石墨烯作为润滑油添加剂在高温条件下的抗磨性能分析

闫云敬

摘要： 为了研究石墨烯作为润滑油添加剂在高温条件下的抗磨性能，在基础油中添加石墨烯，并且通过四球摩擦磨损试验机做摩擦磨损实验。利用XRD将石墨烯的征象显露出来，通过对比基础油与添加不同质量的石墨烯润滑油，分析石墨烯润滑油的抗磨性能。结果说明：将石墨烯添加到润滑油中，可以大幅度提升石墨烯在高温条件下的抗磨性能。

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.

关键词： 石墨烯;润滑油;高温条件;抗磨性能

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

中图分类号：TE626.3                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）23-0022-02

0  引言

石墨烯是一种新兴材料，它的纳米层状结构非常薄，具有较高的热稳定性和導热性能，机械强度也高，是润滑油添加剂中很好的材料。但是石墨烯非常容易形成分散液，而且性能稳定，使得它在润滑领域中的应用有一定的局限性。分析石墨烯材料在高温条件下的抗磨性能，对于石墨烯润滑油添加剂的广泛应用有着重要的现实意义。

1  实验方案

1.1 石墨烯的征象与修饰

通过动态光散射纳米激光粒度仪分析石墨烯的粒度大小，仪器中显示石墨烯颗粒的直径介于250-397nm之间，可以得出石墨烯结构为层片状，其每层厚度只有几纳米，片状直径可达几百纳米。借助X射线衍射仪可以获取石墨烯的衍射图谱，测出（002）层之间的距离衍射峰在23.5度上下，强度随着峰值的变宽而变弱。而且衍射峰值在21度上下仍然会出现，这一点说明石墨烯为少层石墨烯，但是符合试验要求。

1.2 抗磨性能测试

本实验采用摩擦磨损试验机，运用四球法进行摩擦模式试验。把提前制备好的石墨烯用不同的质量分数放入油样中，等到他们充分溶解之后，制备待测油样。抗黏着试验需要在高温摩擦磨损试验一段时间，将油槽内的油泄掉，但设备保持运转到摩擦系数突变现象出现为止。试验时，以10s为间隔记录摩擦数据，待试验结束后，运用石油醚反复清洗钢球。等钢球彻底干燥之后，运用金相显微镜（精度是0.001mm）对钢球的磨斑进行细致的观察，将磨斑的直径测量出来。

2  实验结果与分析

2.1 抗磨性能分析

图1中可以看出试验稳定后不同质量含量的石墨烯添加剂油样的摩擦系数，得出在摩擦状态稳定的情况下，并未加入石墨烯基础油的摩擦系数是0.071，摩擦磨损试验进行中，基础油的摩擦系数逐渐升高。但是加入石墨烯后，摩擦系数发生了很大改变，摩擦系数随着石墨烯质量的增加呈先降后升的态势，但是后期再加大石墨烯浓度，其摩擦系数看不出变化。再稳定状态下加入质量分数为0.03%时，摩擦系数为0.06，达到最小系数[2]。但是进行摩擦磨损试验后，摩擦系数会降到0.055。相对于基础油来说，其摩擦因子大约降了22.5%。

基础油在摩擦过程中会在摩擦副之间出现油膜，有效避免了摩擦表面凸体之间的接触，使得试验中的摩擦系数数值比较稳定。但是将石墨烯加入到基础油中后，在摩擦时油膜还能起到润滑作用，但是石墨烯极易覆盖于摩擦副表面，填充表面的粗糙度，从而产生薄膜润滑，有效减少摩擦表面微凸体的接触，进一步降低摩擦系数。但是如果石墨烯的质量分数含量比较大时，石墨烯会堆积在摩擦副表面，阻止油膜的形成，导致摩擦因子上升。如果继续加入添加剂，摩擦因子几乎不会变化。这是因为在一定条件下，石墨烯中的量是一定的，所起到的作用也是有限的，添加一定量的润滑油形成的油膜能够承受试验中的剪切力。在这种情况下，即使继续添加，其抗磨性能也不会进一步增强。另外，实验过程中钢球磨斑直径在没有加入石墨烯油样的磨斑直径约为0.335mm，为最大直径。当加入石墨烯后，磨斑直径随着质量分数的增加而呈先变小后变大的态势[3]。出现这种现象的原因有三点：①受到荷载作用的影响，结

构为层片状的石墨烯易于在钢球表面沉积、剥离，使得摩擦副间的接触面积缩小，能够有效减少磨损。②在摩擦磨损中，结构为层片状的石墨烯极其容易被挤碎成为碎屑，然后在接触表面进行填充，从而有效减少磨损，提升承载力。③由于石墨烯的导热性能非常强，传热速度快，能够有效减少黏着磨损，确保油膜完整。但是要掌握好石墨烯含量，伴随石墨烯含量增加，摩擦表面的石墨烯量也会增加，但石墨烯的浓度达到临界值，再添加的石墨烯就会变得多余，不仅不能减少磨损，反而会与其它金属磨屑产生团聚问题，导致接触面更加粗糙。在润滑油中，石墨烯颗粒可以增大摩擦副之间的磨损，减小抗磨性能，而且会增加磨斑直径。

