石墨烯作為水基添加劑在電場(chǎng)條件下的摩擦性能研究

毛乃堯 周銘

摘要：石墨烯物理性能出眾，在潤(rùn)滑領(lǐng)域具有巨大潛力。鑒于傳統(tǒng)油基潤(rùn)滑劑面臨的資源耗竭和環(huán)境污染問題，人們致力于找到一種既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)的潤(rùn)滑解決方案，因此研究了在電場(chǎng)作用下的石墨烯水基潤(rùn)滑體系摩擦學(xué)性能，通過對(duì)電場(chǎng)參數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，證明了電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)潤(rùn)滑性能調(diào)控的可行性。這不僅為變速器等技術(shù)進(jìn)步提供了理論支持，也有助于推動(dòng)高效、環(huán)保潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：石墨烯;水基潤(rùn)滑;電控摩擦

中圖分類號(hào)：TH140.7? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2024）11-0049-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.11.012

0? ? 引言

摩擦現(xiàn)象在人類的生產(chǎn)和生活中無處不在，它既帶來了便利，也會(huì)導(dǎo)致能量損耗和機(jī)械部件的失效。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，摩擦造成的能量損耗高達(dá)33%，而機(jī)械故障中有80%是由摩擦引起的[1]。傳統(tǒng)的解決方案依賴于油基潤(rùn)滑劑，這些潤(rùn)滑劑來源于不可再生的礦石材料，隨之帶來的是成本的上升和環(huán)境污染問題的加劇。因此，尋找一種經(jīng)濟(jì)且環(huán)保的潤(rùn)滑方式成為迫切的需求。在這種背景下，水基潤(rùn)滑因其環(huán)境友好性而受到了廣泛關(guān)注。然而，水基潤(rùn)滑系統(tǒng)存在一定的局限性，例如它們通常不能承受較高的載荷且潤(rùn)滑性能一般。為了解決這些問題，研究者提出了多種策略，其中向水中添加納米微粒被普遍認(rèn)為是一種有效的方法[2-5]。

石墨烯作為近年來被廣泛報(bào)道的二維材料[6]，因其出色的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能，被認(rèn)為能夠顯著改善潤(rùn)滑系統(tǒng)的性能，在油基潤(rùn)滑系統(tǒng)中，石墨烯已經(jīng)證明了其優(yōu)異的潤(rùn)滑效果。值得注意的是，在水基溶液中添加石墨烯也能起到顯著的潤(rùn)滑效果，這為提高水基潤(rùn)滑系統(tǒng)的性能提供了新的思路[7-8]。

電控摩擦是一種利用電場(chǎng)來調(diào)控摩擦性質(zhì)的技術(shù)，展現(xiàn)了在改善摩擦和提高機(jī)械性能方面的巨大潛力。C. Drummond通過應(yīng)用交變電場(chǎng)來調(diào)整聚電解質(zhì)涂層的局部分子構(gòu)象，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整體摩擦的精確、主動(dòng)控制[9]。蔣洪軍、孟永鋼等研究了邊界潤(rùn)滑條件下外電場(chǎng)對(duì)Al2O3/黃銅、Al2O3/不銹鋼和Al2O3/碳鋼摩擦副摩擦行為的影響，發(fā)現(xiàn)外部電場(chǎng)對(duì)各摩擦偶的摩擦系數(shù)有較大影響[10]。外加電場(chǎng)可以控制液體中納米顆粒從而影響摩擦，電場(chǎng)可以誘導(dǎo)碳納米管在聚合物復(fù)合材料中的排列與分散[11]，因此，考慮到石墨烯在水基潤(rùn)滑系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力，以及電控摩擦技術(shù)在調(diào)控摩擦性質(zhì)方面的優(yōu)勢(shì)，本文研究在帶電條件下石墨烯水基潤(rùn)滑系統(tǒng)的摩擦學(xué)性質(zhì)，不僅能夠?yàn)槔斫馐┑臐?rùn)滑機(jī)制提供新的視角，也能為實(shí)現(xiàn)更高效、環(huán)保的潤(rùn)滑系統(tǒng)開辟新的路徑。

