碳基潤滑材料-石墨烯

碳作為自然界最常見的元素廣泛存在于我們身邊，碳對于現(xiàn)有已知的所有生命系統(tǒng)都是不可或缺的，沒有它，生命不可能存在。

作為最常見的元素，碳有多種同素異形體如、金剛石、石墨、足球烯、石墨烯等。今天我們重點介紹一下石墨烯。

碳單質(zhì)

碳同素異形體

石墨烯被發(fā)現(xiàn)之前一直被認為是碳質(zhì)材料的理論模型。直到2004年，安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖羅夫采用“微機械剝離法”用最普通的膠帶在高定向熱解石墨上反復(fù)剝離，最終獲得了石墨烯，并因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

石墨烯發(fā)現(xiàn)者

石墨烯是由碳原子以sp2雜化軌道構(gòu)成六邊形晶格的二維材料，單層石墨烯的厚度僅0.34nm（一個碳原子厚度），二維石墨烯結(jié)構(gòu)可以看做是形成所有sp2雜化碳質(zhì)材料的基本組成單元，如石墨可以看做是多層石墨烯組成，碳納米管是卷成圓筒狀的石墨烯。

石墨烯

石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、摩擦學(xué)性能被廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、電池、復(fù)合材料和減摩潤滑等領(lǐng)域。石墨烯材料本身很高的機械強度，極低的層間滑動摩擦力和良好的化學(xué)穩(wěn)定性決定了其可以作為一種極具潛力的潤滑材料。它既可以作為固體潤滑材料降低材料的磨損量，也可以作為液體潤滑劑的添加劑提升其減摩抗磨性能。

在固體潤滑材料中石墨烯在摩擦表面形成潤滑膜后，原子級光滑的表面和較低的層間剪切強度使得石墨烯潤滑膜可以有效的降低表面間的摩擦力。然而，石墨烯片層間較強的π-π鍵使其易團聚、分層，所以石墨烯在液體潤滑劑中的分散性限制了石墨烯進一步發(fā)展。液體潤滑劑又分為水基潤滑劑和油基潤滑劑，為了使石墨烯能夠穩(wěn)定的分散在水基潤滑劑中，研究人員對石墨烯進行簡單的表面功能化后得到石墨烯衍生物。如：氧化石墨烯（GO）、氟化氧化石墨烯（FGO）大大提升了其在水中的穩(wěn)定性。而在油基潤滑劑中通常采用表面分子鏈接枝修飾石墨烯提高石墨烯在潤滑油中的分散性及穩(wěn)定性。如，在石墨烯表面接枝長鏈烷烴、將長脂肪鏈接枝到了褶皺的石墨烯球上，均明顯的提高了石墨烯在潤滑油中的分散性能以及穩(wěn)定性。

氧化石墨烯結(jié)構(gòu)示意圖

本實驗室通過化學(xué)合成的方法對石墨烯進行改性，并在潤滑劑中加入有效分散劑，開發(fā)了一種提高石墨烯在潤滑油中分散穩(wěn)定性的方法，且石墨烯和分散劑具有顯著協(xié)同作用。

首先通過石墨粉制備氧化石墨烯(GO)，在氧化石墨烯的基礎(chǔ)上進行化學(xué)改性得到一種存在長烷基鏈的石墨烯(MG)。制備氧化石墨烯(GO)及改性石墨烯(MG)的二維尺寸為2-5 μm，厚度分別為2.6和3.1 nm。改性石墨烯的FTIR光譜中，在2914和2846 cm-1處可以觀察到C-H的典型峰，在1457和1368 cm-1處出現(xiàn)的峰代表CH3，在710 cm-1處是(CH2)n的典型峰，這些結(jié)果證實了石墨烯上存在長烷基鏈。

氧化石墨烯及改性石墨烯AFM及FTIR光譜圖

在基礎(chǔ)油（PAO6）中分別添加改性石墨烯、改性石墨烯/分散劑通過機械攪拌加超聲處理的方法使之穩(wěn)定分散，結(jié)果表明改性石墨烯和改性石墨烯/分散劑在PAO6中的穩(wěn)定分散時間分別為30天和120天。

改性石墨烯及改性石墨烯/分散劑穩(wěn)定性

當(dāng)PAO6中改性石墨烯添加量為0.5 wt%時，最低摩擦系數(shù)約為0.12，與純PAO6（約0.18）相比，產(chǎn)生約33.3%的降低。添加改性石墨烯/分散劑的PAO6的摩擦系數(shù)約為0.10，比添加改性石墨烯（~0.12）的PAO6的摩擦系數(shù)低16.7%。這些結(jié)果表明，分散在PAO6中的改性石墨烯具有優(yōu)異的減摩性能。

潤滑油及加入添加劑后摩擦系數(shù)變化圖

含改性石墨烯的PAO6和含改性石墨烯/分散劑的PAO6的磨損深度分別為47 nm和21 nm，分別比純PAO6（221 nm）低79%和90%。在PAO6中使用改性石墨烯和改性石墨烯/分散劑可以防止滑動過程中摩擦表面的嚴重磨損。

摩擦表面形貌圖

添加分散劑的改性石墨烯還可以改善商品油的摩擦學(xué)性能。10W-40油中添加改性石墨烯/分散劑后摩擦系數(shù)約為0.10，比純10W-40油的摩擦系數(shù)低9.1%。含改性石墨烯/分散劑的10W-40油的磨損痕跡深度約為39 nm比純10W-40油低32.8%。

10W-40加入添加劑前后摩擦學(xué)數(shù)據(jù)

本實驗室制備的改性石墨烯在具備良好油溶性及分散穩(wěn)定性的同時，能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩抗磨性能。并且在改性石墨烯方面具備成熟的合成工藝，真誠歡迎廣大新老客戶垂詢。

聯(lián)系人：張繼平 15802225427