和防止污染等作用。機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，粘附在摩擦副表面的潤(rùn)滑劑形成流體膜，將摩擦副表面阻隔開來(lái)，同時(shí)起到傳輸熱量和去除磨損碎屑等的作用。

基礎(chǔ)油和添加劑是決定潤(rùn)滑劑性能的兩個(gè)重要組成部分。近年來(lái)，納米材料作為極壓劑、抗磨和減摩添加劑在潤(rùn)滑劑中的使用成為研究的熱點(diǎn)[2]。作為固體添加劑，納米材料可以按多種方法分類，如：按照結(jié)構(gòu)可以分為層狀和非層狀結(jié)構(gòu)固體添加劑，按照化學(xué)成分可以分為金屬、氧化物、碳基、硫、稀土元素和有機(jī)類等固體添加劑。圖1根據(jù)使用環(huán)境例舉出了部分固體添加劑[3]。

碳基納米材料具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性和耐蝕性、優(yōu)異的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能，避免了傳統(tǒng)添加劑含硫、磷、氯等問(wèn)題，對(duì)環(huán)境友好，被廣泛應(yīng)用在潤(rùn)滑劑的研究中。此外，碳基納米材料還具有多種形貌，如：零維的富勒烯、一維的碳納米管、二維的石墨烯和三維的石墨或納米金剛石，多種形貌的存在使碳基納米材料成為潤(rùn)滑劑中理想的固體添加劑，可適應(yīng)潤(rùn)滑劑的多種性能需求[4-6]。本文綜述了常見(jiàn)的碳基納米材料及衍生物在潤(rùn)滑劑中的應(yīng)用進(jìn)展，歸納了其潤(rùn)滑機(jī)理，展望了未來(lái)的發(fā)展方向。

圖1 不同工況下固體添加劑的分類[3]

1 碳基納米材料在潤(rùn)滑劑中的應(yīng)用

1.1 納米石墨及其衍生物

石墨在潤(rùn)滑劑里的應(yīng)用比較早，是常見(jiàn)的固體潤(rùn)滑劑。石墨呈六邊形層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)碳原子間以共價(jià)鍵相連，各碳原子間結(jié)合比較牢固(鍵能為345 kJ/mol)；層與層之間以范德華力相結(jié)合，作用力較弱(鍵能為16.7 kJ/mol)。當(dāng)受到足夠的剪切力時(shí)，石墨的片層之間會(huì)發(fā)生滑移甚至剝離，吸附在摩擦副表面形成潤(rùn)滑膜以阻止摩擦副的直接接觸并減小摩擦。Kumar等[7]研究了不同粒徑大小(50 nm、450 nm、4 μm和10 μm)的石墨對(duì)鋰基潤(rùn)滑脂摩擦學(xué)性能的影響。研究表明石墨的加入能夠提高鋰基潤(rùn)滑脂的多項(xiàng)摩擦學(xué)性能，且石墨的粒徑越小，性能的提升越高。當(dāng)石墨的粒徑為50 nm、添加量為4%時(shí)，抗磨損、減摩和極壓性能最佳。Niu等[8]也發(fā)現(xiàn)同樣的結(jié)果，在同樣的實(shí)驗(yàn)負(fù)載下，粒徑較小的石墨表現(xiàn)出更好的摩擦學(xué)性能，與鈦基潤(rùn)滑脂協(xié)同在摩擦副表面生成一層TiO2和Fe3C的復(fù)合抗磨膜。

