火爆全網的新型納米材料石墨烯在潤滑油應用中有何優勢?

　　潤滑油

　　潤滑油是一種可以使機械設備在運轉過程中降低摩擦的潤滑劑，是由基礎油和添加劑組成的。其中，添加劑的作用是使潤滑油更加功能化。傳統潤滑油潤滑能力有限，為了提高潤滑油的性能，通常會加入一下含硫、磷、氯的添加劑，但是這種添加劑的使用給環境帶來了巨大的壓力。

　　為了改善這一現狀，新型的添加劑不斷被發現，尤其是納米材料的出現，為潤滑油添加劑提供了很多資源，將納米材料應用于潤滑油中，可以起到減摩、抗磨、抗壓等作用。常見的納米添加劑有硼酸鈣、硼酸鎂、軟金屬納米材料、有機硼化物、有機鋁化物和碳納米材料。石墨烯是一種新型的碳納米材料，質量輕、強度大、具有優異的導電性和導熱性，且石墨烯層與層之間可以滑動，抗磨損性較強，逐漸被人們應用于潤滑油領域。

　　1.石墨烯

　　石墨烯是一種具有宏觀尺寸的新型碳納米材料，其尺寸在同一平面內可以無限擴展，在厚度方面為納米級別，是一種具有原子級厚度的二維碳材料。隨著技術的發展，石墨烯的種類也逐漸增多，根據石墨烯層的數量可以將其分為單層石墨烯、少層石墨烯和多層石墨烯。其中，單層石墨烯的碳原子多為sp2雜化形式，其晶體結構為六元環二維蜂窩狀晶格，單層石墨烯的理論厚度為0.335nm。

　　石墨烯的成鍵情況與石墨相同，構成石墨烯的碳原子在2s、2px,和2py軌道上形成雜化軌道，并與相鄰的碳原子形成σ鍵，鍵角為120°，這種結構特別穩定，且每個碳原子的2pz軌道上剩余一個電子，可以通過電子離域的形式想成大π鍵。離域的電子在晶體中還可以自由運動，這就使石墨烯具有與石墨等其他納米材料不具備的特性，例如表面積大、質量輕、導熱性能好、能耐高溫，可自潤滑。

　　隨著石墨烯的特異性能被逐漸發現，人們不斷的改變制備方法，制備不同結構、尺寸、層數的石墨烯，這些基本條件都直接影響石墨烯的性能。目前，已經成功制備的石墨烯有很多種，從層數上可分為單層石墨烯、雙層石墨烯、少層石墨烯和多層石墨烯；從價鍵理論可分為氧化石墨烯、還原石墨烯和還原氧化石墨烯；另外，目前制備的還有功能石墨烯。不同的石墨烯性能不同，當石墨烯的層數多于10層時，性能與石墨相近，當石墨烯的層數少于10層時，則表現出許多特異的性能。氧化石墨烯具有較大的缺陷，而還原石墨烯的缺陷較少，氧化石墨烯想減少缺陷可以通過功能化的方式。

　　2.石墨烯的潤滑性能

　　石墨烯是一種單層或多層結構的碳納米材料，對于多層石墨烯，層與層之間可以滑動，因此，具有特殊的潤滑性能，不同方法制備的石墨烯，層數、層與層之間的距離、堆垛形式、尺寸、形狀和缺陷不同，這些參數都會影響石墨烯的潤滑性能，除此之外，石墨烯的潤滑性能還受相對滑動方向的影響。經研究發現，用于潤滑油中的石墨烯，層數的多少對潤滑性能有著較大的影響，當石墨烯層數為2~3層時，石墨烯表現出最佳的潤滑性能，其摩擦力接近零。因此，堆疊的多層石墨烯作為潤滑添加劑具有更佳的潤滑性能。另外，石墨烯的堆垛形式對其潤滑性能也有較大的影響，以非公度形式堆垛的石墨烯表現出的摩擦力較小，且這種摩擦力會隨著石墨烯層間距的增加而減小，以AB形式堆垛的石墨烯現出的摩擦力則不同，其摩擦力隨層間距的減小而增加。

