石墨烯改性润滑油

张伟，朱宏伟

清华大学材料学院，北京 100084

石墨烯改性润滑油

张伟，朱宏伟†

清华大学材料学院，北京 100084

研究了石墨烯改性润滑油的减摩抗磨性能。采用薄膜润滑理论分析了石墨烯添加剂的润滑机理。以石墨烯为润滑油添加剂，在油酸等表面活性剂辅助下均匀稳定分散在基础润滑油中，增强了润滑油的高温抗压性能和减摩抗磨性能。研究结果将有助于深入理解石墨烯的摩擦学性能。

石墨烯；润滑油；添加剂

摩擦和磨损是众多领域遇到的最普遍的问题之一。摩擦和磨损损耗了大量能源，同时大量的材料和设备也因此而报废。随着科技的飞速发展以及机械制造技术的日益提高，出现了大量高速、重载的工作状态，从而对润滑油的高温承载能力以及减摩抗磨性能提出更高的要求。润滑油添加剂对于改善润滑油性能至关重要。目前的润滑油市场中，传统润滑油依然占据主导地位，但由于其润滑能力有限以及传统润滑油中添加的含硫、磷、氯等元素的添加剂对环境造成严重污染，无法满足现今的工作需求。因此，新型润滑油添加剂的研究受到国内外众多学者的广泛关注，而其中纳米材料作为润滑油添加剂的研究逐渐成为当前研究的热点之一。

早在20世纪80年代初期，Hisakado等[1-3]发现将二硫化钼和石墨分散在基础油中可改善减摩抗磨性能。纳米金属微粒作为润滑油添加剂也可改善润滑油的极压抗磨性能，其摩擦学机理主要有两方面：其一，金属微粒可以被看做“微轴承”，将滑动摩擦转化为滚动摩擦；其二，金属微粒可以填充于摩擦副的表面损伤部分，起到修补作用[3]。碳纳米材料中的纳米金刚石和碳纳米管作为润滑油添加剂可以避免摩擦副直接接触，改善润滑油的减摩抗磨性能[4-5]。

碳纳米润滑油添加剂取代了传统含有硫、磷、氯等元素的添加剂，解决了其对摩擦副带来的腐蚀和环境问题；同时纳米添加剂粒径小，在基础油中分散均匀，并可以填充摩擦副表面的划痕，起到修复作用；而且纳米颗粒以胶体的形式分散在油中，不易形成堵塞。本文以石墨烯为润滑油添加剂，在两种表面活性剂的改性作用下，将石墨烯稳定均匀地分散在润滑油中，通过摩擦磨损试验机来测试石墨烯润滑油的高温稳定性以及摩擦磨损性能[6-7]。

1 石墨烯添加剂的润滑机理

润滑现象可以用“薄膜润滑”原理进行解释。图1是薄膜润滑机理的分布图，其中h代表摩擦副间润滑油膜的厚度，Ra代表摩擦副接触面的粗糙度，h/Ra定义为油膜的层数。润滑油膜层数越多，越趋向于薄膜润滑；而当薄膜层数较少时，可能出现干摩擦与薄膜润滑的混合作用。因此，当仅有基础润滑油工作时(图2)，由于摩擦副为点接触，且载荷为高载荷，其摩擦机理为临界状态。随着石墨烯的添加，石墨烯不断覆盖在摩擦副表面，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基本不变，所以润滑机理逐渐趋向薄膜润滑，润滑油力学性能有所提高。当石墨烯质量分数不断增加时，石墨烯在摩擦副表面堆积，阻断润滑油膜的形成，h大幅下降，h/Ra随即下降，润滑机理折回到混合润滑区，润滑油的摩擦性能反而下降。

图1 薄膜润滑机理分布图

图2 石墨烯润滑油摩擦实验示意图

综合考虑干摩擦与薄膜润滑机理，其摩擦界面包括三种摩擦：第一种是两摩擦副表面润滑油的薄膜润滑；第二种是摩擦副直接接触形成干摩擦；第三种是摩擦副表面堆积的石墨烯发生的干摩擦。摩擦因子与三种摩擦的接触面积有关。当只有润滑油基础油工作时，其润滑处于临界状态，同时存在干摩擦与薄膜润滑；当有适当质量分数的石墨烯参与润滑时，薄膜润滑占主导地位，摩擦因子较低；当石墨烯质量分数较高时，石墨烯间的干摩擦作用凸显，且逐渐占据主导地位，摩擦因子不断上升。

2 石墨烯改性润滑油的减摩抗磨性能

采用四球摩擦磨损试验机(图2)对经油酸处理的石墨烯改性润滑油进行摩擦磨损性能测试[6-7]。通过观察磨斑表面形貌(图3)进一步分析润滑油的摩擦性能。图3(a)为润滑油基础油的磨斑表面形貌，左图为扫描电子显微图像，右下角是磨斑光学显微镜的全貌，右图是白光干涉三维图像。从图3(a)可见，磨斑表面沟壑起伏，粗糙度为464 nm，两摩擦副直接的接触使得磨损很大。图3(b)是质量分数0.06%的石墨烯润滑油的磨斑表面形貌。对比润滑油基础油，其形貌相对平整，粗糙度下降至220 nm，贴合在摩擦副表面的石墨烯保护了摩擦副，增强了润滑油的抗磨性能。图3(c)是质量分数5%的石墨烯润滑油的磨斑表面形貌。其表面起伏增加，粗糙度升至775 nm，大量堆积在摩擦界面的石墨烯相互接触，成为研磨剂，增强了摩擦副的磨损，润滑油抗磨性能甚至不如润滑油基础油。

3 结论

摩擦磨损是一种非常普遍的现象。本文采用薄膜理论分析了石墨烯作为润滑油添加剂的摩擦学机理。以石墨烯为润滑油添加剂，稳定均匀分散在润滑油中，可增强润滑油的高温抗压性能和减摩抗磨性能，为石墨烯作为润滑油添加剂开辟了新的应用前景。

(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] 张伟. 石墨烯的液相法制备及其性能研究[D]. 北京: 清华大学, 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.

图3 石墨烯润滑油的磨斑表面形貌表征： (a)润滑油基础油；(b)质量分数0.06 %石墨烯润滑油；(c)质量分数5 %石墨烯润滑油

(编辑：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