張偉，朱宏偉

清華大學材料學院，北京 100084

石墨烯改性潤滑油

張偉，朱宏偉?

清華大學材料學院，北京 100084

研究了石墨烯改性潤滑油的減摩抗磨性能。采用薄膜潤滑理論分析了石墨烯添加劑的潤滑機理。以石墨烯為潤滑油添加劑，在油酸等表面活性劑輔助下均勻穩(wěn)定分散在基礎(chǔ)潤滑油中，增強了潤滑油的高溫抗壓性能和減摩抗磨性能。研究結(jié)果將有助于深入理解石墨烯的摩擦學性能。

石墨烯；潤滑油；添加劑

摩擦和磨損是眾多領(lǐng)域遇到的最普遍的問題之一。摩擦和磨損損耗了大量能源，同時大量的材料和設(shè)備也因此而報廢。隨著科技的飛速發(fā)展以及機械制造技術(shù)的日益提高，出現(xiàn)了大量高速、重載的工作狀態(tài)，從而對潤滑油的高溫承載能力以及減摩抗磨性能提出更高的要求。潤滑油添加劑對于改善潤滑油性能至關(guān)重要。目前的潤滑油市場中，傳統(tǒng)潤滑油依然占據(jù)主導地位，但由于其潤滑能力有限以及傳統(tǒng)潤滑油中添加的含硫、磷、氯等元素的添加劑對環(huán)境造成嚴重污染，無法滿足現(xiàn)今的工作需求。因此，新型潤滑油添加劑的研究受到國內(nèi)外眾多學者的廣泛關(guān)注，而其中納米材料作為潤滑油添加劑的研究逐漸成為當前研究的熱點之一。

早在20世紀80年代初期，Hisakado等[1-3]發(fā)現(xiàn)將二硫化鉬和石墨分散在基礎(chǔ)油中可改善減摩抗磨性能。納米金屬微粒作為潤滑油添加劑也可改善潤滑油的極壓抗磨性能，其摩擦學機理主要有兩方面：其一，金屬微?？梢员豢醋觥拔⑤S承”，將滑動摩擦轉(zhuǎn)化為滾動摩擦；其二，金屬微?？梢蕴畛溆谀Σ粮钡谋砻鎿p傷部分，起到修補作用[3]。碳納米材料中的納米金剛石和碳納米管作為潤滑油添加劑可以避免摩擦副直接接觸，改善潤滑油的減摩抗磨性能[4-5]。

碳納米潤滑油添加劑取代了傳統(tǒng)含有硫、磷、氯等元素的添加劑，解決了其對摩擦副帶來的腐蝕和環(huán)境問題；同時納米添加劑粒徑小，在基礎(chǔ)油中分散均勻，并可以填充摩擦副表面的劃痕，起到修復作用；而且納米顆粒以膠體的形式分散在油中，不易形成堵塞。本文以石墨烯為潤滑油添加劑，在兩種表面活性劑的改性作用下，將石墨烯穩(wěn)定均勻地分散在潤滑油中，通過摩擦磨損試驗機來測試石墨烯潤滑油的高溫穩(wěn)定性以及摩擦磨損性能[6-7]。

1 石墨烯添加劑的潤滑機理

潤滑現(xiàn)象可以用“薄膜潤滑”原理進行解釋。圖1是薄膜潤滑機理的分布圖，其中h代表摩擦副間潤滑油膜的厚度，Ra代表摩擦副接觸面的粗糙度，h/Ra定義為油膜的層數(shù)。潤滑油膜層數(shù)越多，越趨向于薄膜潤滑；而當薄膜層數(shù)較少時，可能出現(xiàn)干摩擦與薄膜潤滑的混合作用。因此，當僅有基礎(chǔ)潤滑油工作時(圖2)，由于摩擦副為點接觸，且載荷為高載荷，其摩擦機理為臨界狀態(tài)。隨著石墨烯的添加，石墨烯不斷覆蓋在摩擦副表面，摩擦副表面的粗糙度被石墨烯表面的粗糙度所替代，Ra下降，而h基本不變，所以潤滑機理逐漸趨向薄膜潤滑，潤滑油力學性能有所提高。當石墨烯質(zhì)量分數(shù)不斷增加時，石墨烯在摩擦副表面堆積，阻斷潤滑油膜的形成，h大幅下降，h/Ra隨即下降，潤滑機理折回到混合潤滑區(qū)，潤滑油的摩擦性能反而下降。

