火爆全网的新型纳米材料石墨烯在润滑油应用中有何优势?

　　润滑油

　　润滑油是一种可以使机械设备在运转过程中降低摩擦的润滑剂，是由基础油和添加剂组成的。其中，添加剂的作用是使润滑油更加功能化。传统润滑油润滑能力有限，为了提高润滑油的性能，通常会加入一下含硫、磷、氯的添加剂，但是这种添加剂的使用给环境带来了巨大的压力。

　　为了改善这一现状，新型的添加剂不断被发现，尤其是纳米材料的出现，为润滑油添加剂提供了很多资源，将纳米材料应用于润滑油中，可以起到减摩、抗磨、抗压等作用。常见的纳米添加剂有硼酸钙、硼酸镁、软金属纳米材料、有机硼化物、有机铝化物和碳纳米材料。石墨烯是一种新型的碳纳米材料，质量轻、强度大、具有优异的导电性和导热性，且石墨烯层与层之间可以滑动，抗磨损性较强，逐渐被人们应用于润滑油领域。

　　1.石墨烯

　　石墨烯是一种具有宏观尺寸的新型碳纳米材料，其尺寸在同一平面内可以无限扩展，在厚度方面为纳米级别，是一种具有原子级厚度的二维碳材料。随着技术的发展，石墨烯的种类也逐渐增多，根据石墨烯层的数量可以将其分为单层石墨烯、少层石墨烯和多层石墨烯。其中，单层石墨烯的碳原子多为sp2杂化形式，其晶体结构为六元环二维蜂窝状晶格，单层石墨烯的理论厚度为0.335nm。

　　石墨烯的成键情况与石墨相同，构成石墨烯的碳原子在2s、2px,和2py轨道上形成杂化轨道，并与相邻的碳原子形成σ键，键角为120°，这种结构特别稳定，且每个碳原子的2pz轨道上剩余一个电子，可以通过电子离域的形式想成大π键。离域的电子在晶体中还可以自由运动，这就使石墨烯具有与石墨等其他纳米材料不具备的特性，例如表面积大、质量轻、导热性能好、能耐高温，可自润滑。

　　随着石墨烯的特异性能被逐渐发现，人们不断的改变制备方法，制备不同结构、尺寸、层数的石墨烯，这些基本条件都直接影响石墨烯的性能。目前，已经成功制备的石墨烯有很多种，从层数上可分为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯和多层石墨烯；从价键理论可分为氧化石墨烯、还原石墨烯和还原氧化石墨烯；另外，目前制备的还有功能石墨烯。不同的石墨烯性能不同，当石墨烯的层数多于10层时，性能与石墨相近，当石墨烯的层数少于10层时，则表现出许多特异的性能。氧化石墨烯具有较大的缺陷，而还原石墨烯的缺陷较少，氧化石墨烯想减少缺陷可以通过功能化的方式。

　　2.石墨烯的润滑性能

　　石墨烯是一种单层或多层结构的碳纳米材料，对于多层石墨烯，层与层之间可以滑动，因此，具有特殊的润滑性能，不同方法制备的石墨烯，层数、层与层之间的距离、堆垛形式、尺寸、形状和缺陷不同，这些参数都会影响石墨烯的润滑性能，除此之外，石墨烯的润滑性能还受相对滑动方向的影响。经研究发现，用于润滑油中的石墨烯，层数的多少对润滑性能有着较大的影响，当石墨烯层数为2~3层时，石墨烯表现出最佳的润滑性能，其摩擦力接近零。因此，堆叠的多层石墨烯作为润滑添加剂具有更佳的润滑性能。另外，石墨烯的堆垛形式对其润滑性能也有较大的影响，以非公度形式堆垛的石墨烯表现出的摩擦力较小，且这种摩擦力会随着石墨烯层间距的增加而减小，以AB形式堆垛的石墨烯现出的摩擦力则不同，其摩擦力随层间距的减小而增加。