2.2 抗黏着性能分析

为了研究石墨烯在高温条件下的抗磨性能，针对质量分数为0.03%的石墨烯润滑油进行了抗黏着试验，对比和分析试验结果。

从图2可以看出试验中摩擦因子的变化情况。在开始5min时，摩擦因子的效果与高温摩擦磨损试验相同，但是在泄油之后，石墨烯添加剂油样与基础油的结果呈现出很大的不同。当试验开始5min时泄油，加入了石墨烯添加剂的油样摩擦因子没有马上变化，而是等到12min时摩擦因子呈现上升趋势，然后又以平稳的速度降下来，而且在后续的36min、60min这种突变情况还是会发生，一直到摩擦因子出现剧烈变化为止。而基础油在刚开始泄油时，其摩擦因子就立刻发生了变化，突然上升，然后趋于平稳状态，而且呈现出平稳下降的态势，一直到摩擦系数出现剧烈变化为止。对试验结果进行分析，可以看出在摩擦开始阶段，即试验开始五分钟时，润滑油会在摩擦副间形成油膜，保护摩擦表面，而且使摩擦系数处于稳定状态。但是当进行泄油处理时，刚一开始基础油的油膜就出现了破裂，使得表面微凸点之间接触，导致摩擦因子突然变化。但是该实验运用的是四球法，在试验机运转时，四个钢球之间不是持续接触的，钢球表面残留的润滑油会再次进入摩擦区域，使得摩擦因子恢复之前的数值，直到残留的润滑油完全消耗完成之后，摩擦因子才会出现剧烈变化。而加入石墨烯添加剂的基础油，在进行泄油的瞬间，摩擦因子未变化，表明石墨烯作为润滑油添加剂可以有效缓解油膜破裂现象的发生，使得润滑油能够保持较长的稳定时间，从而提升润滑油的承载力。出现这种情况的原因主要是石墨烯纳米级的厚度，极易进入摩擦副区域，在其表面形成一层保护膜，可以有效减少油膜破裂，进一步增加基础油稳定时间。在整个试验过程中，总共发生了三次突变，直到最后摩擦因子才出现剧烈变化。这表明每次突变，石墨烯都会进入摩擦副区域，并且被挤碎成为碎屑，起到减摩作用，避免摩擦副黏着现象的出现，一直到残留的碎屑完全消耗掉。

此外，本次试验还记录了基础油与加入石墨烯添加剂的油样的抗黏着时间。在试验过程中，基础油的摩擦因子是在2640s出现的剧烈变化，而加入石墨烯添加剂的油样是在4790s出现的剧烈变化，后者比前者的抗黏着时间明显延长，大大提高了抗黏着性能[4]。在试验完成后，观察钢球表面磨斑直径及其形貌可以看出，钢球的磨斑直径发生了很大改变。在抗黏着试验完成后，基础油的钢球磨斑直径约为0.437mm，加入石墨烯添加剂的油样的磨斑直径约為0.216mm，比前者显著降低，说明加入了石墨烯添加剂的油样具有将高的抗黏着性能。观察磨斑表面的形貌，可以得出基础油的表面有很深的划痕和沟槽，而加入石墨烯添加剂的油样表面虽然也有一些划痕，但是都是比较浅显的。因此，可以得出在高温条件下，石墨烯作为润滑油添加剂，而且确保添加质量分数最佳时，能够展现出较高的抗磨性能。

3  结论

在高温摩擦磨损试验过程中，石墨烯作为润滑油添加剂具有较好的抗磨性能，而且当石墨烯的质量含量为0.03%时，其抗磨性能最好。此外，石墨烯作为润滑油添加剂还能有效提升抗黏着性能。

参考文献：

[1]马青怡，沈岩，袁晓帅，刘志翔，邢传斐，徐久军.液相等离子制备石墨烯润滑添加剂的摩擦磨损特性[J].车用发动机，2021（04）：42-47.

[2]丁隆新，常伟豪，袁小亚，郑旭煦.石墨烯作为润滑油添加剂的研究进展[J].润滑与密封，2021，46（08）：136-146.

[3]刘文秋，李瑞山，李维学，林博，李东山，鲁志斌.三维石墨烯作为润滑油添加剂的抗断油性能研究[J].表面技术，2020，49（07）：175-183.

[4]董懿，张艳岗，刘勇，郭泽宇，白羽，郭巨寿.化学法石墨烯分散液的制备及其摩擦学性能的研究[J].机械科学与技术，2020，39（08）：1295-1298.