隨著科技的發(fā)展，一些石墨衍生物也被用于潤(rùn)滑材料，如氟化石墨(CFx)、膨脹石墨、石墨和其他固體添加劑的復(fù)合物，如金屬鎳、氧化鋁等。氟化石墨比天然石墨、二硫化鉬具有更高的潤(rùn)滑性，研究發(fā)現(xiàn)氟化石墨和二硫化鎢的復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)甚至小于0.01，300 ℃時(shí)摩擦系數(shù)增至0.06。該涂層之所以具有優(yōu)良的摩擦性能是因?yàn)榉拥碾娯?fù)性使相鄰片層間的間距更大、鍵能更低，從而片層更易于滑動(dòng)，潤(rùn)滑性更強(qiáng)[9]。Menezes等[10]總結(jié)了銅-石墨、鎳-石墨、銀-石墨、鋁-石墨和氮化硅-石墨等復(fù)合材料的石墨含量、粒徑和使用工況等對(duì)摩擦系數(shù)和磨損率的影響，發(fā)現(xiàn)隨著石墨的加入材料的磨損率顯著降低，且隨著石墨含量的增加而減小，這些復(fù)合材料在較高溫度時(shí)也起到了有效的潤(rùn)滑作用。

1.2 石墨烯及其衍生物

石墨烯是一種超薄的二維碳材料，單層厚度僅為0.335 nm；其碳原子間以sp2雜化緊密排列在二維六邊形中，呈蜂窩狀(Honeycomb)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)賦予石墨烯獨(dú)特的熱學(xué)、電學(xué)、機(jī)械學(xué)和摩擦學(xué)性能，如極高的斷裂強(qiáng)度和韌性，易沿剪切方向鋪展等[11]。與石墨相比，較大的比表面積和超薄的層狀結(jié)構(gòu)使石墨烯更容易附著在摩擦副表面，是一種非常具有應(yīng)用潛力的摩擦學(xué)材料。其性能見(jiàn)表1。

表1 石墨烯的性能[12]

如圖2(a)所示，Zheng等[12]將石墨烯添加到PAO4基礎(chǔ)油中，采用GCr15鋼球和無(wú)紋理的RTCr2合金鑄鐵板對(duì)體系的摩擦學(xué)性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)石墨烯納米片的加入提高了潤(rùn)滑油的摩擦學(xué)性能，受益于石墨烯納米片的結(jié)構(gòu)和摩擦副表面的紋理，特殊紋理時(shí)磨損降低量高達(dá)90%。Zhang等[13]將多層石墨烯加入到水基清洗劑中用來(lái)清洗CT80連續(xù)油管，發(fā)現(xiàn)多層石墨烯的最佳添加量為0.5%，此時(shí)摩擦系數(shù)和磨損降低75%，并且石墨烯的濃度越高，油管能夠承受的載荷越高。磨損分析表明，多層石墨烯可吸附在磨屑表面形成潤(rùn)滑膜，石墨烯的加入顯著提高了材料的抗磨性和耐磨性。Berman等[14]研究發(fā)現(xiàn)，與單層石墨烯相比，多層石墨烯具有更低的摩擦系數(shù)、更高的穩(wěn)定性和壽命，如圖2(b)和(c)所示。由于單層石墨烯的制備方法比較復(fù)雜，常用的機(jī)械剝離法制備的單層石墨烯質(zhì)量難以保證，成本高且效率低。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)批量生產(chǎn)的多層石墨烯在潤(rùn)滑添加劑里的研究和應(yīng)用更為廣泛，目前工業(yè)生產(chǎn)中主要采用的為Hummers法制備的石墨烯。

圖2 (a)石墨烯納米片和激光表面紋理對(duì)磨損速率的影響[12]。氫氣氣氛中，不含石墨烯，單層石墨烯和多層石墨烯對(duì)鋼-鋼滑動(dòng)摩擦副(b)摩擦系數(shù)和(c)磨損速率的比較[14]