圖1 薄膜潤滑機理分布圖

圖2 石墨烯潤滑油摩擦實驗示意圖

綜合考慮干摩擦與薄膜潤滑機理，其摩擦界面包括三種摩擦：第一種是兩摩擦副表面潤滑油的薄膜潤滑；第二種是摩擦副直接接觸形成干摩擦；第三種是摩擦副表面堆積的石墨烯發(fā)生的干摩擦。摩擦因子與三種摩擦的接觸面積有關(guān)。當只有潤滑油基礎(chǔ)油工作時，其潤滑處于臨界狀態(tài)，同時存在干摩擦與薄膜潤滑；當有適當質(zhì)量分數(shù)的石墨烯參與潤滑時，薄膜潤滑占主導地位，摩擦因子較低；當石墨烯質(zhì)量分數(shù)較高時，石墨烯間的干摩擦作用凸顯，且逐漸占據(jù)主導地位，摩擦因子不斷上升。

2 石墨烯改性潤滑油的減摩抗磨性能

采用四球摩擦磨損試驗機(圖2)對經(jīng)油酸處理的石墨烯改性潤滑油進行摩擦磨損性能測試[6-7]。通過觀察磨斑表面形貌(圖3)進一步分析潤滑油的摩擦性能。圖3(a)為潤滑油基礎(chǔ)油的磨斑表面形貌，左圖為掃描電子顯微圖像，右下角是磨斑光學顯微鏡的全貌，右圖是白光干涉三維圖像。從圖3(a)可見，磨斑表面溝壑起伏，粗糙度為464 nm，兩摩擦副直接的接觸使得磨損很大。圖3(b)是質(zhì)量分數(shù)0.06%的石墨烯潤滑油的磨斑表面形貌。對比潤滑油基礎(chǔ)油，其形貌相對平整，粗糙度下降至220 nm，貼合在摩擦副表面的石墨烯保護了摩擦副，增強了潤滑油的抗磨性能。圖3(c)是質(zhì)量分數(shù)5%的石墨烯潤滑油的磨斑表面形貌。其表面起伏增加，粗糙度升至775 nm，大量堆積在摩擦界面的石墨烯相互接觸，成為研磨劑，增強了摩擦副的磨損，潤滑油抗磨性能甚至不如潤滑油基礎(chǔ)油。

3 結(jié)論

摩擦磨損是一種非常普遍的現(xiàn)象。本文采用薄膜理論分析了石墨烯作為潤滑油添加劑的摩擦學機理。以石墨烯為潤滑油添加劑，穩(wěn)定均勻分散在潤滑油中，可增強潤滑油的高溫抗壓性能和減摩抗磨性能，為石墨烯作為潤滑油添加劑開辟了新的應用前景。

(2016年1月15日收稿)■

[1] HISAKADO T, TSUKIZOE T, YOSHIKAWA H. Lubrication mechanism of solid lubricants in oils [J]. J Lubric Technol, 1983, 105: 245-253.

[2] CUSANO C, SLINEY H E. Dynamics of solid dispersions in oil duringthe lubrication of point contacts: I. Graphite [J]. ASLE Trans, 1982, 25: 183-189.

[3] TARASOV S, KOLUBAEV A, BELYAEV S, et al. Study of friction reduction by nanocopper additives to motor oil [J]. Wear, 2002, 252: 63-69.

[4] XU T, ZHAO J Z, XU K, et al. Study on the tribological properties of ultradispersed diamond containing soot as an oil additive [J]. Tribol Trans, 1997, 40: 178-182.

[5] CHEN C S, CHEN X H, LIU T G, et al. Chemical modification of carbon nanotubes and tribological properties as lubricant additive [J]. Acta Chimica Sinica, 2004, 62:1367-1372.

[6] 張偉. 石墨烯的液相法制備及其性能研究[D]. 北京: 清華大學, 2011.

[7] ZHANG W, ZHOU M, ZHU H W, et al. Tribological properties of reduced graphene oxide sheets as lubricant oil additives [J]. J Phys D: Appl Phys, 2011, 44 (20): 205303.

圖3 石墨烯潤滑油的磨斑表面形貌表征： (a)潤滑油基礎(chǔ)油；(b)質(zhì)量分數(shù)0.06 %石墨烯潤滑油；(c)質(zhì)量分數(shù)5 %石墨烯潤滑油

(編輯：沈美芳)

Graphene enhanced lubricant oil

ZHANG Wei, ZHU Hongwei
School of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China

In this work, the tribological behavior of graphene-contained oils is investigated. The tribological mechanism is explained with the lubrication regime transition theory. Liquid phase exfoliated graphene sheets are modified by oleic acid and dispersed in lubricant oils as additives. The lubricant with optimized graphene concentrations show enhanced friction and antiwear performance. This study represents a first step towards the fundamental understanding of the tribological properties of graphene.

graphene, lubricant oil, additive

10.3969/j.issn.0253-9608.2016.02.003

?通信作者，E-mail: hongweizhu@tsinghua.edu.cn