纳米石墨烯的减摩抗磨研究进展

2022-02-03陈文刚郝星星王泽霄郭文轩张桔帮王雨豪张禄中毛雨坤

科学技术与工程 2022年33期

陈文刚，郝星星，王泽霄，郭文轩，张桔帮，王雨豪，张禄中，毛雨坤

(西南林业大学机械与交通学院，昆明 650224)

摩擦和磨损在生活中无处不在。现代工业中，摩擦和磨损往往会对各种机械设备造成不良影响，有的甚至失效。控制摩擦最有效的方法就是添加润滑剂，润滑剂可以使摩擦表面避免直接接触或者在其摩擦表面形成一层薄膜来减少摩擦，从而能够对设备起到保护作用。

石墨烯是一种由碳原子按照sp2杂化轨道组成的蜂窝状的新型材料。2004年，英国Manchester大学Novoselov等[1]首次制备出单层石墨烯。随后制备石墨烯的方法也层出不穷，其中最常见的是机械剥离法、氧化还原法、化学气相沉积法。石墨烯的出现很快成为研究热点，受到了物理、化学等领域科学家的关注，它不仅有很好的力学性能[2]，而且电学性能[3]和热学性能[4]也特别显著。优良单层石墨烯的导热系数高达5 300 W/mK，是迄今为止导热系数最高的碳材料，当它作为载体时，导热系数也可达600 W/mK[5]。

在摩擦学领域，相比于水基润滑，油基润滑因为具有很好的密封性且不易挥发，因此应用十分广泛。但是油基润滑也有很多缺点，其中主要有冷却性能差、后期污染严重等问题[6-8]。因此，针对油基润滑的一些缺点，水基润滑也出现在摩擦学领域。但是，水单独地作为润滑剂在润滑系统中往往不能达到预期的效果，润滑效果也不太明显，因此需要研究高性能的水基润滑添加剂，来降低摩擦因数，减少摩擦磨损过程对材料的破坏[9-10]。石墨烯因其具有独特的结构特征和自润滑特性等良好的性能，因此受到广大研究者的关注[11]。但是，由于在溶液中石墨烯的片层间强烈的相互作用使其极易发生团聚现象[12-13]，不能达到分散的效果，这就大大阻碍了润滑油在其中的作用。因此，如何快速、高效地让石墨烯分散在溶液中成为亟须解决的难题。现主要综述纳米石墨烯作为润滑剂和复合材料添加剂的研究进展，归纳总结石墨烯的减摩抗磨机理，同时指出纳米石墨烯作为润滑添加剂中存在的问题，如石墨烯的添加量对机体抗磨减摩的影响、不同石墨烯的层数和结构对溶液抗磨减摩作用是否相同以及石墨烯与不同纳米材料共同作用对溶液摩擦性能的影响，并对今后石墨烯的研究方向进行展望。