由于石墨烯的表面呈惰性，且片與片之間存在π-π相互作用，使其較其他的納米材料更難以分散在使用體系中，因此通常對(duì)其進(jìn)行改性或修飾后再進(jìn)行使用。氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)是生產(chǎn)石墨烯所必需的前驅(qū)體，其表面含有豐富的碳氧官能團(tuán)，與石墨烯相比具有一定的反應(yīng)活性和親水性，易于改性且在極性溶劑中分散，多數(shù)對(duì)石墨烯的改性都基于氧化石墨烯的基礎(chǔ)上，因此氧化石墨烯也常被用做潤(rùn)滑添加劑。Arif等[15]采用摩擦學(xué)原子力顯微鏡研究了濕度對(duì)氧化石墨烯性能的影響。研究表明，與石墨烯相比氧化石墨烯的潤(rùn)滑性能較差；這是由于摩擦學(xué)原子力顯微鏡尖端與氧化石墨烯表面之間的相互作用勢(shì)更高，氧化石墨烯表面粗糙度較高引起的皺縮效應(yīng)更明顯，水彎月效應(yīng)更明顯，如圖3(D、E和F)所示。Wang等[16]通過(guò)第一性原理計(jì)算也證實(shí)了氧化石墨烯的潤(rùn)滑性能較差，并將這一現(xiàn)象歸因于氧化石墨烯表面存在含氧基團(tuán)。

圖3 (A)氧化石墨烯和石墨烯樣品在不同負(fù)載下，相對(duì)濕度和摩擦副平均摩擦力的關(guān)系曲線。(B和C)氧化石墨烯磨損前后的AFM圖。(D-F)由于水插層引起的氧化石墨烯磨損機(jī)理示意[15]

在使用過(guò)程中，石墨烯添加劑并非一直穩(wěn)定，吸附的石墨烯基摩擦膜在一些極端條件下容易脫附甚至石墨烯的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生破壞。有研究報(bào)道，滑動(dòng)摩擦過(guò)程中當(dāng)石墨烯受到的壓強(qiáng)約為0.5 GPa時(shí)，其蜂窩狀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生局部斷裂，形成石墨烯碎片[14]。石墨烯納米復(fù)合材料是提高石墨烯性能的一種常見(jiàn)方法，又分為納米顆粒-石墨烯復(fù)合材料和原子摻雜石墨烯，其中納米顆粒由于具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性能成為研究的熱點(diǎn)。與單一的石墨烯添加劑相比，復(fù)合材料具有更高的熱穩(wěn)定性、更好的分散性和更高的承載能力。常見(jiàn)的有金屬單質(zhì)納米顆粒、金屬硫化物、金屬氧化物和氟化物等納米顆粒。

軟金屬Cu、Ni、Ag等納米顆粒由于具有良好的延展性和熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)，顯示出優(yōu)異的抗磨減摩和自修復(fù)性能。石墨烯的六角形晶格結(jié)構(gòu)的交點(diǎn)處可錨定金屬納米粒子，Meng等[17]采用化學(xué)沉積法制備了Ni納米顆粒(5～10 nm)修飾的氧化石墨烯復(fù)合材料。四球?qū)嶒?yàn)結(jié)果表明，該復(fù)合材料是一種有效的潤(rùn)滑添加劑，當(dāng)其在石蠟基礎(chǔ)油中的添加量為0.08%時(shí)，摩擦系數(shù)和磨斑直徑分別降低32%和42%，與單獨(dú)的Ni納米顆粒、氧化石墨烯納米片相比展現(xiàn)出了超潤(rùn)滑性能。錨定的Ni納米顆粒小且分布均勻，能夠均勻分散摩擦?xí)r產(chǎn)生的接觸應(yīng)力，且摩擦副表面形成的潤(rùn)滑膜有利于Ni納米顆粒和氧化石墨烯協(xié)同作用的充分發(fā)揮。Wang等[18]采用一步激光輻射法制備了Ag納米顆粒(56 nm)修飾的石墨烯復(fù)合材料，該復(fù)合材料的添加量為0.1%時(shí)，摩擦系數(shù)和磨斑直徑分別降低40%和36%。Ag納米顆粒的出現(xiàn)使摩擦機(jī)理由滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，同時(shí)還起到對(duì)摩擦表面進(jìn)行修復(fù)的作用，進(jìn)一步提高了與石墨烯的協(xié)同潤(rùn)滑作用。

