摘要：研究了石墨烯改性潤(rùn)滑油的減摩抗磨性能。采用薄膜潤(rùn)滑理論分析了石墨烯添加劑的潤(rùn)滑機(jī)理。以石墨烯為潤(rùn)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(chǔ)潤(rùn)滑油中，增強(qiáng)了潤(rùn)滑油的高溫抗壓性能和減摩抗磨性能。硏究結(jié)果將有助于深入理解石墨烯的摩擦學(xué)性能。

　　摩擦和磨損是眾多領(lǐng)域遇到的最普遍的問(wèn)題之一。摩擦和磨損損耗了大量能源，同時(shí)大量的材料和設(shè)備也因此而報(bào)廢。隨著科技的飛速發(fā)展以及機(jī)械制造技術(shù)的日益提高，出現(xiàn)了大量髙速、重載的工作狀態(tài)，從而對(duì)潤(rùn)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(rùn)滑油添加劑對(duì)于改善潤(rùn)滑油性能至關(guān)重要。目前的潤(rùn)滑油市場(chǎng)中,傳統(tǒng)潤(rùn)滑汕依然占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于其潤(rùn)滑能力有限以及傳統(tǒng)潤(rùn)滑油中添加的含硫、磷、氯等元素的添加劑対環(huán)境造成嚴(yán)重污染，無(wú)法滿足現(xiàn)今的工作需求，因此，新型潤(rùn)滑油添加劑的研究受到國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注，而其中納米材料作為潤(rùn)滑油添加劑的研究逐漸成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。

　　早在20世紀(jì)80年代初期,Hisakado等冋發(fā)現(xiàn)將二硫化鉬和石墨分散在基礎(chǔ)油中可改善減摩抗磨性能。納米金屬微粒作為潤(rùn)滑汕添加劑也可改善潤(rùn)滑油的極壓抗磨性能,其摩擦學(xué)機(jī)理主要有兩方面：其一，金屬微粒可以被看做“微軸承”,將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦；其二,金屬微?？梢蕴畛溆谀Σ粮钡谋矶鴵p傷部分，起到修補(bǔ)作用。碳納米材料中的納米金剛石和碳納米管作為潤(rùn)滑油添加劑可以避免摩擦副直接接觸, 改善潤(rùn)滑油的減摩抗磨性能。

　　碳納米潤(rùn)滑油添加劑取代了傳統(tǒng)含有硫、 磷、氯等元素的添加劑，解決了其對(duì)摩擦副帶來(lái)的腐蝕和環(huán)境問(wèn)題；同時(shí)納米添加劑粒徑小，在基礎(chǔ)油中分散均勻,并可以填充摩擦副表面的劃痕，起到修復(fù)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(rùn)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(rùn)滑油中，通過(guò)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)來(lái)測(cè)試和墨烯潤(rùn)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(rùn)滑機(jī)理

　　潤(rùn)滑現(xiàn)彖可以用“薄膜潤(rùn)滑”原理進(jìn)行解釋。（圖1）是薄膜潤(rùn)滑機(jī)理的分布圖，其中h代表摩擦副間潤(rùn)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(shù)。潤(rùn)滑油膜層數(shù)越多，越趨向于薄膜潤(rùn)滑：而當(dāng)薄膜層數(shù)較少時(shí)，可能出現(xiàn)干摩擦與薄膜潤(rùn)滑的混合作用。因此，當(dāng)僅有基礎(chǔ)潤(rùn)滑油工作時(shí)（圖2）,由于摩擦副為點(diǎn)接觸，且載荷為高載荷，其摩擦機(jī)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(rùn)滑機(jī)理逐漸趨向薄膜潤(rùn)滑，潤(rùn)滑油力學(xué)性能有 所提高。當(dāng)石墨烯質(zhì)屋分?jǐn)?shù)不斷增加時(shí)，石墨烯在摩擦副表面堆積，阻斷潤(rùn)滑油膜的形成，h大幅卜降，h/Ra隨即下降,潤(rùn)滑機(jī)理折回到混合潤(rùn)滑區(qū)，潤(rùn)滑油的摩擦性能反而下降。

　　綜合考慮于摩擦與薄膜潤(rùn)滑機(jī)理，其摩擦界面包括三種摩擦：第一種是兩摩擦副表面潤(rùn)滑油的薄膜潤(rùn)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(guān)。當(dāng)只有潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油工作時(shí)，其潤(rùn)滑處于臨界狀態(tài)，同時(shí)存在干摩擦與薄膜潤(rùn)滑:當(dāng)有適當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石墨烯參與潤(rùn)滑時(shí),薄膜潤(rùn)滑占主導(dǎo)地位，摩擦因子較低；當(dāng)石墨烯質(zhì)疑分?jǐn)?shù)較高時(shí), 石墨烯間的干摩擦作用凸顯，且逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，摩擦因子不斷上升。

　　2.石墨烯改性潤(rùn)滑油的減摩抗磨性能

　　采用四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(圖2)對(duì)經(jīng)油酸處理的石墨烯改性潤(rùn)滑汕進(jìn)行摩擦燒損性能測(cè)試。通過(guò)觀察磨斑表面形貌(圖3)進(jìn)-步分析潤(rùn)滑油的摩擦性能。圖3(a)為潤(rùn)滑油基礎(chǔ)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(xué)顯微鏡的全貌，右圖是白光干涉三維圖像。從圖3(a)可見(jiàn)，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(zhì)量分?jǐn)?shù)0.06%的石墨烯潤(rùn)滑油的磨斑表面形貌。對(duì)比潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油,其形貌相對(duì)平整，粗糙度下降至220nm,貼合在摩擦副表而的石黑烯保護(hù)了摩擦副,增強(qiáng)了潤(rùn)滑油的抗磨性能。圖3(c)是質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的石墨烯潤(rùn)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(qiáng)了摩擦副的磨損， 潤(rùn)滑油抗磨性能甚至不如潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油。

　　圖3 石磨烯潤(rùn)滑油的磨斑表面形貌表征:（a）潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油(b)質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.06%石磨烯潤(rùn)滑油：（c）質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%石磨烯潤(rùn)滑油

　　3.結(jié)論

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