　　在实际应用过程中，石墨烯的摩擦力不可能为零，专家学者研究了石墨烯薄膜的润滑性能及失效机理，在研究过程中采取了原子模拟方法，研究发现，压头在较低的速率下滑动时，石墨烯的化学键断裂较少，摩擦相对较大，当增加滑动速度时，石墨烯的化学键断裂不断增多，摩擦逐渐减小。还有研究多层石墨烯膜的润滑性能的实验，研究发现石墨烯的润滑性能是固有的，石墨作为润滑油添加剂，润滑性能较好。3.石墨烯的润滑机理

　　为了研究石墨烯的润滑机理，人们总结出了薄膜润滑机理。根据这这一机理，将石墨烯添加到润滑油中时，当形成的油膜层数较多时，石墨烯表现出的润滑机理趋于薄膜润滑，当形成的油膜层数较少时，石墨烯表现出的润滑机理为混合润滑。因此，在使用过程中，随着石墨烯添加量的增加，摩擦物表面逐渐被石墨烯覆盖，摩擦物的表面粗糙程度也逐渐被石墨烯的粗糙程度代替，形成更多的油膜，可以用薄膜润滑机理进行解释，润滑性能大幅度提高。

　　当石墨烯的添加量增加到一定程度后，如果继续添加石墨烯，多余的石墨烯则会在摩擦物表面堆积，使原本形成的油膜被破坏，润滑机理表现为混合润滑，润滑性能下降。对于混合润滑机理，体系中存在三种摩擦，一种是被石墨烯覆盖形成油膜的两种摩擦物摩擦，一种是被石墨烯覆盖形成油膜的摩擦物与未形成油膜的摩擦物摩擦，最后一种是都未形成油膜的两种摩擦物摩擦。此时，添加石墨烯的润滑油的润滑性能与这三种摩擦直接相关。综上所述，没有添加石墨烯等添加剂的润滑油，其润滑机理为混合润滑机理，添加合适量的石墨烯的润滑油，其润滑机理为薄膜润滑，添加过量石墨烯的润滑油，其润滑机理为混合润滑。

　　4.石墨烯在润滑油中的应用

　　在众多的润滑油添加剂中，石墨烯是一种性能优异的新型添加剂，将其添加到基础油中，可以提高润滑油的润滑性能和抗磨性能，但是，石墨烯表面存在大量的羟基、羧基等亲水基团，因此，与基础油的相容性不是很好，将其添加到基础油中，出现了分散稳定性差、易团聚等问题，从而影响了石墨烯性能的发挥，因此，目前对石墨烯的研究主要集中在两个方面，一方面是制备特定结构、层数的石墨烯，从而提高石墨烯的润滑性能，制备氧化石墨烯，并用超声法将石墨烯分散于基础油中，可以明显降低制备的润滑油的摩擦系数和磨损率。

　　另一方面则是对石墨烯的表面进行改性，从而改善石墨烯与基础油的相容性，利用硬脂酸为改性剂，通过化学改性法制备了硬脂酸接枝石墨烯，石墨烯表面长链烷烃的存在减少了石墨烯表面的亲水基团，增强了其与基础油的相容性，制备的润滑油具有更低和更稳定的摩擦系数和更高的轴承抗磨损能力。还有研究者以油酸为改性剂，制备了功能化的石墨烯，该石墨烯的添加降低了润滑油的摩擦系数，增加了其强度。或以烷基胺为改性剂制备了功能石墨烯，改性后的石墨烯在基础油中的分散性较好。

　　石墨烯

　　石墨烯除了单独作为添加剂用于润滑油效果较好外，还可以与其他添加剂共同使用提高润滑油的性能，例如将功能化的氧化石墨烯同二硫化钼复合，并用作润滑油的添加剂，效果更为明显；将石墨烯、硼砂和硝酸钙复合，并采用水热法制备了复合添加剂，并以油酸改性，大幅度提高了润滑油的润滑性能和抗磨性能。

　　石墨烯是一种新型的碳纳米材料，具有非常优异的性能，如质量轻、导热性能好、导电性能好、具有良好的防腐蚀性能，还有很好的自润滑性能。石墨烯自润滑性能的发现使其在润滑油领域具有潜在的应用价值。

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