喬玉林，趙海朝，臧艷，張慶，劉宏飛

（1裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100072；2裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械產(chǎn)品再制造國(guó)家工程研究中心，北京100072）

石墨烯（graphene）是2004年由英國(guó)科學(xué)家Novoselov等首次發(fā)現(xiàn)的，是由碳原子緊密堆積而成的新型二維原子晶體，其基本結(jié)構(gòu)為sp2雜化碳原子形成的類六元環(huán)苯單元，是目前世界上最薄的二維材料，單層厚度只有0.3354nm，是構(gòu)成富勒烯、碳納米管、金剛石以及石墨塊材等碳材料的基本單元。石墨烯上長(zhǎng)程有序的鍵電子結(jié)構(gòu)，使其具有獨(dú)特的電學(xué)性能、熱性能和力學(xué)性能，石墨烯在室溫下的載流子遷移率達(dá)1.5×104cm2／（V·S），理論熱導(dǎo)率達(dá)5000W／（m·K），其機(jī)械強(qiáng)度可達(dá)130GPa。石墨烯這些獨(dú)特性能，使其已成為近年來(lái)備受矚目的國(guó)際前沿和研究熱點(diǎn)，并展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景［1，2］。

1 石墨烯的功能化修飾

由于石墨烯在物理、化學(xué)、材料等不同領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景，極大地促進(jìn)了石墨烯制備技術(shù)的快速發(fā)展和工藝流程的不斷完善，為石墨烯的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供了原料上的保障。但由于結(jié)構(gòu)完整的石墨烯是由穩(wěn)定的類六元環(huán)苯單元組合而成，表面呈惰性，化學(xué)穩(wěn)定性高，并且石墨烯片與片之間強(qiáng)烈的π－π作用，使其在溶液中的分散穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響，很容易產(chǎn)生聚集沉淀，不利于石墨烯的進(jìn)一步應(yīng)用。為了擴(kuò)展石墨烯的應(yīng)用范圍，克服石墨烯在溶液中難于溶解或難以分散等缺陷，必須對(duì)石墨烯進(jìn)行有效的功能化修飾。從功能化修飾的方法來(lái)看，主要分為共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵功能化修飾兩種。

1.1 石墨烯的共價(jià)鍵功能化修飾

盡管結(jié)構(gòu)完整的石墨烯是由穩(wěn)定的類六元環(huán)苯單元構(gòu)成的，但通過(guò)氧化－還原法制備的氧化石墨烯（graphene oxide，簡(jiǎn)稱GO，下同），其邊沿、表面含有大量的羧基、羥基和環(huán)氧鍵等活性含氧官能團(tuán)，如圖1所示。將氧化石墨烯進(jìn)行化學(xué)還原可得到石墨烯，在還原過(guò)程中，基面上大部分環(huán)氧基團(tuán)和羥基被還原，sp3雜化碳原子被還原為sp2雜化碳原子，但氧化石墨烯不能被完全還原，得到的石墨烯表面和邊緣仍殘留一些含氧官能團(tuán)。共價(jià)鍵功能化修飾就是利用石墨烯邊緣和表面上含有的羧基、羥基和環(huán)氧鍵等活性含氧官能團(tuán)，以這些官能團(tuán)為“錨固點(diǎn)”，利用酯化、羧基化等化學(xué)反應(yīng)，對(duì)石墨烯進(jìn)行共價(jià)鍵功能化修飾。主要有有機(jī)小分子功能化、高分子功能化、石墨烯負(fù)載納米粒子功能化。共價(jià)鍵功能化通過(guò)控制反應(yīng)物與石墨烯邊緣和表面上含氧官能團(tuán)的化學(xué)反應(yīng)，使其形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵，從而賦予其許多優(yōu)異的性質(zhì)［3］。

