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石墨烯的新应用:润滑油添加剂
友航石墨烯   发布时间:2017/8/12

最近一段时间石墨烯被更多的人们提起,有人说石墨烯是一种万能材料,这个说法虽然有些夸张,但却也有一番道理。 

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。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。

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。

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。

 

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。

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