1 石墨烯作为固体润滑剂的减摩抗磨性能

1.1 石墨烯作为固体润滑剂的摩擦学性能

自石墨烯问世以来其各种优越的性能就被科研人员发掘，其中石墨烯作为固体润滑剂在摩擦学领域也得到了广泛的应用。Venturi等[14]采用热喷涂法在不锈钢衬底上制备石墨烯纳米片。在球盘式摩擦试验机上进行试验，结果显示摩擦因数降低至0.1以下。分析其原因，因为试验中无任何其他润滑剂，只存在石墨烯纳米片，石墨烯纳米片被剥落，覆盖在衬底上，进而降低摩擦因数。Tahir等[15]采用化学气相沉积法以果皮塑料废料和油棕榈纤维为原料制备石墨烯薄膜，利用球盘式摩擦试验机进行干滑动试验。发现氢气在石墨烯生长过程中对其碳含量没有影响，但是氢气的存在缩短了试验磨合时间，摩擦因数更低。Marchetto等[16]探究了单层石墨烯的摩擦学性能，发现在SiC-6H(0001)上生长的石墨烯的摩擦因数为0.02，比石墨的摩擦因数要低得多。经过往复滑动，石墨烯层虽然被破坏，但是摩擦因数仍低于石墨。Berman等[17]采用化学剥离法制备了可以分散到乙醇中的高定向热解石墨烯，利用球-盘接触的CSM摩擦试验机来探究其摩擦学性能，将摩擦试件通过拉曼成像和光谱分析进行表征。得出结论，在滑动钢表面加入配制的石墨烯溶液可使磨损量大大减少，摩擦力也相对降低，石墨烯进入滑动摩擦副中，形成了保护层，这可促进剪切，降低腐蚀，进而将磨损降低。Kim等[18]用化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)方法制得石墨烯薄膜，并用不同滑动方向的侧向力研究其在二氧化硅光栅上的摩擦学性能。通过试验，发现不同旋转角扫描相同区域的滑动对石墨烯摩擦的影响不同，如图1所示。结果发现，石墨烯具有极低的表面能和摩擦因数，认为石墨烯的摩擦因数(0.066)远低于二氧化硅基底的摩擦因数(0.263)。Liang等[19]采用电泳沉积法制备石墨烯薄膜。通过摩擦学性能测试得出结论，氧化石墨烯作为固体润滑剂，硅片为基底时，摩擦因数和磨损量都有明显的降低。认为电沉积法制备的氧化石墨烯具有优异的减摩抗磨效果，同时还可以增加硅的磨损寿命。

综上所述，研究人员采用不同方法制备石墨烯，发现最终制得的石墨烯的摩擦学性能也大有不同。石墨烯作为固体润滑剂时，当它附着在摩擦表面时就会形成一层薄膜，这层薄膜不仅可以降低溶液对摩擦副表面的腐蚀，同时也会降低系统的摩擦因数。因此，石墨烯可以起到很好的抗磨减摩作用。

1.2 石墨烯及其他复合材料作为固体润滑剂的摩擦学性能

张帅[20]采用一步水热法制备还原氧化石墨烯(reduced graphene oxide，RGO)/ZnS石墨烯纳米复合材料，然后将其用作固体润滑剂以环氧树脂为载体进行了摩擦学性能测试，实验结果表明，RGO/ZnS纳米材料的摩擦因数和磨损率与RGO和ZnS相比都有所减小，其中磨损率比ZnS减少了60%以上。认为ZnS微粒能更好地分散是因为石墨烯表面与ZnS纳米粒子之间产生的牵引力作用影响的，这二者之间的协同作用可以更好地增加材料的润滑能力。并通过水热法制备了RGO/MoS2纳米固体润滑剂，然后以环氧树脂为载体，对其进行摩擦性能探究。实验结果表明，RGO/MoS2复合材料的磨损率比MoS2涂层减少50%，分析其原因是，RGO能减少MoS2在真空摩擦状态下产生的活性位点，同时RGO与MoS2发生摩擦时，所产生的范德华力能够减少MoS2片层的结构破坏。黄伟九等[21]采用溶液共混法来制备石墨烯/聚酰亚胺复合材料，研究其摩擦学性能。实验结果显示，石墨烯的不断增加使得复合材料的磨损率先下降后上升，但是摩擦因数显著降低。刘灿灿等[22]通过液相反应合成磷酸铝铬胶黏剂，并制备了以磷酸铝铬作为胶黏剂，胶体石墨为固体的黏结固体润滑涂层。探究了磷酸铝铬与石墨的质量比对润滑涂层摩擦磨损的影响。得出结论，将石墨-磷酸铝铬固体润滑涂层涂覆于45钢表面，发现该涂层具有很好的抗摩擦性能。Suresha等[23]探究了将石墨颗粒加入玻璃纤维增强环氧复合材料的摩擦学性能。通过试验发现，石墨含量对复合材料的摩擦性能有影响，溶液中石墨含量为7.5%时，复合材料的摩擦因数最低。Pan等[24]探究了石墨烯/聚苯硫醚(PPS)复合材料涂层的摩擦学性能。通过喷涂法得到PPS/聚四氟蜡(PFW)/石墨烯复合涂层。还采用MM-200型摩擦磨损试验机对其进行摩擦学性能测试。测试结果表明，复合材料涂层的抗磨寿命明显高于单一PPS的抗磨寿命，PFW质量分数为30%，石墨烯添加量为0.8 g/100 g时，复合涂层的抗磨寿命提高到原来的7.5倍，如图2所示；当PPS中加入30%PFW时，复合涂层的摩擦因数也有显著降低，随着石墨烯含量的增加。其摩擦因数呈现先上升后下降的趋势，如图3所示，认为石墨烯具有很好的力学性能，在摩擦过程中，与对偶材料的作用力增大，因此摩擦因数上升。随着石墨烯含量缓慢增加，复合涂层随着摩擦应力和摩擦热的增加，大量的石墨烯会聚集到一块形成石墨，使得摩擦因数下降。Zhang等[25]探究了石墨烯纳米片/尼龙6复合材料的摩擦学性能。采用共混发制备石墨烯纳米片/尼龙6复合材料，通过扫满电镜来分析材料的表面形貌，得出结论，石墨烯纳米片的含量达到10%时，减摩效果最佳，此时，摩擦因数降低30%，磨损率降低50%。

