石墨烯作为水基添加剂在电场条件下的摩擦性能研究

毛乃尧 周铭

摘要：石墨烯物理性能出众，在润滑领域具有巨大潜力。鉴于传统油基润滑剂面临的资源耗竭和环境污染问题，人们致力于找到一种既环保又经济的润滑解决方案，因此研究了在电场作用下的石墨烯水基润滑体系摩擦学性能，通过对电场参数的精准调节，证明了电场强度对润滑性能调控的可行性。这不仅为变速器等技术进步提供了理论支持，也有助于推动高效、环保润滑系统的设计和优化。

关键词：石墨烯;水基润滑;电控摩擦

中图分类号：TH140.7    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2024）11-0049-03

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

0    引言

摩擦现象在人类的生产和生活中无处不在，它既带来了便利，也会导致能量损耗和机械部件的失效。在现代工业生产中，摩擦造成的能量损耗高达33%，而机械故障中有80%是由摩擦引起的[1]。传统的解决方案依赖于油基润滑剂，这些润滑剂来源于不可再生的矿石材料，随之带来的是成本的上升和环境污染问题的加剧。因此，寻找一种经济且环保的润滑方式成为迫切的需求。在这种背景下，水基润滑因其环境友好性而受到了广泛关注。然而，水基润滑系统存在一定的局限性，例如它们通常不能承受较高的载荷且润滑性能一般。为了解决这些问题，研究者提出了多种策略，其中向水中添加纳米微粒被普遍认为是一种有效的方法[2-5]。

石墨烯作为近年来被广泛报道的二维材料[6]，因其出色的力学、热学和电学性能，被认为能够显著改善润滑系统的性能，在油基润滑系统中，石墨烯已经证明了其优异的润滑效果。值得注意的是，在水基溶液中添加石墨烯也能起到显著的润滑效果，这为提高水基润滑系统的性能提供了新的思路[7-8]。

电控摩擦是一种利用电场来调控摩擦性质的技术，展现了在改善摩擦和提高机械性能方面的巨大潜力。C. Drummond通过应用交变电场来调整聚电解质涂层的局部分子构象，从而实现对整体摩擦的精确、主动控制[9]。蒋洪军、孟永钢等研究了边界润滑条件下外电场对Al2O3/黄铜、Al2O3/不锈钢和Al2O3/碳钢摩擦副摩擦行为的影响，发现外部电场对各摩擦偶的摩擦系数有较大影响[10]。外加电场可以控制液体中纳米颗粒从而影响摩擦，电场可以诱导碳纳米管在聚合物复合材料中的排列与分散[11]，因此，考虑到石墨烯在水基润滑系统中的应用潜力，以及电控摩擦技术在调控摩擦性质方面的优势，本文研究在带电条件下石墨烯水基润滑系统的摩擦学性质，不仅能够为理解石墨烯的润滑机制提供新的视角，也能为实现更高效、环保的润滑系统开辟新的路径。

1    材料制备

制备石墨烯的水基分散液，首先需要解决石墨烯纳米片在水中倾向于相互团聚的问题。为实现石墨烯的稳定分散，向纯水中添加了分散剂。这种分散剂能够通过渗透石墨烯层间，形成分子间作用力，有效克服引起团聚的范德华力，从而使得石墨烯能够良好分散。选用的分散剂材料为阴离子分散剂：十二烷基磺酸钠（SLS）。

将经过24 h干燥处理的石墨烯与十二烷基磺酸钠分散剂加入到100 mL的纯水中，接着在60 ℃温度下使用四联磁力搅拌器搅拌2 h，以确保分散体系混合均匀，最后将混合分散体系在超声中剥离1 h，以进一步促进石墨烯分散。在总的分散体系中，石墨烯的质量占总体系质量的0.2wt%，分散剂的质量分数为总体系质量分数的0.5wt%。

