閆思夢，張少丹，楊旺，許永清，趙雄燕，3

(1.河北科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050018；2.河北納泰化工有限公司，河北 石家莊 052160；3.河北省航空輕質(zhì)復(fù)合材料工程實驗室，河北 石家莊 050018)

Holmberg等研究發(fā)現(xiàn)，材料表面產(chǎn)生的摩擦力占消耗能量的30%～50%[1-2]。因此，摩擦與磨損是機(jī)械設(shè)備失效和能耗增加的核心因素[3-4]。目前，人類社會發(fā)展面臨能源逐漸消耗，但需求量急劇增加的難題。為減少甚至消除摩擦和磨損中所消耗的能量，新型高性能耐磨材料的開發(fā)越來越引起人們的關(guān)注[5-6]。近年，隨機(jī)械設(shè)備的迅速發(fā)展，潤滑油面臨重載、高溫、高速等一系列惡劣環(huán)境，為滿足這些需求，高性能添加劑的選擇至關(guān)重要，其可通過改善抗磨損能力、減摩性能和提高極壓性能等來提高機(jī)械設(shè)備的使用壽命[6-7]。

單層石墨烯的發(fā)現(xiàn)對于超薄二維材料的發(fā)展翻開了新的篇章[8-12]，同時也為高性能潤滑劑的發(fā)展提供了新的候選材料[13]。本文較系統(tǒng)地闡述了石墨烯作為添加劑在潤滑劑領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀、存在的技術(shù)難題及其未來的發(fā)展前景。

1 石墨烯(氧化石墨烯)基潤滑劑

研究發(fā)現(xiàn)，由于石墨烯優(yōu)異的機(jī)械性能和自潤滑性能，在潤滑劑中添加少量的石墨烯材料便能明顯降低材料的摩擦系數(shù)(COF)[14]，且形成的摩擦吸附膜使耐磨性能提升[15-17]。

Jing等[18]將石墨烯添加到潤滑脂中，研究了在不同負(fù)載下的摩擦性能。結(jié)果表明，石墨烯在 100 N負(fù)載下不會明顯降低COF和磨損程度；在 200 N載荷下COF與磨損量分別降低15.5%和74%；當(dāng)載荷為400 N時，COF與磨損量分別降低17.6%和67%?？梢?，石墨烯的使用，能在一定程度上提高潤滑脂的抗磨和減摩性能。

王娟梅等[19]研究了石墨烯潤滑油對鐵基粉末冶金制品的性能影響。摩擦實驗表明，石墨烯潤滑油將鐵基粉末冶金試樣的COF從0.79降低至0.35，同時還提升了試樣的摩擦穩(wěn)定性。

氧化石墨烯(GO)片層間距大，在沒有外界因素幫助下就可以分散在水中，且燃燒耗盡時不會產(chǎn)生有毒顆?；蚧覡a，所以GO片材也被認(rèn)為是綠色潤滑劑的添加劑[20]。

Bernadette[21]通過高壓均化制備了熱還原氧化石墨(TRGO)在酯油中的新型分散體。摩擦實驗測定結(jié)果顯示，與炭黑和石墨的分散體相比，含TRGO的配方顯示出更加優(yōu)異的摩擦性能和較低的磨損率。此外，優(yōu)異的層結(jié)構(gòu)還可有效提高摩擦熱的消散。

Kinoshita等[22]研究了單層GO作為水基潤滑劑在碳化鎢球和不銹鋼板上的應(yīng)用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在水中添加GO可以改善潤滑性能，其COF值僅為0.05，在60 000次摩擦實驗后沒有明顯的表面磨損。因此含有GO的水基潤滑劑可以作為碳化鎢球和不銹鋼板的加工保護(hù)涂層。

Cheng等[23]采用高分散混合法制備了低摩擦系數(shù)石墨烯基半固態(tài)潤滑脂。研究表明，與石墨基潤滑脂相比，石墨烯基半固態(tài)潤滑脂的COF降低40%～60%、磨損降低50%以上，其COF值僅為0.04～0.06。

Wu等[24]研究了氧化石墨烯納米片(GOPs)作為潤滑劑對Si3N4陶瓷/GCr15鋼摩擦性能的影響，特別是不同轉(zhuǎn)速和施加載荷下的影響效果。結(jié)果表明，采用0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))GOPs潤滑劑的載荷能力和耐磨性分別提高了18.2%和34%。在所有測試轉(zhuǎn)速下，GOPs均使材料的耐磨性增強(qiáng)，并且與低施加載荷相比，在高施加載荷下表現(xiàn)出更優(yōu)異的摩擦性能。