图2 PPS复合涂层的抗磨寿命随石墨烯含量的变化关系[24]Fig.2 Relationship between anti-wear life of PPS composite coating and graphene content[24]

图3 PPS复合涂层的摩擦因数随石墨烯含量的变化关系曲线[24]Fig.3 The variation curve of friction coefficient of PPS composite coating with graphene content[24]

复合材料在使用中，摩擦因数和磨损率都很大，因此对材料的寿命有很大影响。向机体中加入适量的石墨烯，可以有效地降低材料磨损率和摩擦因数，同时也可以增加材料的使用寿命。分析原因，石墨烯与复合材料在摩擦过程中的共同作用(牵引力作用、范德华力作用)、自身的力学性能和石墨烯的含量都是影响润滑性能的主要因素。

2 石墨烯作为水基润滑剂添加剂的分散性和减摩抗磨性能

2.1 石墨烯及纳米颗粒复合材料作为水基润滑剂添加剂的摩擦学性能

水基润滑在机械润滑中的应用近年来也十分广泛，相比于油基润滑，水基润滑不仅经济、环保，而且原料充足。水由于其自身的黏度较低、容易蒸发，对一些金属有腐蚀等问题，往往不适合单独作为润滑剂，因此需要在水基中加入润滑添加剂来改善其润滑性能。Wu等[26]探究了GO(氧化石墨烯)和ND(纳米金刚石)复合材料作为水基润滑添加剂的摩擦学行为。使用往复式摩擦试验机对水、GO和ND的摩擦性能进行了对比试验。研究发现，GO和ND复合材料作为润滑剂时，摩擦因数最低(0.03)。认为GO和ND共同作用在水中会形成摩擦膜以及ND在该过程中会出现滚动轴承效应。Hou等[27]采用溶液法制得氧化石墨烯纳米片，并用三氟化镧(LaF3)修饰石墨烯纳米片得到LaF3-GO纳米复合材料。采用四球摩擦磨损试验机来测试LaF3-GO作为蒸馏水添加剂的摩擦学特性。得出结论，当溶液中LaF3-GO质量分数达到1.5%时，蒸馏水的摩擦学性能有显著提升。在摩擦过程中，摩擦副表面形成了由LaF3和GO组成得保护层薄膜，进而降低了系统中的摩擦磨损。张栗源等[28]探究了石墨烯/高密度聚乙烯高分子材料在水基润滑下的摩擦学性能。采用石墨烯纳米片填充高密度聚乙烯，然后在RTEC摩擦磨损试验机进行试验，通过分析复合材料的机械性能、摩擦因数、磨损形貌，揭示复合材料在水基润滑下的摩擦磨损机理，结果表明，复合材料的平均摩擦因数随着石墨烯含量的增加而减小，利用1.5%石墨烯纳米片改性过的聚乙烯平均摩擦因数比无石墨烯纳米片改性过的聚乙烯降低53.6%。Huang等[29]探究了氧化石墨烯-氧化铝复合材料作为水基润滑剂的摩擦学性能。采用UMT-3摩擦试验机对其摩擦学性能进行评价，结果表明GO-Al2O3复合材料润滑剂显著降低了系统的摩擦磨损和摩擦因数。与基础水和GO溶液相比，摩擦因数分别降低66%和47%，表面粗糙度分别改善64%和60%。分析其原因，认为在摩擦过程中GO-Al2O3在摩擦副表面组成了薄膜，阻止了摩擦表面直接接触，导致抗滑性降低，达到抗磨减摩效果。Lü等[30]研究了氧化石墨烯/二氧化硅复合材料作为水基润滑剂的摩擦学性能。开发了一种GO/SiO2复合纳米材料水基润滑剂作为切削液的微量润滑(minimal quantity lubrication，MQL)技术，并通过四球摩擦试验机对其摩擦学进行对比研究。当溶液中含有质量分数分别为0.02%GO和0.50%SiO2时，润滑剂的润滑性能最佳，与基础润滑剂MQL相比，摩擦因数和磨损率有显著降低，如图4所示。