1? ? 材料制備

制備石墨烯的水基分散液，首先需要解決石墨烯納米片在水中傾向于相互團(tuán)聚的問題。為實(shí)現(xiàn)石墨烯的穩(wěn)定分散，向純水中添加了分散劑。這種分散劑能夠通過滲透石墨烯層間，形成分子間作用力，有效克服引起團(tuán)聚的范德華力，從而使得石墨烯能夠良好分散。選用的分散劑材料為陰離子分散劑：十二烷基磺酸鈉（SLS）。

將經(jīng)過24 h干燥處理的石墨烯與十二烷基磺酸鈉分散劑加入到100 mL的純水中，接著在60 ℃溫度下使用四聯(lián)磁力攪拌器攪拌2 h，以確保分散體系混合均勻，最后將混合分散體系在超聲中剝離1 h，以進(jìn)一步促進(jìn)石墨烯分散。在總的分散體系中，石墨烯的質(zhì)量占總體系質(zhì)量的0.2wt%，分散劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為總體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.5wt%。

2? ? 實(shí)驗(yàn)過程

使用改裝過的往復(fù)式多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（Bruker UMT-TriboLab），如圖1所示，檢測(cè)在帶電界面石墨烯水基溶液的摩擦性能。它由一個(gè)直徑為9.525 mm的精密軸承鋼球和一個(gè)由鋼板制成的往復(fù)盤組成。鋼板（GCr15）的硬度為HRC50，尺寸規(guī)格為40 mm×30 mm×5 mm，鋼板的表面經(jīng)過機(jī)械拋光以消除表面粗糙度的潛在影響，在鋼板表面附一層0.05 mm厚度的聚四氟乙烯（PTFE）薄膜。使用精密程控電源來為潤(rùn)滑劑施加電場(chǎng)（EF），直流（DC）電源的一個(gè)極與鋼球一端連接，另一個(gè)極固定在鋼板上。同時(shí)在電路中并聯(lián)布置一個(gè)高精度電流電壓表，以確保在整個(gè)測(cè)試過程中沒有電流通過摩擦對(duì)。實(shí)驗(yàn)采用了0～15 V的外部電壓來調(diào)節(jié)界面電場(chǎng)強(qiáng)度（E0）。摩擦試驗(yàn)在2 Hz的往復(fù)頻率和3 mm的行程下進(jìn)行，施加到接觸點(diǎn)的法向載荷為5 N。在測(cè)試前對(duì)石墨烯的水基溶液進(jìn)行溫度測(cè)量，以確保在25 ℃條件下。每次實(shí)驗(yàn)取10 μL溶液進(jìn)行測(cè)試。

3? ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)開始前，對(duì)石墨烯水基溶液及其與十二烷基磺酸鈉（SLS）的水基溶液進(jìn)行了zeta電位和電導(dǎo)率的測(cè)定。結(jié)果（圖2）表明，含SLS的石墨烯水基溶液在zeta電位的絕對(duì)值和電導(dǎo)率方面均顯著高于純石墨烯水基溶液。特別是，含SLS溶液石墨烯水基溶液的zeta電位絕對(duì)值超過30 mV，高zeta電位的絕對(duì)值表明了強(qiáng)烈的顆粒間電荷排斥作用，從而預(yù)示著較高的懸浮穩(wěn)定性，證明了SLS作為分散劑對(duì)于石墨烯的優(yōu)異分散效果。

在石墨烯水基潤(rùn)滑劑的實(shí)驗(yàn)中，施加了15 V的電壓，結(jié)果顯示施加電壓后的摩擦系數(shù)初始為高于未施加電壓的情況，但隨摩擦進(jìn)行而下降（圖3）。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行20 min后，對(duì)測(cè)試潤(rùn)滑劑進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)石墨烯在水中有明顯團(tuán)聚現(xiàn)象。此外，當(dāng)提高石墨烯在溶液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，雖然摩擦系數(shù)對(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)速度加快，但摩擦系數(shù)的降低并不顯著。