　　在實際應用過程中，石墨烯的摩擦力不可能為零，專家學者研究了石墨烯薄膜的潤滑性能及失效機理，在研究過程中采取了原子模擬方法，研究發現，壓頭在較低的速率下滑動時，石墨烯的化學鍵斷裂較少，摩擦相對較大，當增加滑動速度時，石墨烯的化學鍵斷裂不斷增多，摩擦逐漸減小。還有研究多層石墨烯膜的潤滑性能的實驗，研究發現石墨烯的潤滑性能是固有的，石墨作為潤滑油添加劑，潤滑性能較好。3.石墨烯的潤滑機理

　　為了研究石墨烯的潤滑機理，人們總結出了薄膜潤滑機理。根據這這一機理，將石墨烯添加到潤滑油中時，當形成的油膜層數較多時，石墨烯表現出的潤滑機理趨于薄膜潤滑，當形成的油膜層數較少時，石墨烯表現出的潤滑機理為混合潤滑。因此，在使用過程中，隨著石墨烯添加量的增加，摩擦物表面逐漸被石墨烯覆蓋，摩擦物的表面粗糙程度也逐漸被石墨烯的粗糙程度代替，形成更多的油膜，可以用薄膜潤滑機理進行解釋，潤滑性能大幅度提高。

　　當石墨烯的添加量增加到一定程度后，如果繼續添加石墨烯，多余的石墨烯則會在摩擦物表面堆積，使原本形成的油膜被破壞，潤滑機理表現為混合潤滑，潤滑性能下降。對于混合潤滑機理，體系中存在三種摩擦，一種是被石墨烯覆蓋形成油膜的兩種摩擦物摩擦，一種是被石墨烯覆蓋形成油膜的摩擦物與未形成油膜的摩擦物摩擦，最后一種是都未形成油膜的兩種摩擦物摩擦。此時，添加石墨烯的潤滑油的潤滑性能與這三種摩擦直接相關。綜上所述，沒有添加石墨烯等添加劑的潤滑油，其潤滑機理為混合潤滑機理，添加合適量的石墨烯的潤滑油，其潤滑機理為薄膜潤滑，添加過量石墨烯的潤滑油，其潤滑機理為混合潤滑。

　　4.石墨烯在潤滑油中的應用

　　在眾多的潤滑油添加劑中，石墨烯是一種性能優異的新型添加劑，將其添加到基礎油中，可以提高潤滑油的潤滑性能和抗磨性能，但是，石墨烯表面存在大量的羥基、羧基等親水基團，因此，與基礎油的相容性不是很好，將其添加到基礎油中，出現了分散穩定性差、易團聚等問題，從而影響了石墨烯性能的發揮，因此，目前對石墨烯的研究主要集中在兩個方面，一方面是制備特定結構、層數的石墨烯，從而提高石墨烯的潤滑性能，制備氧化石墨烯，并用超聲法將石墨烯分散于基礎油中，可以明顯降低制備的潤滑油的摩擦系數和磨損率。

　　另一方面則是對石墨烯的表面進行改性，從而改善石墨烯與基礎油的相容性，利用硬脂酸為改性劑，通過化學改性法制備了硬脂酸接枝石墨烯，石墨烯表面長鏈烷烴的存在減少了石墨烯表面的親水基團，增強了其與基礎油的相容性，制備的潤滑油具有更低和更穩定的摩擦系數和更高的軸承抗磨損能力。還有研究者以油酸為改性劑，制備了功能化的石墨烯，該石墨烯的添加降低了潤滑油的摩擦系數，增加了其強度?；蛞酝榛窞楦男詣┲苽淞斯δ苁?，改性后的石墨烯在基礎油中的分散性較好。

　　石墨烯

　　石墨烯除了單獨作為添加劑用于潤滑油效果較好外，還可以與其他添加劑共同使用提高潤滑油的性能，例如將功能化的氧化石墨烯同二硫化鉬復合，并用作潤滑油的添加劑，效果更為明顯；將石墨烯、硼砂和硝酸鈣復合，并采用水熱法制備了復合添加劑，并以油酸改性，大幅度提高了潤滑油的潤滑性能和抗磨性能。

　　石墨烯是一種新型的碳納米材料，具有非常優異的性能，如質量輕、導熱性能好、導電性能好、具有良好的防腐蝕性能，還有很好的自潤滑性能。石墨烯自潤滑性能的發現使其在潤滑油領域具有潛在的應用價值。