图4 磨损表面显微镜像图[30]Fig.4 Microscope images of the worn surfaces[30]

以上研究表明，石墨烯与其他纳米复合材料作为水基润滑添加剂时，与复合材料共同作用形成摩擦膜，有的甚至可以使摩擦过程出现滚动轴承效应，进而增加溶液的减摩抗磨效果。

2.2 表面活性剂改性石墨烯作为水基润滑添加剂的摩擦学性能

通过研究发现，表面活性剂的种类、超声分散时间和表面活性剂的浓度都会影响石墨烯在水基中的分散稳定性。Wang等[31]分别选用3种不同的表面活性剂SDeS(阴离子型)、DTAC(阳离子型)和Tween80(非离子型),分别制成石墨烯水分散液，通过分光光度计和UV-Vis分析最终得出结论，当表面活性剂Tween80浓度为0.012 mmol/L时，所得石墨烯水分散液的最佳浓度为564.3 mg/L。李丽君等[32]通过超声分散和吸光光度法分析了表面活性剂对氧化石墨烯的分散性影响，选用十二烷基磺酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和Tween 80三种不同的表面活性剂进行实验，结果显示，不同浓度的表面活性剂电导率不同，因此对氧化石墨烯在水溶液中分散效果也不同。当溶液中SDBS的浓度为1.2 mmol/L时，氧化石墨烯分散液的电导率为0.997 Ms/cm。加入SDBS后的氧化石墨烯分散液放置45 h后，吸光度略微降低，说明SDBS表面活性剂具有很好的分散能力。Lotya等[33]提出了一种低成本的方法来制备浓度为0.3 mg/mL的石墨烯在表面活性剂(胆酸钠)/水体系中的稳定分散体。这种方法使用的是时间高达400 h的低功率超声，随后经过离心得到稳定的分散体。Liang等[34]以原位剥离石墨烯为纳米添加剂，非离子表面活性剂TritionX-100为稳定剂来制备水基润滑剂，使用UMT-3摩擦计进行摩擦学性能测试，结果表明与纯去离子水相比，摩擦因数和磨斑直径分别降低了81.3%和61.8%。Hu等[35]通过酰胺化反应制得聚乙二醇化石墨烯，将其作为提高水基润滑剂摩擦性能的添加剂。当水溶液中加入0.05%的聚乙二醇时，与纯水溶液相比，摩擦因数降低39.4%，磨损率降低81.23%。认为亲水性的聚乙二醇能够增强羧基石墨烯纳米片与水的亲和力，所以增强润滑性能。Wu等[36]采用Hummer法制备氧化石墨烯，并用十四烷基三甲基溴化铵(TTAB)对氧化石墨烯(GO)进行化学改性得到改性氧化石墨烯(MGO)。通过试验，得出结论MGO具有很好的摩擦学性能，与基础乳液润滑和GO-乳化液润滑相比，摩擦因数分别降低18%和14%，磨损率分别降低48%和37%。认为MGO与金属表面反应形成了一层膜，这层膜可以降低接触面的摩擦因数和磨损率。