圖1 氧化石墨烯結(jié)構(gòu)示意圖［4］

Stankovich等［5］利用石墨烯上的羧基、羥基與異氰酸酯進(jìn)行反應(yīng)，制備了一系列異氰酸酯功能化石墨烯，可在N，N－二甲基甲酞胺等多種極性非質(zhì)子溶劑中實(shí)現(xiàn)均勻分散，并能夠長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定。Niyogi［6］利用十八胺上的氨基與石墨烯上的羧基進(jìn)行反應(yīng)，制得可溶解于有機(jī)溶劑（如溶于四氫呋喃和四氯化碳等）的長(zhǎng)鏈烷基功能化石墨烯。Samulski等［7］將氧化石墨烯用硼氫化鈉還原后進(jìn)行磺化反應(yīng)，最后再用肼還原，獲得了磺酸基功能化石墨烯。該功能化石墨烯可溶于水，導(dǎo)電性顯著提高（1250S／m）。Shen等［8］首先采用化學(xué)氧化法和超聲剝離法，制備了氧化石墨烯，然后用硼氫化鈉還原，獲得了結(jié)構(gòu)相對(duì)完整的石墨烯，最后在引發(fā)劑（如過(guò)氧化二苯甲酰自由基）作用下，石墨烯與苯乙烯和丙烯酰胺進(jìn)行共聚反應(yīng)，獲得了聚苯乙烯－聚丙烯酰胺嵌段共聚物功能化石墨烯。該功能化石墨烯具有兩親性，既能溶解于水，也能溶解于二甲苯。馬文石等［9］利用乙醇胺在溫和條件下與氧化石墨烯反應(yīng)，然后經(jīng)水合肼還原，得到乙醇胺功能化的石墨烯，其平均厚度為3～4nm，可穩(wěn)定分散于水、乙醇和丙酮等溶劑中。

石墨烯的共價(jià)鍵功能化不僅能夠提高石墨烯的溶解性，還可以通過(guò)化學(xué)交聯(lián)引入新的官能團(tuán)，獲得具有特殊功能的新型雜化材料。李遠(yuǎn)耀等［10］用全氟辛胺（FOA）的胺基與氧化石墨烯的羧基或烷氧基反應(yīng)制備了含氟石墨烯復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)FOA己經(jīng)成功地修飾到石墨烯的邊緣。與未修飾的石墨烯相比，水滴在FOA修飾的石墨烯表面上的接觸角從68°提高118°，顯示出良好的疏水性能。Yang等［11］首先用低濃度的氫氧化鈉溶液與氧化石墨烯發(fā)生反應(yīng)，將氧化石墨烯上的羧基變成羧酸鈉；然后將修飾的氧化石墨烯與六水合氯化鐵和四水合氯化亞鐵進(jìn)行離子交換反應(yīng)，獲得石墨烯羧酸鐵；最后在堿性條件下水解，獲得四氧化三鐵顆粒直徑為2～4nm，并具有較好溶解性的四氧化三鐵－石墨烯雜化材料。

氧化石墨烯具有超大比表面和獨(dú)特的三維皺褶結(jié)構(gòu)，使其成為負(fù)載納米粒子的最佳載體。氧化石墨烯負(fù)載納米粒子不僅可以豐富二者原有的本征特性，而且可以產(chǎn)生協(xié)同作用，并賦予其新的特殊功能［12］。楊艷［13］的研究發(fā)現(xiàn)，還原法制備出的GO／Au納米復(fù)合材料不僅具有高表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）活性，而且對(duì)芳香結(jié)構(gòu)的分子具有較強(qiáng)親和力。汪爾康等［14］采用濕化學(xué)法合成了三維Pt－Pd雙金屬納米枝晶與石墨烯的復(fù)合材料，該復(fù)合材料的電化學(xué)活性表面面積（ECSA）高達(dá)81.6m2／g，且顯示出很高的電催化氧化甲醇的活性。Kim等［15］在溫和的液相還原反應(yīng)條件下制備了石墨烯－銀納米復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)納米銀均勻分布在石墨烯片層及片層中間，銀離子用量和石墨烯表面含氧官能團(tuán)對(duì)納米銀的大小和分布有很大影響。何衛(wèi)等［16］用乙二醇還原Pd金屬離子和氧化石墨烯，制備了氧化石墨烯負(fù)載Pd納米催化劑，負(fù)載后的Pd催化劑表現(xiàn)出了較商業(yè)化Pd／C更高的電催化活性和更好的穩(wěn)定性，其用于甲酸電催化氧化時(shí)，GO上殘存的含氧基團(tuán)降低了Pd催化劑受CO的毒化程度。李林儒等［17］用石墨烯（Gr）代替VulcanXC－72作為Ir的載體制備了石墨烯負(fù)載Ir（Ir／Gr）催化劑，在氨氧化的試驗(yàn)中，Ir／Gr催化劑對(duì)氨氧化的電催化性能優(yōu)于VulcanXC－72催化劑，Ir／Gr催化電極可以作為電流型電化學(xué)氨傳感器的工作電極。