在石墨烯與分散劑十二烷基磺酸鈉（SLS）的實(shí)驗(yàn)中，加載0～15 V電壓，當(dāng)加載10 V電壓時(shí)，摩擦系數(shù)開始迅速上升，隨后穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，進(jìn)一步將電壓增加到15 V時(shí)，摩擦系數(shù)的上升趨勢(shì)變得更加明顯（圖4）。

4? ? 討論

對(duì)于石墨烯水基潤(rùn)滑劑，在未施加電場(chǎng)的情況下，隨著摩擦過程的進(jìn)行，摩擦系數(shù)會(huì)因水中石墨烯的逐漸團(tuán)聚和沉降而緩慢增加。施加電場(chǎng)后，石墨烯與水分子之間的相互作用受到電場(chǎng)的影響，導(dǎo)致它們?cè)谀Σ帘砻嫔隙ㄏ蚺帕?，在初始狀態(tài)摩擦系數(shù)會(huì)上升，隨后下降并低于未加電時(shí)的摩擦系數(shù)。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)的增加，這種影響變得更加顯著[12]。增加水中石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)進(jìn)一步影響其在水中的團(tuán)聚效應(yīng)。所以，相比而言，外加電場(chǎng)時(shí)石墨烯水基潤(rùn)滑劑雖然初始摩擦系數(shù)高于未加電情況，但隨著摩擦的進(jìn)行，摩擦系數(shù)會(huì)逐漸降低。

在石墨烯與分散劑的水基潤(rùn)滑劑中，陰離子分散劑SLS分子的疏水尾部?jī)A向于通過范德華力吸附到石墨烯表面，而親水基團(tuán)（帶負(fù)電）則朝向溶液，減少了石墨烯片之間的直接接觸，降低了石墨烯的團(tuán)聚。在SLS分子吸附到石墨烯表面后，形成了緊密附著在石墨烯表面的固定電荷層，這層固定電荷吸引著溶液中的正離子，在摩擦副表面形成雙電層。當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，電場(chǎng)的方向和強(qiáng)度會(huì)影響雙電層的分布和性質(zhì)，引起雙電層內(nèi)電荷重新分布，此外，分散劑和石墨烯之間的結(jié)合也會(huì)受到電場(chǎng)的影響，從而導(dǎo)致整個(gè)潤(rùn)滑劑的摩擦系數(shù)增加。

5? ? 結(jié)論

石墨烯作為水基潤(rùn)滑添加劑，受電場(chǎng)作用在摩擦副的表面定向排列，隨著摩擦的進(jìn)行，摩擦系數(shù)會(huì)緩慢下降。當(dāng)石墨烯與分散劑結(jié)合時(shí)會(huì)受到電場(chǎng)作用使得摩擦系數(shù)顯著增大。同時(shí)，對(duì)其施加更高電場(chǎng)時(shí)，摩擦系數(shù)的響應(yīng)也會(huì)變快。本文探究了外加電場(chǎng)作用下石墨烯水基潤(rùn)滑劑與石墨烯添加分散劑的水基潤(rùn)滑劑相關(guān)的摩擦學(xué)性質(zhì)，為在宏觀層面精準(zhǔn)調(diào)節(jié)水基潤(rùn)滑劑摩擦系數(shù)提供了參考。

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收稿日期：2024-03-07

作者簡(jiǎn)介：毛乃堯（1998—），男，山東人，碩士研究生，研究方向：石墨烯界面吸附機(jī)理與應(yīng)用。

通信作者：周銘（1985—），女，廣西人，教授，主要從事二維新材料的界面科學(xué)及技術(shù)和摩擦學(xué)方面的研究工作。

基金項(xiàng)目：廣西自然科學(xué)基金-杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目“基于二維新材料的機(jī)械載流摩擦表/界面行為調(diào)控與機(jī)理研究”（2022GXNSFFA035036）