3 石墨烯作为油基润滑剂添加剂的分散性和减摩抗磨性能

3.1 石墨烯作为油基润滑添加剂的摩擦学性能

石墨烯因其特殊的结构容易进入摩擦副中，本身也有自润滑性能，所以具有优异的摩擦学性能。Zhe等[37]研究了氧化石墨烯(GO)作为添加剂在烃类基础油中的摩擦学性能。通过试验得出结论，当溶液中的GO片质量浓度达到0.5%时，抗磨减摩效果最佳。选用的商用摩擦试验机测试模式为往复式球-盘摩擦，负载范围为50～150 N，选择50、100和150 ℃进行对比。温度在50 ℃时，含有0.5%GO片的润滑剂的摩擦因数比纯烃基油小10%到20%；温度在100 ℃时，碳氢基油变薄，开始试验时，摩擦因数急剧上升，说明球和盘直接接触，所以磨损严重。但是，对于含有0.5%GO片的润滑剂，摩擦因数相对稳定，说明润滑剂的润滑效果还是有效的；温度达到150 ℃，基础油的黏度降低，且含有GO片的润滑剂和基础油都不能承受50 N的载荷。Jka等[38]研究了在聚α烯烃(polyalphaolefin，PAO)基础油中加入石墨烯片对钢/钢和类金刚石碳(diamond-like carbon，DLC)/DLC接触副在不同润滑条件下的摩擦影响。发现石墨烯片作为润滑油添加剂具有很好的减摩效果，不同石墨烯浓度对摩擦因数影响不同，当石墨烯浓度达到5%时，可以将DLC/DLC接触的摩擦力降低50%，对钢/钢接触的摩擦力降低44%。通过光学显微镜和扫描电镜图发现，石墨烯进入到钢/钢和DLC/DLC的摩擦副中，在其界面处产生了石墨烯基摩擦膜，这样才能使摩擦因数降低，因此摩擦学性能的改善是通过在钢和DLC涂层的界面处形成摩擦膜实现的。孔尚等[39]也探究了石墨烯在PAO基础油中的摩擦学性能，利用丁二酰亚胺(分散剂A)辅助石墨烯分散于聚α烯烃(PAO4)基础油中，测试溶液的分析稳定性，并使用摩擦磨损试验仪考察分散液的摩擦磨损性能。结果表明，分散剂A可以显著提高石墨烯在PAO4中的分散性，并且当石墨烯的浓度为0.8 mg/mL、分散剂A的质量分数为0.2%时，基础油的抗磨减摩性能最佳，相比于PAO基础油，磨损体积减小了55%。Dou等[40]使用销盘式摩擦计探究了褶皱石墨烯球的摩擦学性能，并与石墨片晶、还原氧化石墨烯片(r-GO)和炭黑进行了对比。r-GO的摩擦因数曲线和基础油的基本相似。通过对比，当添加剂的质量分数为0.01%时，褶皱石墨烯球的摩擦因数最低，与基础油相比，摩擦因数降低20%。当添加剂的质量分数增加到0.1%后，r-GO的摩擦性能没有显著改善，但是石墨和炭黑的性能降低，可能是因为在高浓度的环境下更容易发生聚集，这种聚集会影响分散性，从而导致摩擦因数增加。相比之下，褶皱的石墨烯在这种情况下摩擦性能没有太大影响。Ouyang等[41]研究了三维多孔石墨烯(3D HPGS)作为锂基脂添加剂在不同运动方式下的摩擦学性能。结果表明，当3D HPGS质量分数为0.3%时，润滑脂的抗磨减摩效果最好，此时摩擦因数和磨损量分别降低20.3%和52.0%。此外，通过扫描电镜、能谱仪和拉曼光谱分析发现，3D HPGS可以进入摩擦副界面中，沉积在摩擦表面形成一层具有保护作用的摩擦膜，避免摩擦副的直接接触，近而提高抗磨性。Ouyang等[42]还探究了三维石墨烯纳米片(3D GNS)在低速和重载下的摩擦学性能。通过电弧放电法制备三维石墨烯纳米片(3D GNS)，在基础油中加入3D GNS后，摩擦因数和磨损体积分别减少29.1%和55%。Cheng等[43]通过对不同尺寸的氧化石墨烯纳米片进行试验来探究其摩擦学性能。得出结论，尺寸更小、碳氧比更低的GO纳米片具有更显著的摩擦学性能。用MMW-1型四球机测试了基础油的润滑性能，通过红外光谱、能谱分析、拉曼光谱等分别对GO-20、GO-27和GO-35进行对比分析，结果表明，GO-35纳米片比GO-20和GO-27具有更优异的抗磨性能。分析原因是GO-35的尺寸较小，因此容易进入摩擦副表面。