張瓊等［18］等通過(guò)化學(xué)合成制備出了TiO2／GO復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)TiO2顆粒在成核的過(guò)程中，與羥基和羰基的結(jié)合活性較高，而與羧基的結(jié)合活性很低，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)GO使得TiO2的光催化降解效率有了大幅度的提高。Yang等［11］采用化學(xué)沉淀法制備了Fe3O4／GO復(fù)合材料，并用其負(fù)載抗腫瘤藥物阿霉素，該復(fù)合材料負(fù)載前后均可在水中均勻分散，同時(shí)在外加磁場(chǎng)下規(guī)則移動(dòng)，顯示出其作為可控靶向藥物載體。劉艷云［19］采用溶液熱法制備了石墨烯負(fù)載氧化鋅的復(fù)合材料（ZnO／G），研究表明ZnO／G的電容和循環(huán)性能較單純的石墨烯大幅提高。鄧文君等［20］采用共沉淀法制備了二氧化釕／石墨烯納米復(fù)合材料，實(shí)驗(yàn)表明，該復(fù)合材料的比容量和循環(huán)性能都要優(yōu)于純的氧化釕材料，表明合成的復(fù)合材料適合用于超級(jí)電容器中。Ng等［21］采用光催化還原法制備了BiVO4／石墨烯光催化材料，研究發(fā)現(xiàn)石墨烯的加入不僅提高了激發(fā)BiVO4所產(chǎn)生電子的壽命，降低了光生電子－空穴的復(fù)合概率，而且也增加了BiVO4與導(dǎo)電基底的接觸面積，從而提高了光電池光電轉(zhuǎn)化和光催化反應(yīng)的效率。陳勝［22］在水－異丙醇體系中一步還原制備了石墨烯－氫氧化鈷復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)Co（OH）2納米晶比較均勻地負(fù)載在石墨烯片上，Co（OH）2與石墨烯的質(zhì)量比為6.3／1，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的比容（972.5F／g）力比傳統(tǒng)的超級(jí)電容器電極材料（RuO2，720F／g）高很多，其作為超級(jí)電容器電極材料具有潛在應(yīng)用前景。

1.2 石墨烯的非共價(jià)鍵功能化修飾

共價(jià)鍵功能化修飾通過(guò)控制反應(yīng)物與石墨烯形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵，而賦予其許多優(yōu)異的性質(zhì)，但也會(huì)不可避免的破壞石墨烯原有的結(jié)構(gòu)特征，使其本征性能受到不同程度的影響［23］。而非共價(jià)鍵功能化由于對(duì)石墨烯結(jié)構(gòu)的非破壞性，可以更好地保持和發(fā)揮石墨烯本身的優(yōu)異性能，而備受研究者的重視。功能化修飾分子可通過(guò)π－π相互作用、氫鍵等作用與石墨烯結(jié)合在一起，提高功能化石墨烯的分散穩(wěn)定性能。