最近，具有自潤(rùn)滑性能的金屬硫化物納米顆粒修飾的石墨烯復(fù)合材料引起了大家的關(guān)注。Gong等[19]將MoS2納米顆粒(10～50 nm)沉積在石墨烯表面，發(fā)現(xiàn)在50～100 ℃下，負(fù)載為25～100 N時(shí)，該復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能優(yōu)于單獨(dú)的基礎(chǔ)油以及基礎(chǔ)油和石墨烯的混合物。這是由于摩擦副表面形成了含有C-O鍵的化合物以及含MoS2、FeO/Fe3O4、FeOOH、FeSO4/Fe2(SO4)3等化合物的摩擦膜，提供了優(yōu)異的耐磨性能。Zheng等[20]采用機(jī)械化學(xué)改性的方法制備了WS2納米顆粒修飾的石墨烯復(fù)合材料，該材料極少的添加量(0.02%～0.04%)使摩擦系數(shù)和磨損速率顯著降低70.2%和65.8%，同樣證實(shí)納米顆粒和石墨烯存在協(xié)同效應(yīng)。

Ren等[21]制備了多種形貌的ZnO@石墨烯納米添加劑，該類型添加劑都具有較好的穩(wěn)定性和分散性，其中石墨烯起到界面增強(qiáng)和自修復(fù)的作用，ZnO納米顆粒沉積在摩擦界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，二者的協(xié)同機(jī)制提高了潤(rùn)滑膜穩(wěn)定承受更高載荷的能力。原子摻雜石墨烯在潤(rùn)滑領(lǐng)域的研究較少，對(duì)石墨烯進(jìn)行原子摻雜破壞了碳原子的sp2雜化，改變了石墨烯的反應(yīng)活性，進(jìn)而改善了石墨烯在潤(rùn)滑過(guò)程中的摩擦學(xué)性能。Xu等[22]采用超聲分散和液體熱成型方法制備了氟化石墨烯/超高分子量聚乙烯復(fù)合材料，體系的抗磨、耐磨性能分別提高了27.8%和46.8%；Chandrabhan等[23]用三聚氰胺和氧化石墨烯制備了氮摻雜的石墨烯，將少量該添加劑(3 mg/L)加入到基礎(chǔ)油中，體系的摩擦系數(shù)降低25%，但是二者均未對(duì)摻雜前后樣品的摩擦學(xué)性能進(jìn)行比較。

1.3 碳納米管及其衍生物

與石墨烯和富勒烯相比，碳納米管的成本較低，同時(shí)具有優(yōu)異的力學(xué)性能，是常用的增韌材料。與石墨的結(jié)構(gòu)類似，碳納米管是由類石墨結(jié)構(gòu)的sp2雜化碳原子組成的圓柱形管狀結(jié)構(gòu)，使其作為潤(rùn)滑油添加劑使用時(shí)，微觀上容易形成理想的線性和可旋轉(zhuǎn)型納米軸承[24- 25]。Cumings等[25]采用高分辨透射電子顯微鏡研究發(fā)現(xiàn)，多壁碳納米管的管與管之間以較弱的范德華力相互作用，內(nèi)管能夠在外力作用下滑出，又能在范德華力的作用下撤回到管內(nèi)，認(rèn)為這是多壁碳納米管在納米尺寸上具有的超低的摩擦和磨損性能的原因。Liu等[26]將硬脂酸修飾的碳納米管分散到石蠟基礎(chǔ)油中，發(fā)現(xiàn)碳納米管具有良好的抗磨減摩作用，其最佳用量為0.025%。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)碳納米管在摩擦副表面形成一層摩擦膜，起到了支撐鋼球和分散接觸壓力的作用。