Chen等[25]在潤滑劑中加入尺寸為數(shù)百納米到幾微米的GO，研究了GO作為烴基油中添加劑對摩擦性能影響。實驗結(jié)果顯示，添加GO后，COF和磨損率都明顯降低，同時潤滑劑的使用溫度范圍變寬。

此外，研究發(fā)現(xiàn)含GO的潤滑劑的耐磨性能除與其用量有關(guān)外，與溶劑性質(zhì)(離子強(qiáng)度和pH值)也有關(guān)[26-30]。He等[31]研究了GO懸浮液中的pH對其微觀結(jié)構(gòu)和摩擦性能的影響。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與純水相比，酸性GO懸浮液(pH=3.0)可將摩擦系數(shù)和磨斑半徑分別降低44.4%和17.1%。然而，當(dāng)GO懸浮液中的pH值增加至堿性時，摩擦系數(shù)和磨損程度均增加。磨損痕跡表面分析顯示，采用酸性GO懸浮液，相對較大的柔性GO可形成較好的摩擦保護(hù)膜，從而減少摩擦系數(shù)和降低磨損程度；而在堿性條件下的GO懸浮液會導(dǎo)致GO片破裂，抑制摩擦膜的形成，使磨損程度增大。

2 功能化石墨烯基潤滑劑

氧化石墨烯(GO)表面含有各種含氧官能團(tuán)[32-34]，可以進(jìn)行化學(xué)修飾和表面功能化改性，來提高其在溶液中的分散穩(wěn)定性[35]。通過有機(jī)官能團(tuán)的共價和非共價鍵合來改善GO表面的化學(xué)和物理性質(zhì)[36-37]。非共價修飾主要通過范德華力和石墨烯表面上的官能團(tuán)的相互作用來實現(xiàn)[38]，與非共價修飾相比，共價化學(xué)修飾在實現(xiàn)長期穩(wěn)定性方面具有明顯優(yōu)勢。

為改善GO在基礎(chǔ)油中的分散穩(wěn)定性，林等[32]用硬脂酸和油酸對石墨烯薄片進(jìn)行化學(xué)修飾與功能化改性，發(fā)現(xiàn)改性后石墨烯可以在油中穩(wěn)定分散。同時，他們對含有改性石墨烯的潤滑油的摩擦性能進(jìn)行了測試，結(jié)果顯示，含0.075%改性石墨烯的潤滑油可明顯改善材料的耐磨性和承載能力。

Harshal等[33]通過酰胺鍵在還原的氧化石墨烯表面引入長烷基鏈，來提高石墨烯在潤滑油中的分散穩(wěn)定性。結(jié)果表明，功能化的還原氧化石墨烯作為潤滑油的添加劑，可顯著降低鋼球的摩擦系數(shù)和磨損率。

Zhang等[34]用油酸作為添加劑改性剝離石墨烯片并作為潤滑劑的添加劑。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)功能化石墨烯用量為0.02%～0.06%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，摩擦系數(shù)和磨痕直徑分別減少了17%和14%，顯著改善了潤滑油的摩擦性能。

Choudhary等[35]通過烷基胺與GO的羧基的偶聯(lián)反應(yīng)制備了烷基化石墨烯。結(jié)果表明，十八烷基胺功能化石墨烯(ODA-Gr)由于其高度的內(nèi)聚相互作用在十六烷中具有長期的分散穩(wěn)定性。同時與純十六烷相比，摻入劑量0.06 mg/mL 的ODA-Gr的十六烷的摩擦系數(shù)和磨損率分別減少了26%和9%。潤滑性能的改善主要歸因于摩擦表面間不間斷供應(yīng)的石墨烯納米片，這些石墨烯納米片可防止摩擦表面之間的直接接觸。

Fan等[36]使用烷基咪唑鎓離子液體(ILs)通過環(huán)氧化物開環(huán)反應(yīng)制備了功能化氧化石墨烯(MGO)。詳細(xì)研究了MGO和石墨烯(MG)在多烷基化環(huán)戊烷(MAC)中的穩(wěn)定性和摩擦性能。研究結(jié)果顯示，添加有MGO的MAC具有良好的穩(wěn)定性和摩擦性能，與純MAC對比，添加有MGO的MAC的摩擦系數(shù)和磨損率分別降低了約27%和74%，其優(yōu)異的摩擦性能主要歸功于在滑動表面上形成了富含石墨烯的摩擦膜，可以防止滑動面直接接觸，從而改善材料的摩擦和抗磨損行為。

Zhang等[37]采用正十二硫醇和叔十二硫醇分別與氧化石墨烯(GO)的羧基進(jìn)行反應(yīng)，合成了兩種潤滑劑添加劑(GO-D和GO-T)并研究了GO-D和GO-T在菜籽油中的分散穩(wěn)定性和摩擦性能。 實驗發(fā)現(xiàn)，GO-D在菜籽油中的分散穩(wěn)定性和摩擦性能優(yōu)于GO-T。此外，當(dāng)GO-D分散體濃度從0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))增加至0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，摩擦系數(shù)下降了44.5%，磨斑直徑(WSD)下降了40.1%。

