摘要：研究了石墨烯改性潤滑油的減摩抗磨性能。采用薄膜潤滑理論分析了石墨烯添加劑的潤滑機理。以石墨烯為潤滑油添加劑，在油酸等表面活性劑輔助下均勻穩(wěn)定分散在基礎潤滑油中，增強了潤滑油的高溫抗壓性能和減摩抗磨性能。硏究結果將有助于深入理解石墨烯的摩擦學性能。

　　摩擦和磨損是眾多領域遇到的最普遍的問題之一。摩擦和磨損損耗了大量能源，同時大量的材料和設備也因此而報廢。隨著科技的飛速發(fā)展以及機械制造技術的日益提高，出現了大量髙速、重載的工作狀態(tài)，從而對潤滑油的高溫承載能力以及減摩抗磨性能提岀更高的要求。潤滑油添加劑對于改善潤滑油性能至關重要。目前的潤滑油市場中,傳統潤滑汕依然占據主導地位，但由于其潤滑能力有限以及傳統潤滑油中添加的含硫、磷、氯等元素的添加劑対環(huán)境造成嚴重污染，無法滿足現今的工作需求，因此，新型潤滑油添加劑的研究受到國內外眾多學者的廣泛關注，而其中納米材料作為潤滑油添加劑的研究逐漸成為當前研究的熱點之一。

　　早在20世紀80年代初期,Hisakado等冋發(fā)現將二硫化鉬和石墨分散在基礎油中可改善減摩抗磨性能。納米金屬微粒作為潤滑汕添加劑也可改善潤滑油的極壓抗磨性能,其摩擦學機理主要有兩方面：其一，金屬微?？梢员豢醋?ldquo;微軸承”,將滑動摩擦轉化為滾動摩擦；其二,金屬微粒可以填充于摩擦副的表而損傷部分，起到修補作用。碳納米材料中的納米金剛石和碳納米管作為潤滑油添加劑可以避免摩擦副直接接觸, 改善潤滑油的減摩抗磨性能。

　　碳納米潤滑油添加劑取代了傳統含有硫、 磷、氯等元素的添加劑，解決了其對摩擦副帶來的腐蝕和環(huán)境問題；同時納米添加劑粒徑小，在基礎油中分散均勻,并可以填充摩擦副表面的劃痕，起到修復作用：而且納米顆粒以膠體的形式分散在油中，不易形成堵塞。木文以石墨烯為潤滑油添加劑，在兩種表面活性劑的改性作用下， 將石墨烯穩(wěn)定均勻地分散在潤滑油中，通過摩擦磨損試驗機來測試和墨烯潤滑油的高溫穩(wěn)定性以及摩擦磨損性能。

　　1.石墨烯添加劑的潤滑機理

　　潤滑現彖可以用“薄膜潤滑”原理進行解釋。（圖1）是薄膜潤滑機理的分布圖，其中h代表摩擦副間潤滑油牒的厚度Ra代表摩擦副接觸面的粗糙度，h/Ra定義為油膜的層數。潤滑油膜層數越多，越趨向于薄膜潤滑：而當薄膜層數較少時，可能出現干摩擦與薄膜潤滑的混合作用。因此，當僅有基礎潤滑油工作時（圖2）,由于摩擦副為點接觸，且載荷為高載荷，其摩擦機理為臨界狀態(tài).隨著石舉烯的添加,石墨烯不斷覆蓋在靡擦副表面，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基木不變,所以 潤滑機理逐漸趨向薄膜潤滑，潤滑油力學性能有 所提高。當石墨烯質屋分數不斷增加時，石墨烯在摩擦副表面堆積，阻斷潤滑油膜的形成，h大幅卜降，h/Ra隨即下降,潤滑機理折回到混合潤滑區(qū)，潤滑油的摩擦性能反而下降。

　　綜合考慮于摩擦與薄膜潤滑機理，其摩擦界面包括三種摩擦：第一種是兩摩擦副表面潤滑油的薄膜潤滑；第二種是摩擦副直接接觸形成干摩擦：第三種是摩擦副表面堆積的石墨烯發(fā)生的干摩擦。摩擦因子與三種摩擦的接觸面積有關。當只有潤滑油基礎油工作時，其潤滑處于臨界狀態(tài)，同時存在干摩擦與薄膜潤滑:當有適當質量分數的石墨烯參與潤滑時,薄膜潤滑占主導地位，摩擦因子較低；當石墨烯質疑分數較高時, 石墨烯間的干摩擦作用凸顯，且逐漸占據主導地位，摩擦因子不斷上升。

　　2.石墨烯改性潤滑油的減摩抗磨性能

　　采用四球摩擦磨損試驗機(圖2)對經油酸處理的石墨烯改性潤滑汕進行摩擦燒損性能測試。通過觀察磨斑表面形貌(圖3)進-步分析潤滑油的摩擦性能。圖3(a)為潤滑油基礎油的磨斑表面形貌,左圖為打描電子顯微圖像,右下角 是解斑光學顯微鏡的全貌，右圖是白光干涉三維圖像。從圖3(a)可見，磨斑表面溝壑起伏,粗糙度為464nm,兩摩擦副直接的接觸使得磨損很大。圖3(b)是質量分數0.06%的石墨烯潤滑油的磨斑表面形貌。對比潤滑油基礎油,其形貌相對平整，粗糙度下降至220nm,貼合在摩擦副表而的石黑烯保護了摩擦副,增強了潤滑油的抗磨性能。圖3(c)是質量分數5%的石墨烯潤滑油的磨斑表面形貌。其表面起伏增加,粗糙度升至775nm,大量堆積在摩擦界而的石墨烯相互接觸，成為研磨劑，増強了摩擦副的磨損， 潤滑油抗磨性能甚至不如潤滑油基礎油。

　　圖3 石磨烯潤滑油的磨斑表面形貌表征:（a）潤滑油基礎油(b)質量分數0.06%石磨烯潤滑油：（c）質量分數5%石磨烯潤滑油

　　3.結論

　　摩擦磨損是一種非常普遍的現象。本文采用薄膜理論分析了石黑烯作為潤滑油添加劑的摩擦學機理。以石墨烯為潤滑油添加劑，穩(wěn)定均勻分散在潤滑油中，可增強潤滑油的高溫抗壓性能和減摩抗磨性能,為石墨烯作為潤滑油添加劑開辟了新的應用前景。