目前普遍認(rèn)為多壁碳納米管的潤(rùn)滑機(jī)理為：摩擦的初始階段，碳納米管起到變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦的作用，避免摩擦副表面直接接觸；隨著摩擦的進(jìn)行，納米管在應(yīng)力的作用下被切斷，變成較短的納米管；當(dāng)負(fù)載進(jìn)一步增大時(shí)，碳納米管的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生破碎，生成類似石墨烯結(jié)構(gòu)的碎片，而里層的碳納米管則繼續(xù)起到滾動(dòng)摩擦的作用[27-28]，摩擦機(jī)理示意如圖4所示。可見(jiàn)碳納米管的直徑和長(zhǎng)度對(duì)其能否進(jìn)入摩擦副表面間的間隙和其摩擦性能具有顯著的影響。Ye等[29]研究了管徑和管長(zhǎng)對(duì)多壁碳納米管摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)短的納米管比長(zhǎng)的納米管具有更好的摩擦學(xué)性能[30-31]。因此，碳納米管很難達(dá)到與球形納米顆粒相比擬的滾動(dòng)摩擦或者微軸承狀態(tài)，對(duì)摩擦的降低效果也有限。可見(jiàn)，與其他碳基納米材料相比，碳納米管的分散尤其重要。

(a)和(d)為球-盤摩擦接觸機(jī)理示意圖，(b)、(c)、(e)和(f)為摩擦測(cè)試過(guò)程中潤(rùn)滑機(jī)理演變示意圖[27]

隨著研究的深入，多種修飾后的碳納米管也逐漸應(yīng)用在摩擦學(xué)領(lǐng)域。Meng等[32]在臨界CO2流體中采用還原法制備了Ni金屬納米顆粒(5 nm)修飾的多壁碳納米管，球狀的Ni納米顆粒分布在碳納米管表面。當(dāng)該復(fù)合物在礦物油中的添加量為0.20%時(shí)，摩擦系數(shù)和磨損速率分別降低44.2%和56.4%，Ni納米顆粒和多壁碳納米管的協(xié)同作用使該體系的摩擦學(xué)性能顯著高于單個(gè)成分。Sun等[28]通過(guò)對(duì)多壁碳納米管進(jìn)行氧化，制備了部分剝離的多壁碳納米管，并將其作為水基潤(rùn)滑劑的添加劑，發(fā)現(xiàn)該部分剝離的多壁碳納米管具有優(yōu)異的減摩效果。認(rèn)為部分剝離的多壁碳納米管可同時(shí)具有多壁碳納米管和氧化石墨烯的納米帶結(jié)構(gòu)，因此同時(shí)產(chǎn)生了滾動(dòng)和滑動(dòng)摩擦，當(dāng)該添加劑的添加量為0.5%時(shí)，摩擦力降低66.4%，在水中表現(xiàn)出優(yōu)異的抗摩擦特性。

1.4 富勒烯及其衍生物

與其他碳材料相比，目前對(duì)富勒烯的研究相對(duì)較少。以C60為代表的富勒烯具有獨(dú)特的球形結(jié)構(gòu)，其抗壓能力強(qiáng)、分子內(nèi)作用力強(qiáng)、分子間相互作用力弱，具有作為分子滾珠潤(rùn)滑劑的使用前景。Lee等[33]在冷凍機(jī)油中加入富勒烯納米顆粒，采用盤對(duì)盤摩擦測(cè)試裝置考察了體系的潤(rùn)滑性能。結(jié)果表明，富勒烯粒子與摩擦副表面的相互作用使富勒烯起到表面拋光的作用，隨著拋光效果的增加，摩擦系數(shù)逐漸減小，即使在較高的載荷下油膜也得以保存；當(dāng)添加量為0.1%(體積分?jǐn)?shù))時(shí)，摩擦系數(shù)降低90%。閻逢元等[34]將C60和C70的混合物分散于石蠟油中，通過(guò)SRV實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，體系的極壓負(fù)荷提高了3倍，摩擦系數(shù)降低1/3；富勒烯粒子在潤(rùn)滑過(guò)程中起到了保護(hù)油膜和滾動(dòng)潤(rùn)滑的作用，但未充分分散的大顆粒的富勒烯的極壓性能比不添加時(shí)還要差，因此合適的分散是必要的。