在摩擦潤滑中，三羥甲基丙烷三油酸酯(TMPTO)本身作為一種良好的油性劑，具有高粘度、不易燃、可生物降解等特性。José等[38]制備了基于TMPTO與石墨烯納米片(GnP)的潤滑劑，并研究了其摩擦性能。結(jié)果表明，與純TMPTO潤滑劑相比，含有石墨烯納米片的潤滑劑的摩擦系數(shù)顯著降低，且在GnP含量為0.25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時潤滑劑的耐磨性能最佳。

為了提高摩擦性能和降低油霧濃度，Lü等[39]制備了以石墨烯納米片作為添加劑的納米潤滑劑。摩擦性能測試顯示，該潤滑劑的摩擦系數(shù)和磨斑直徑顯著降低，并且具有更低的油霧濃度，加工性能良好。

與油基潤滑相比，水作為潤滑流體具有低成本、環(huán)境相容性和高導(dǎo)熱性等許多優(yōu)點，但是，對鋼等材料的潤滑性較差。水包油(O/W)乳液可以彌補(bǔ)水基和油基潤滑之間的差距，能夠?qū)⑺睦鋮s、環(huán)境效益及潤滑功能有機(jī)結(jié)合起來[40]。Wu等[41]采用十四烷基三甲基溴化銨(TTAB)對氧化石墨烯進(jìn)行化學(xué)修飾，得到功能化的氧化石墨烯(MGO)。測試結(jié)果表明，MGO的使用大大提高了乳液的穩(wěn)定性。同時，MGO乳液與水基乳液潤滑相比，摩擦系數(shù)和鋼球磨損率分別降低了約18%和48%。

Yang等[42]經(jīng)過表面磺化反應(yīng)，將氨基封端的嵌段共聚物成功地接枝到石墨烯表面。研究發(fā)現(xiàn)，液體狀石墨烯的優(yōu)異溶解性使其能夠長時間在多種溶劑中良好地分散。作為潤滑劑的添加劑，可使摩擦系數(shù)和磨損率分別降低53%和91%。

氟化石墨烯(FG)具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、較好的熱穩(wěn)定性和大的層間距離，成為工業(yè)制造中性能優(yōu)異的潤滑劑[43]。Fan等[44]在不損害片材結(jié)構(gòu)條件下制備了高氧/氟雙官能化石墨烯(OFG)。結(jié)果表明，與純水和GO相比，制備的OFG磨耗率分別下降47%和31%。在摩擦過程中，OFG中氧官能團(tuán)的存在有助于提高親水性，而氟的存在提高了自潤滑性，從而實現(xiàn)了氟化石墨烯基潤滑劑在水性環(huán)境中的應(yīng)用。

張珊珊等[45]用硬脂酸和油酸改性石墨烯制備了親油性褶皺石墨烯球(MCGB)。研究發(fā)現(xiàn)，MCGB可以均勻、穩(wěn)定地分散在基礎(chǔ)潤滑油中。當(dāng) MCGB含量為 0.01%時，呈現(xiàn)最佳耐磨效果。與基礎(chǔ)油相比，摩擦系數(shù)降低2.08%、磨損量降低 16.18%。

3 展望

石墨烯作為新一代潤滑劑填料，憑借其自身獨特的結(jié)構(gòu)能夠在摩擦副表面形成一層保護(hù)膜并通過片層間的相對滑移減小摩擦系數(shù)，從而顯著提高材料的抗磨特性，為制備高性能耐磨材料提供了新的候選材料。據(jù)預(yù)測其今后的發(fā)展將主要集中于以下兩方面：①石墨烯作為潤滑劑填料發(fā)揮效能的關(guān)鍵是其在潤滑劑體系中的分散效果，只有石墨烯在潤滑劑體系中達(dá)到高度均勻分散，才能充分發(fā)揮其獨特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，因此，對石墨烯表面進(jìn)行化學(xué)修飾和功能化改性來提高其在潤滑劑體系中的分散效果和分散穩(wěn)定性將是今后的一個主要發(fā)展方向；②目前潤滑劑用功能化石墨烯的制備成本較高且生產(chǎn)過程有一定的環(huán)境污染，使其在工業(yè)領(lǐng)域的大范圍使用受到一定的限制，因此，開發(fā)潤滑劑用功能化石墨烯的低成本和綠色環(huán)保制備技術(shù)將是今后的另一個發(fā)展方向。