石墨烯中的碳原子通過(guò)sp2雜化，形成高度離域的π電子，這些π電子與其他具有大π共軛結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，通過(guò)π－π相互作用，使石墨烯功能化，并賦予其良好的分散穩(wěn)定性能。清華大學(xué)的石高全課題組［24］研究了芘丁酸對(duì)石墨烯的非共價(jià)鍵功能化，基于該類化合物與石墨烯表面具有很強(qiáng)的π－π作用力，他們選擇水溶性衍生物－芘丁酸鹽離子作為穩(wěn)定劑，獲得了在水溶液中分散穩(wěn)定的石墨烯。Hao等［25］將具有高度共軛體系和豐富π電子的四氰基對(duì)苯二醌二甲烷還原成帶負(fù)電荷的陰離子，該陰離子在石墨烯表面上吸附，可有效抑制石墨烯層間π－π作用，使功能化的石墨烯能溶于水和有機(jī)溶劑，形成穩(wěn)定分散體系。Dai等［26］利用聚苯乙炔類高分子PmPV的大π共扼結(jié)構(gòu)特征，以及與石墨烯之間的π－π相互作用，將膨脹石墨分散到PmPV的二氯乙烷溶液中，然后在超聲波作用下，制備了在有機(jī)溶劑中具有良好分散性的功能化石墨烯。

離子相互作用是另一類常用的非共價(jià)鍵功能化方法。Li等［27］研究發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯之所以能夠溶解于水，不僅僅是因?yàn)槠浜豕倌軋F(tuán)的親水性，還因?yàn)槠浔砻尕?fù)電荷的相互排斥作用，形成了穩(wěn)定的膠體溶液。他們利用這一發(fā)現(xiàn)，通過(guò)控制還原，在除去氧化石墨烯上的羥基、環(huán)氧基等官能團(tuán)的同時(shí)，保留了羧基負(fù)離子，利用電荷相互排斥作用，獲得了能夠在水中很好分散的還原態(tài)石墨烯。Valles等［28］首先采用成熟的方法制備了堿金屬（鉀鹽）石墨層間化合物，然后使其在溶劑中發(fā)生剝離，通過(guò)離子鍵功能化制備了可溶于N－甲基吡咯烷酮的功能化石墨烯，石墨烯上胺基負(fù)離子與鉀離子之間的相互作用，使其能夠穩(wěn)定地分散到極性溶劑中。

氫鍵是一種較強(qiáng)的分子間作用力，由于氧化石墨烯表面和邊界上存在的羧基和羥基等極性基團(tuán)，容易與其他物質(zhì)產(chǎn)生氫鍵。分子間氫鍵的形成，有利于物質(zhì)之間的均勻分散和溶解。因此，可以利用氫鍵對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行功能化。Patil等［29］采用化學(xué)氧化法合成了氧化石墨烯，加入新解螺旋的單鏈DNA后用肼還原，利用DNA與石墨烯間的氫鍵及靜電等作用，制備了具有優(yōu)異分散穩(wěn)定性能的非共價(jià)鍵功能化修飾的石墨烯。

2 石墨烯作為潤(rùn)滑添加劑的應(yīng)用

石墨烯具有超薄的片層結(jié)構(gòu)（易進(jìn)入摩擦接觸面）、優(yōu)異的力學(xué)性能和自潤(rùn)滑性［30］，這些特性使其在潤(rùn)滑添加劑方面的應(yīng)用研究受到關(guān)注，大量研究發(fā)現(xiàn)適量的石墨烯作為潤(rùn)滑添加劑不僅可以減少摩擦系數(shù)，而且能通過(guò)摩擦吸附膜的形式顯著提高潤(rùn)滑劑的承載抗磨性能［31］。但石墨烯在潤(rùn)滑油和水中容易產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，從而影響了其在潤(rùn)滑油和水等溶劑中的分散穩(wěn)定性。目前，解決石墨烯在潤(rùn)滑油和水等溶劑中的分散穩(wěn)定性的方法主要有2種，一種是添加分散劑，利用分散劑的分散作用，使石墨烯均勻穩(wěn)定地分散在溶劑中，但分散劑有時(shí)會(huì)影響石墨烯摩擦學(xué)性能的發(fā)揮；另一種是將石墨烯進(jìn)行功能化修飾，增加石墨烯在溶劑中的分散穩(wěn)定性，其關(guān)鍵是功能化分子的選擇。