富勒烯分子中存在大量不飽和雙鍵，容易發(fā)生加成反應(yīng)。同時(shí)，富勒烯還可以通過(guò)不同的化學(xué)修飾來(lái)合成種類繁多的新型化合物，而這些新型化合物通常具有奇特的性質(zhì)與功能，如氫化富勒烯等[35]。最近幾年，在富勒烯研究的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了一些類富勒烯結(jié)構(gòu)的材料，并被用做潤(rùn)滑產(chǎn)品的添加劑，常見(jiàn)的如類富勒烯-WS2(Fullerene-like tungsten disulfide，IF-WS2)[36]。

2 碳基納米材料的潤(rùn)滑機(jī)理

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的表征方法被用來(lái)研究摩擦副的摩擦機(jī)理，如掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜分析(EDS，XPS)、原子力顯微鏡和X射線近邊吸收光譜(XANES)，人們對(duì)潤(rùn)滑機(jī)理的了解也越來(lái)越深入。與其他納米材料的潤(rùn)滑機(jī)理相同，碳基納米材料的潤(rùn)滑機(jī)理也可以分為四個(gè)基本方面，如圖5所示，有(a)摩擦膜的形成、(b)修復(fù)作用、(c)滾動(dòng)效應(yīng)和(d)拋光作用，但碳基納米材料對(duì)體系摩擦學(xué)性能的提升通常是多種潤(rùn)滑機(jī)理協(xié)同作用的結(jié)果。

如圖5(a)所示，由于納米材料具有較大的比表面積和較高的表面能，容易吸附在摩擦副表面形成潤(rùn)滑膜，阻礙摩擦副表面的直接接觸，此時(shí)形成的膜為物理吸附膜，尤其層狀結(jié)構(gòu)的石墨烯和納米石墨，層與層之間能夠發(fā)生滑移進(jìn)一步提高了潤(rùn)滑劑的摩擦學(xué)性能。隨著滑動(dòng)摩擦的進(jìn)行，物理吸附膜發(fā)生破裂，摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的大量的熱促進(jìn)了摩擦副與潤(rùn)滑劑之間的摩擦化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，從而形成新的摩擦膜，顯著提高了摩擦性能[37-39]。

由于制造技術(shù)的限制，摩擦副表面很難做到絕對(duì)的平滑，微觀尺度上是粗糙的，因此在邊界潤(rùn)滑條件下，粗糙的摩擦副表面會(huì)直接接觸，產(chǎn)生較高的接觸壓力，從而導(dǎo)致摩擦系數(shù)較高并且磨損較快。納米材料由于顆粒尺寸較小，極易進(jìn)入摩擦副表面的凹陷處或者有缺陷的表面使表面更加平滑，如圖5(b)所示，降低了局部接觸壓力，減小了塑性形變的可能性，塑性形變是磨損發(fā)生的根源[40]。此外，摩擦?xí)r產(chǎn)生的高溫有可能會(huì)使納米材料發(fā)生熔融或者變形同時(shí)修復(fù)滑動(dòng)表面，也有利于降低摩擦和磨損。