Wu等[44]用四球试验机研究了不同浓度少层石墨烯的4010航空润滑油的两种摩擦副(Si3N4/GCr15，GCr15/GCr15)的摩擦学性能。通过激光扫描共聚焦显微镜、能量色散X射线光谱和拉曼光谱对磨损表面进行分析。在4010铝合金中加入单层石墨烯(FG)后，抗磨减摩性能得到改善，与无任何添加的4010铝合金的平均摩擦因数和磨斑直径相比，当GCr15钢相对GCr15钢滑动时，平均摩擦因数和磨斑直径分别下降了25%和39%。当达到最佳浓度时，Si3N4/GCr15滑动副表现出比GCr15/GCr15滑动副增强的摩擦性能，导致平均摩擦因数和磨斑直径分别降低27%和43%。这主要是由于单层石墨烯的存在改善了Si3N4/GCr15滑动副的摩擦学性能，FG的存在通过使用EDS和拉曼光谱进行研究，提出了一种润滑机制来解释这一结果：FG的剪切、撕裂和填充及其对摩擦表面的黏附防止摩擦表面的严重破坏。

上述研究表明，石墨烯虽然具有抗磨减摩作用，但是，不同浓度的石墨烯和石墨烯的层数、形状等都会影响其在润滑介质中的润滑效果。研究人员通过改变石墨烯的浓度、形貌和结构来改善其在润滑介质中的摩擦学性能。

3.2 改性石墨烯及其纳米复合材料作为油基润滑润滑添加剂的摩擦学性能

研究表明石墨烯在油基中具有很好的抗磨减摩效果[45-49]，但是由于其较大的比表面积和片与片之间的范德华力很容易产生团聚，而通过向其中加入表面活性剂，可以有效地改善润滑油介质的分散稳定性，进而提高摩擦学性能。