2.1 油基潤(rùn)滑添加劑

張永康［32］利用肼還原氧化石墨烯制備了石墨烯，研究發(fā)現(xiàn)石墨烯能均勻分散在潤(rùn)滑油中，并使油膜厚度增加，潤(rùn)滑油的承載能力得以提高；同時(shí)，由于石墨烯片層間極小的剪切力，使其在滑動(dòng)過(guò)程中容易在摩擦副表面形成轉(zhuǎn)移膜，從而避免摩擦配副之間的直接接觸，因而摩擦配副的摩擦系數(shù)和磨損率明顯降低。其中石墨烯添加量為0.3%時(shí)，摩擦系數(shù)最低，約為0.043。張偉等［33］運(yùn)用SRV試驗(yàn)機(jī)對(duì)比研究了150SN基礎(chǔ)油和添加石墨烯的150SN潤(rùn)滑油的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)150SN基礎(chǔ)油不能完成在設(shè)定條件下的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，而添加石墨烯的潤(rùn)滑油可以順利完成摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001%時(shí)，添加石墨烯潤(rùn)滑油的摩擦系數(shù)較為穩(wěn)定；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005%，添加石墨烯的潤(rùn)滑油的摩擦系數(shù)變得很不穩(wěn)定。其主要原因是石墨烯容易附著于摩擦副表面，形成一層低剪切力的薄膜，但當(dāng)石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)某一臨界值時(shí)，基礎(chǔ)油在摩擦副表面生成的油膜破損快于形成，導(dǎo)致摩擦系數(shù)不穩(wěn)定。Varrla等［34］研究了添加超薄石墨烯（集中太陽(yáng)能放射技術(shù)制備）的潤(rùn)滑油的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)石墨烯濃度為0.025mg／mL時(shí)，其承載能力達(dá)到最高值，約為935N，摩擦系數(shù)和磨痕直徑分別減小了80%和33%。

Zhang等［35］研究了油酸改性石墨烯調(diào)配的聚α－烯烴潤(rùn)滑油的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)改性石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%時(shí)，摩擦系數(shù)減小17%；而質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%時(shí)，磨斑直徑減小14%。Choudhary等［36］制備了烷基胺共價(jià)改性氧化石墨烯，這種氧化石墨烯極易分散在非極性有機(jī)溶劑（尤其是脂肪烴類溶劑）中，其中對(duì)添加硬脂胺改性的石墨烯配制的正十六烷潤(rùn)滑油的摩擦學(xué)性能研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)添加濃度為0.06mg／mL，正十六烷潤(rùn)滑劑的摩擦系數(shù)和磨斑直徑分別減小26%和9%。Senatore等［37］研究了氧化石墨烯納米片在礦物潤(rùn)滑油中（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.1%），在不同赫茲接觸應(yīng)力、不同溫度和速率下的摩擦磨損變化情況，發(fā)現(xiàn)在所有潤(rùn)滑域（邊界潤(rùn)滑，混合潤(rùn)滑到彈流潤(rùn)滑域）氧化石墨烯均能使基礎(chǔ)潤(rùn)滑油的摩擦系數(shù)降低（平均降低20%），同時(shí)使摩擦副從邊界潤(rùn)滑，混合潤(rùn)滑到彈流潤(rùn)，其磨斑直徑分別減小12%、27%和30%。Lin等［38］利用油酸和硬脂酸的回流反應(yīng)對(duì)石墨烯片進(jìn)行了改性修飾，改性修飾后的石墨烯可以均勻且穩(wěn)定地分散在潤(rùn)滑油中，四球摩擦磨損試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其磨損速率和平均摩擦系數(shù)隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)而平穩(wěn)增大，且均低于同等條件下添加天然鱗片石墨的潤(rùn)滑油和基礎(chǔ)潤(rùn)滑油的磨損速率和平均摩擦系數(shù)，如圖2所示，進(jìn)一步的研究還發(fā)現(xiàn)當(dāng)改性石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.075%時(shí)，其無(wú)卡咬負(fù)荷PB最高，為627.2N。

