石墨烯摩擦学及石墨烯基复合润滑材料的研究进展

石墨烯摩擦学及石墨烯基复合润滑材料的研究进展

张鲁一航

（陆军勤务学院，401311）

摘要：作为同素异形体的碳元素，石墨和金刚石是最为人们所熟知的。石墨烯作为一种二维碳纳米材料，是一种纳米润滑薄膜、润滑填料及润滑添加剂的原料。常被诸多学术学者作为研究对象。本文系统的介绍了石墨烯摩擦学的性能和石墨烯的诸多纳米摩擦机理。通过对多层构筑、自组装及表面化学改性等技术的阐述，深度介绍了石墨烯作为润滑剂中的分散性以及石墨烯与基底的结合性。并指出了作为高性能复合润滑材料目前遇到的问题和未来的发展趋势。

关键词：石墨烯；摩擦学；润滑材料

概述

理论上厚度只有0.34纳米的单层碳纳米材料石墨烯，在2004年以后，成为了继碳纳米管和富勒烯之后的新的研究热点，甚至在物理和化学领域受到了诸多科学家的关注。由于石墨烯在电学、力学和磁学等方面有着优异和奇特的性能，因此相关科学家对于石墨烯的相关实验研究和理论计算层出不穷。它拥有的特殊结构和优异性能，在未来的发展研究中，有望在复合材料生物材料、高性能电子器件等方面得到广泛的应用。

一、石墨烯的摩擦性能

对于石墨纳米的摩擦性能，国内学术界鲜少有研究。但这项研究活动在国际上却有着十分深入的探索。根据相关的研究发现，石墨烯层间的晶格公度性极大的影响着石墨烯层间的纳米摩擦力。而超低摩擦的情况的出现则取决于非公度形式堆垛的石墨烯层间的摩擦。影响着石墨烯层间从公度性到非公度性间的转变甚至是快速滑动到另一个公度态位置，则是探针尖与石墨烯纳米片间的范德华力起的作用。因此，我们发现，石墨烯层间的摩擦力除了受层数的影响，还一定程度上受着堆垛形式、尺寸、缺陷和层间距等诸多因素的影响。

图一石墨烯层间堆垛关系对石墨烯层间摩擦力的影响

二、石墨烯的表面摩擦

在对石墨烯层间的滑动摩擦研究的基础上，对石墨烯表面滑动时产生的纳米摩擦力也是诸多学者考察研究的内容。由于层数的变化所产生的表面纳米摩擦力的摩擦机理重要有四个方面：1.面外褶皱机理；2.电子-声子耦合机理；3.弹性变形的能量耗散机理；4.剪切变形机理。其中，面外褶皱机理在借助AFM/FFM等发现在机械对石墨烯进行剥落的过程中，石墨烯与石墨烯的摩擦力在基底间的结合状态十分的紧密。通过有限元模拟发现，在自支撑石墨烯表面较大的滑动摩擦力或探针在弱结合下，均匀源于石墨烯表面的局部褶皱。

图二石墨烯表面褶皱效应示意图以及石墨烯的表面摩擦力随石墨烯层数的变化

三、纳米润滑材料

石墨烯即使在十分苛刻的环境下，也有着十分稳定的化学性。它具有高的机械强度和低的表面能，以低剪切强度的形状结构。因此十分适宜当做纳米润滑薄膜等润滑材料。在对石墨烯的应用过程中，人们已经在机械剥落、化学氧化、有机合成甚至是晶体外延生长等方面取得了诸多的研究成果。石墨烯基自组装纳米复合润滑薄膜就是其中的成果之一。为了解决石墨烯片层间相互作用所在溶液中难以分散的困难，研究人员通过将氧化石墨烯共价键合在氨基化的硅底层表面，进行加热和还原，从而构筑均匀稳定的石墨烯纳米薄膜。这种有着很强共价键的自组装石墨烯纳米薄膜有着相对较低的摩擦系数和大于10800S的抗磨寿命。

图三硅基底表面石墨烯基三层纳米薄膜的构筑示意图

四、润滑添加剂

液体润滑剂中添加的纳米颗粒可以有效的降低摩擦系数，并改善极压性和承载力。这种如层状结构的软质金属纳米颗粒和无机纳米颗粒的减摩抗磨的机理主要有4个方面：1.摩擦化学反应；2.纳米滚珠效应；3.物理摩擦吸附膜理论。通过大量的研究我们还可以发现，适量的石墨烯在纳米滑动轴承中可以有效的减少摩擦系数，还可以通过摩擦吸附膜来提高润滑剂的承载抗磨的相关性能。

石墨烯具有的分散性和表面活性的特点，成为了摩擦学性能中的关键因素。被用作聚合物材料的填充物，也是新型润滑材料的优质选择。由于不同的集合无，在对石墨烯的界面结合强度上仍需做出深入的研究，比如，石墨烯在改善陶瓷材料的润滑性能和抗磨性能上还有所提升。尽管在学术界还有着诸多的分歧，但是在研究上，仍需我们发挥自身的能动性，继续努力。

结语

石墨烯较好的表面活性和分散性能够和聚合物发生较强的作用。但由于石墨烯的纳米摩擦性能还受着诸多因素的影响，尤其在层数影响表面摩擦力的问题上还值得做深入的探讨，但作为一种潜在的高性能纳米润滑材料，石墨烯显著的提高了基体材料的力学性能，且形成的自润滑的连续性减小了聚合物基体的摩擦系数。在未来对石墨烯的研究道路上还有很多路要走，对于新型材料的探索和研究，是作为研究人员义不容辞的责任和义务。

参考文献

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