夏池等[50]用长链脂肪族十八烷基胺对氧化石墨烯(GO)进行改性得到改性氧化石墨烯(GO-ODA)。通过摩擦磨损测试发现，当GO-ODA质量分数为0.01%时，润滑油的抗磨减摩效果最好，此时摩擦因数下降16%，磨斑直径减小10%(图5)。朱超[51]采用化学还原法制备了两种长链烷基官能团的石墨烯润滑油添加剂。利用微动摩擦磨损试验机和三维轮廓仪对润滑油添加剂的摩擦学性能进行了检测，得出结论，当十八醇接枝还原氧化石墨烯(RGO-g-OA)和十八溴接枝还原氧化石墨烯(RGO-g-BO)的添加比例为0.005%时，润滑油的摩擦性能最优。此时，与单一润滑油相比，RGO-g-OA作为添加剂时的摩擦因数降低9.7%，RGO-g-BO作为添加剂时的摩擦因数降低18.5%。Liu等[52]制备了石墨烯/离子液体(G/IL)复合材料作为润滑油添加剂探究G/IL对基础油的减摩抗磨性能的影响。当G/IL质量分数为0.04%时，基础油的摩擦因数和磨损体积分别降低了45%和90%。认为一定量的石墨烯可以促进离子液体在摩擦界面的化学反应，进而形成化学反应膜，这种膜可以有效地保护磨损表面，因此，得出结论，G/IL复合材料表现出石墨烯和离子液体的协同润滑作用，这种作用可以提高PAO6的润滑性能。Bao等[53]通过在石墨烯中加入聚异丁烯丁二酰亚胺(PIBS,商品名T154)来进行改性。实验结果表明，被T154改性的石墨烯(GO-T154)悬浮液经过一年的时间，溶液也没有明显的沉淀，其稳定性较好。摩擦学结果表明，加入GO-154之后润滑性能得到了很大的改善，摩擦因数降低54%，磨损率降低60%。陈佳敏[54]研究了不同超声时间和不同分散剂[十二烷基硫酸钠、CO890、聚羧酸减水剂、聚乙烯(基)吡咯烷酮]对纳米石墨烯片分散性的影响，得出结论，超声30 min后，GnPs溶液没有明显的分层，上部溶液颜色浅，下部溶液颜色深；超声60 min后GnPs溶液的团聚现象有明显减弱，分散效果较好；通过比较得出结论，十二烷基硫酸钠、聚乙烯(基)吡咯烷酮和聚羧酸减水剂均能增加石墨烯片的分散性。

a为润滑油；b为0.02%GO-ODA润滑油；c为0.01%GO-ODA润滑油；d为0.005%GO-ODA润滑油图5 添加不同质量分数改性GO的润滑油的摩擦因数[50]Fig.5 Friction coefficient of lubricating oil modified by GO with different mass fraction[50]