盡管石墨烯和氧化石墨烯作為潤(rùn)滑添加劑能顯著改善基礎(chǔ)也的摩擦學(xué)性能，但有時(shí)存在易團(tuán)聚的缺點(diǎn)。在石墨烯表面負(fù)載納米粒子不僅可以有效抑制（氧化）石墨烯團(tuán)聚，而且納米粒子修飾的石墨烯既能保持石墨烯和納米粒子的原有性能，又能產(chǎn)生良好的協(xié)同效應(yīng)。Song等［39］利用簡(jiǎn)單水解和高溫煅燒，使α－Fe2O3表面的羧基與Fe形成單配位或雙配位絡(luò)合物，該絡(luò)合物再與GO表面的羧基發(fā)生配位反應(yīng)，從而制備了GO／α－Fe2O3復(fù)合納米潤(rùn)滑添加劑，研究發(fā)現(xiàn)α－Fe2O3在GO表面的均勻沉積，抑制了氧化石墨烯的二次團(tuán)聚。當(dāng)GO／α－Fe2O3復(fù)合納米潤(rùn)滑添加劑添加到液體石蠟基礎(chǔ)油中，相較于α－Fe2O3、氧化石墨烯及其物理混合物，GO／α－Fe2O3復(fù)合納米潤(rùn)滑添加劑不僅在摩擦表面形成潤(rùn)滑膜，而且GO表面負(fù)載的α－Fe2O3納米粒子能夠引起兩接觸面的滾動(dòng)效應(yīng)，將滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，提高了其承載能力，降低了其摩擦磨損。其中，復(fù)合納米潤(rùn)滑添加劑質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，其減摩抗磨性能最優(yōu)，如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)時(shí)間對(duì)磨損速率和平均摩擦系數(shù)的影響［39］

李 雪 珊［40］通 過(guò) 還 原 法 制 備 了Cu－GN（Cu－Graphene）復(fù)合納米潤(rùn)滑添加劑，相較于納米銅粉、石墨烯及石墨烯與納米銅粉物理混合物，Cu－GN復(fù)合納米潤(rùn)滑添加劑具有更好的抗磨性能。當(dāng)Cu－GN復(fù)合納米潤(rùn)滑添加劑和span－80（山梨醇脂肪酸酯）按1∶10的比例分散在10號(hào)航空液壓油中，發(fā)現(xiàn)Cu－GN復(fù)合納米潤(rùn)滑添加劑質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.005%～0.03%時(shí)，其最大無(wú)卡咬負(fù)荷PB與基礎(chǔ)油相比提高50%。其主要原因是石墨烯可以進(jìn)入和沉積在摩擦接觸表面，并在摩擦剪切力的作用下，石墨烯層與層之間發(fā)生分離，并形成一層薄薄的固體物理吸附膜，避免了兩個(gè)摩擦副的直接接觸，而石墨烯片層表面負(fù)載大量的均勻分散的球形納米銅粒子，可以填充工作表面的微坑和損壞部位，起到修復(fù)作用。

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的GO、GO／α－Fe2O3復(fù)合材料、α－Fe2O3和GO的混合物以及α－Fe2O3的平均摩擦系數(shù)和磨痕寬度［40］

2.2 水基潤(rùn)滑添加劑

Song等［41］采用改進(jìn)的Hummers方法制備了氧化石墨烯納米片，這種氧化石墨烯納米片不需任何分散劑或改性劑，就能在水中穩(wěn)定分散。摩擦學(xué)性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種氧化石墨烯添加劑能明顯提高水的減摩抗磨性能，且性能優(yōu)于氧化碳納米管，如在60N的高載下，0.1%的氧化石墨烯水溶液的摩擦系數(shù)和磨痕寬度僅為0.5%氧化碳納米管水溶液的67%和55%，如圖4所示。