圖5 碳基納米材料減摩抗磨機(jī)理示意

球形納米材料在摩擦副表面能夠起到滾動(dòng)效應(yīng)，變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦，如圖5(c)所示，穩(wěn)定的球形納米材料還能夠提高潤(rùn)滑劑的負(fù)載能力和極壓性能。從1.3可知，碳納米管也可以起到滾動(dòng)效應(yīng)，且當(dāng)多壁碳納米管的外層結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，里層的碳納米管可以繼續(xù)起到滾動(dòng)摩擦的作用。當(dāng)負(fù)載足夠高的時(shí)候，起到滾動(dòng)效應(yīng)的納米顆粒徹底破碎，滾動(dòng)效應(yīng)失效。強(qiáng)度高的納米顆粒也可作為摩擦副表面的拋光劑，具有拋光作用，如金剛石納米顆粒。Chu等[41]研究發(fā)現(xiàn)，金剛石納米顆粒在潤(rùn)滑油中可以起到拋光劑的作用，在摩擦過(guò)程中對(duì)摩擦副表面進(jìn)行加工從而提高了摩擦副表面的硬度，提高了體系的耐摩性能，如圖5(d)所示。

單一碳基納米材料對(duì)潤(rùn)滑體系摩擦性能的提升往往是上述多種作用機(jī)理相互協(xié)同作用的結(jié)果。如富勒烯和碳納米管，在摩擦的初始階段可起到滾動(dòng)效應(yīng)和修復(fù)作用；隨著摩擦的進(jìn)行和負(fù)載的增大，富勒烯或碳納米管逐漸破碎，摩擦膜的形成占主要作用。當(dāng)對(duì)單一納米材料進(jìn)行修飾時(shí)協(xié)同減摩抗磨機(jī)理就更加顯著，Zhao等[42]采用原位合成法制備了三明治結(jié)構(gòu)的Mn3O4插層的石墨烯納米片(Mn3O4@G)，摩擦學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在石墨烯納米片和Mn3O4納米顆粒的協(xié)同作用下Mn3O4@G展現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)性能和摩擦穩(wěn)定性。此外，納米材料與基體潤(rùn)滑劑本身也具有一定的協(xié)同作用。如圖6所示。

圖6 (a)Mn3O4@G的三明治結(jié)構(gòu)，(b)PAO6、Mn3O4@G、熱還原氧化石墨烯和其他相關(guān)樣品的摩擦系數(shù)，(c)Mn3O4@G的協(xié)同潤(rùn)滑機(jī)理示意[42]

3 總結(jié)和展望

本文介紹了不同形貌和維度的碳基納米材料的結(jié)構(gòu)、摩擦學(xué)性能及其在潤(rùn)滑劑中的應(yīng)用，從三維納米石墨、二維石墨烯、一維碳納米管到零維富勒烯，概括了目前普遍認(rèn)可的減摩抗磨機(jī)制?？梢?jiàn)，與碳基納米材料在潤(rùn)滑劑領(lǐng)域中應(yīng)用相關(guān)的研究十分廣泛，也取得了非常顯著的成果，但由于成本高和分散困難，碳基納米材料在實(shí)際應(yīng)用中的使用仍然十分受限，僅限于實(shí)驗(yàn)室研究階段；此外，對(duì)碳基納米材料摩擦學(xué)性能和機(jī)理的研究不夠全面。為促進(jìn)碳基納米材料在潤(rùn)滑劑領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用，未來(lái)的研究應(yīng)著手于以下幾個(gè)方面：

(1)降低碳基納米材料的制備成本。目前多數(shù)碳基納米材料的制備成本較高，限制了其在潤(rùn)滑劑領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用。

(2)制備易于分散，且分散均勻、穩(wěn)定的碳基納米材料分散體系。碳基納米材料只有充分分散且分散穩(wěn)定，才能充分起到納米材料的作用。目前普遍使用的是兩步分散法，亟待開發(fā)出在不影響其本身性能的基礎(chǔ)上成本低、易分散的改性碳基納米材料。

(3)進(jìn)一步研究碳基納米材料本身的抗磨減摩機(jī)理，尤其在不同工況下的機(jī)理，以開發(fā)出新型的材料和充分利用材料本身的性能。目前對(duì)碳基納米材料的抗磨減摩機(jī)制始終缺乏理論方面的理解，對(duì)其在不同工作下的摩擦學(xué)性能缺乏系統(tǒng)的研究。