2    实验过程

使用改装过的往复式多功能摩擦磨损试验机（Bruker UMT-TriboLab），如图1所示，检测在带电界面石墨烯水基溶液的摩擦性能。它由一个直径为9.525 mm的精密轴承钢球和一个由钢板制成的往复盘组成。钢板（GCr15）的硬度为HRC50，尺寸规格为40 mm×30 mm×5 mm，钢板的表面经过机械拋光以消除表面粗糙度的潜在影响，在钢板表面附一层0.05 mm厚度的聚四氟乙烯（PTFE）薄膜。使用精密程控电源来为润滑剂施加电场（EF），直流（DC）电源的一个极与钢球一端连接，另一个极固定在钢板上。同时在电路中并联布置一个高精度电流电压表，以确保在整个测试过程中没有电流通过摩擦对。实验采用了0～15 V的外部电压来调节界面电场强度（E0）。摩擦试验在2 Hz的往复频率和3 mm的行程下进行，施加到接触点的法向载荷为5 N。在测试前对石墨烯的水基溶液进行温度测量，以确保在25 ℃条件下。每次实验取10 μL溶液进行测试。

3    实验结果

在实验开始前，对石墨烯水基溶液及其与十二烷基磺酸钠（SLS）的水基溶液进行了zeta电位和电导率的测定。结果（图2）表明，含SLS的石墨烯水基溶液在zeta电位的绝对值和电导率方面均显著高于纯石墨烯水基溶液。特别是，含SLS溶液石墨烯水基溶液的zeta电位绝对值超过30 mV，高zeta电位的绝对值表明了强烈的颗粒间电荷排斥作用，从而预示着较高的悬浮稳定性，证明了SLS作为分散剂对于石墨烯的优异分散效果。

在石墨烯水基润滑剂的实验中，施加了15 V的电压，结果显示施加电压后的摩擦系数初始为高于未施加电压的情况，但随摩擦进行而下降（图3）。实验进行20 min后，对测试润滑剂进行观察，发现石墨烯在水中有明显团聚现象。此外，当提高石墨烯在溶液中的质量分数时，虽然摩擦系数对电场的响应速度加快，但摩擦系数的降低并不显著。

在石墨烯与分散剂十二烷基磺酸钠（SLS）的实验中，加载0～15 V电压，当加载10 V电压时，摩擦系数开始迅速上升，随后稳定在一定范围内，进一步将电压增加到15 V时，摩擦系数的上升趋势变得更加明显（图4）。

4    讨论

对于石墨烯水基润滑剂，在未施加电场的情况下，随着摩擦过程的进行，摩擦系数会因水中石墨烯的逐渐团聚和沉降而缓慢增加。施加电场后，石墨烯与水分子之间的相互作用受到电场的影响，导致它们在摩擦表面上定向排列，在初始状态摩擦系数会上升，随后下降并低于未加电时的摩擦系数。随着电场强度在一定范围内的增加，这种影响变得更加显著[12]。增加水中石墨烯的质量分数会进一步影响其在水中的团聚效应。所以，相比而言，外加电场时石墨烯水基润滑剂虽然初始摩擦系数高于未加电情况，但随着摩擦的进行，摩擦系数会逐渐降低。

在石墨烯与分散剂的水基润滑剂中，阴离子分散剂SLS分子的疏水尾部倾向于通过范德华力吸附到石墨烯表面，而亲水基团（带负电）则朝向溶液，减少了石墨烯片之间的直接接触，降低了石墨烯的团聚。在SLS分子吸附到石墨烯表面后，形成了紧密附着在石墨烯表面的固定电荷层，这层固定电荷吸引着溶液中的正离子，在摩擦副表面形成双电层。当施加电场时，电场的方向和强度会影响双电层的分布和性质，引起双电层内电荷重新分布，此外，分散剂和石墨烯之间的结合也会受到电场的影响，从而导致整个润滑剂的摩擦系数增加。

5    结论

石墨烯作为水基润滑添加剂，受电场作用在摩擦副的表面定向排列，随着摩擦的进行，摩擦系数会缓慢下降。当石墨烯与分散剂结合时会受到电场作用使得摩擦系数显著增大。同时，对其施加更高电场时，摩擦系数的响应也会变快。本文探究了外加电场作用下石墨烯水基润滑剂与石墨烯添加分散剂的水基润滑剂相关的摩擦学性质，为在宏观层面精准调节水基润滑剂摩擦系数提供了参考。

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收稿日期：2024-03-07

作者简介：毛乃尧（1998—），男，山东人，硕士研究生，研究方向：石墨烯界面吸附机理与应用。

通信作者：周铭（1985—），女，广西人，教授，主要从事二维新材料的界面科学及技术和摩擦学方面的研究工作。

基金项目：广西自然科学基金-杰出青年科学基金项目“基于二维新材料的机械载流摩擦表/界面行为调控与机理研究”（2022GXNSFFA035036）