Liu等［42］對(duì)比研究了氧化石墨烯和改性納米金剛石顆粒作為水潤(rùn)滑添加劑的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)由于氧化石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)和適當(dāng)尺寸，其作為純水添加劑時(shí)，使Si3N4／Al2O3陶瓷摩擦副的摩擦跑合期由純水潤(rùn)滑時(shí)的2000s縮短到250s。與改性納米金剛石顆粒比較，氧化石墨烯使Si3N4／Al2O3陶瓷摩擦副的摩擦系數(shù)顯著降低，摩擦磨損試驗(yàn)初始跑合階段的平均摩擦系數(shù)由0.6降低至0.1，當(dāng)進(jìn)入到穩(wěn)態(tài)磨損階段，其摩擦系數(shù)進(jìn)一步減小至0.01，如圖5所示。

圖4 不同載荷下的GO和CNTs－COOH的摩擦系數(shù)和磨痕寬度（3.142m／s，10min）［42］

圖5 去離子水和金剛石（0.5%）、氧化石墨烯（0.7%）水分散體系潤(rùn)滑下平均摩擦系數(shù)與試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系［43］

王立平團(tuán)隊(duì)［43］對(duì)類金剛石／離子液體／石墨烯復(fù)合空間潤(rùn)滑材料的摩擦學(xué)性能研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石墨烯濃度為0.075mg／mL時(shí)，復(fù)合空間潤(rùn)滑材料的磨損率 為6.61×10－9mm3／（N·m），摩 擦 系 數(shù) 為0.037，其中磨損率較類金剛石／離子液體降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，摩擦系數(shù)約降低50%。崔慶生［44］研究了在不同載荷作用下，石墨烯和氧化石墨烯水分散體系的減摩抗磨性能，發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)，石墨烯和氧化石墨烯水分散體系的減摩抗磨性能均有明顯改善。如載荷15N時(shí)，石墨烯水分散體系的摩擦系數(shù)和磨損體積與純水相比，分別降低22.0%和21.3%，氧化石墨烯水分散體系的摩擦系數(shù)和磨損體積分別降低45%和23.7%。

3 展 望

石墨烯以其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和豐富而新奇的性能，以及廣泛的應(yīng)用前景，成為備受關(guān)注和矚目的研究前沿和熱點(diǎn)。石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)熱性能和減摩抗磨性能以及化學(xué)惰性，使其非常適合作為高效、綠色的潤(rùn)滑添加劑，賦予潤(rùn)滑劑優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，石墨烯已成為潛在的高性能納米潤(rùn)滑材料。但石墨烯難以穩(wěn)定分散于潤(rùn)滑劑中的特性，使其應(yīng)用受限。因此，必須對(duì)石墨烯進(jìn)行功能化修飾，研究人員也在這方面開(kāi)展了積極而有效的工作。但石墨烯的功能化修飾方面的研究還不成熟，對(duì)各種功能化的方法和效果還缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，如何根據(jù)實(shí)際需求對(duì)石墨烯進(jìn)行預(yù)期和可控的功能化修飾，以及功能化修飾與其摩擦學(xué)性能的內(nèi)在聯(lián)系，需要在以下幾個(gè)方面開(kāi)展深入的研究工作。

（1）石墨烯的可控功能化修飾與分散穩(wěn)定調(diào)控機(jī)理，以及功能化修飾與其摩擦學(xué)性能的內(nèi)在聯(lián)系。

（2）不同層數(shù)石墨烯潤(rùn)滑添加劑的摩擦學(xué)性能，與潤(rùn)滑劑之間的摩擦化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，以及在摩擦副表面上形成摩擦化學(xué)反應(yīng)膜和轉(zhuǎn)移膜的物理化學(xué)變化。

（3）石墨烯負(fù)載納米粒子功能化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、途徑控制以及負(fù)載反應(yīng)機(jī)理，石墨烯與負(fù)載納米粒子協(xié)同潤(rùn)滑作用機(jī)理。

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