石墨烯和纳米颗粒都具有独特的润滑优势，因此，近年来，石墨烯纳米复合材料的摩擦学性能引起了大量学者的研究。Li等[55]采用一锅还原法制备石墨烯-铜纳米复合材料，通过透射电子显微镜、X射线衍射、拉曼光谱等对复合材料进行表征，发现以适当的比例添加纳米复合材料会表现出更好的减摩性能，承载能力也提高50%。发现当GO和Cu2+离子同时还原时，由于表面限制，纳米铜离子可以均匀地沉积在石墨烯表面，铜离子的吸附使石墨烯表面能降低。当纳米复合材料添加到基础油中时，它们进入并沉积在接触面上，在摩擦剪切力的作用下，石墨烯层崩解，形成一层薄薄的固体物理吸附膜，将两个摩擦副分开。纳米颗粒可以填充表面的微坑和损伤部分，促进修复过程，但是，高质量的纯铜纳米粒子和纳米石墨烯-铜复合材料由于团聚而不能增加摩擦。Wang等[56]利用一步激光照射策略制备银/石墨烯纳米复合材料，其有效地解决了团聚现象并且有很好的分散稳定性。摩擦学试验证明，添加质量分数为0.1%的银/石墨烯纳米复合材料作为润滑油添加剂时，可以使摩擦因数降低40%，磨斑直径降低36%。分析其原因是因为Ag颗粒特殊的球形形貌可以将滑动摩擦转化为滚动摩擦，两者都能有效降低摩擦磨损，磨损表面凹槽中剥落的银纳米颗粒在滑动过程中对磨损部件表现出修复效果。Wu等[57]探究了纳米La(OH)3/RGO复合材料在柴油机油中的摩擦学性能。结果表明，纳米La(OH)3/RGO复合材料能显著提高柴油机油在边界润滑条件下的抗磨性能，在80 ℃、1.62 GPa接触压力下，加入质量分数为0.1%的纳米La(OH)3/RGO复合材料时，柴油机油抗磨性能提高44%。Jin等[58]采用原位水热法合成Mn3O4#G纳米复合材料，并且进一步采用超声振动、电磁搅拌等工艺制备了Mn3O4#G复合润滑脂，对复合润滑脂的摩擦学性能进行了研究。当Mn3O4#G质量分数为0.1%时，比纯石墨烯的摩擦因数和磨损深度分别降低了43.5%和86.1%。认为在摩擦作用下，Mn3O4#G中的石墨烯的微观结构趋于有序化和正规化，从而降低摩擦因数，改善减摩性能。Meng等[59]在临界二氧化碳(ScCO2)流体中，制备Au纳米颗粒修饰氧化石墨烯纳米复合材料(SC-Au/GO)。通过X射线衍射(X-ray diffraction，XRD)、拉曼光谱、热重分析仪(thermogravimetric analyzer，TGA)和透射电镜对SC-Au/GO进行了表征，并在球盘式摩擦试验机上进行了摩擦学性能测试。摩擦学性能结果表明，当质量分数为0.10%的SC-Au/GO分散在PAO6油中时，摩擦因数和磨损率分别比纯PAO6油降低33.6%和72.8%。认为改性后的SC-Au/GO可以吸附基础油，使油膜增加，防止摩擦副直接接触，提高减摩抗磨性能。Jia等[60]采用一步还原法合成铜/氧化石墨烯复合材料，用油酸(OA)改性复合材料(Cu/rGOA、Cu/rGOB和Cu/rGOC)，在MRS-10A四球摩擦试验机对其摩擦学性能进行分析。试验结果表明：当载荷为392 N时，添加质量分数为0.5%OA到改性的Cu/rGOA添加剂后，磨损量从0.75 mm降低至0.35 mm，如图6所示，说明Cu/rGOA在质量分数在0.5%时抗磨性能最好；载荷为490 N时，当只有质量分数为0.5%OA改性Cu/rGOA时，磨斑直径由0.78 mm降到0.64 mm，抗磨性能比其他两种添加剂和OA更好。同时，质量分数为0.5%时，含Cu/rROA的PAO的平均摩擦因数为0.083低于纯PAO，如图7所示。

图6 OA和Cu/rGO复合材料作为添加剂的磨斑直径和摩擦因数(392 N)[60]Fig.6 Wear scar diameter and friction coefficient of OA and the Cu/rGO composites as additives (392 N)[60]

图7 OA和Cu/rGO复合材料磨斑直径的摩擦因数(490 N)[60]Fig.7 Wear scar diameter and friction coefficient of OA and Cu/rGO composites as additives (490 N)[60]

Meng等[61]在超临界CO2的辅助下，通过化学还原法合成了银纳米粒子修饰的石墨烯纳米复合材料，并用四球摩擦试验机研究纳米复合材料作为润滑油添加剂在发动机油中的摩擦学性能。研究表明：摩擦因数和磨斑直径随着所添加剂的引入而降低，显然Sc-Ag/GN分散机油的摩擦因数和磨斑直径最低。商用二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)和Sc-Ag/GN添加剂的浓度对摩擦因数和磨斑直径的影响如图8所示，图8(a)在最低点。与裸机油相比，摩擦因数和磨斑直径分别降低了30.4%和27.4%，超过该底部，摩擦因数和磨斑直径随着Sc-Ag/GN浓度的增加而逐渐增加，机油中Sc-Ag/GN的最佳浓度为0.06%～0.10%。

图8 不同添加剂分散在10W40油中的摩擦因数和磨斑直径对浓度的影响[343 N，1 200 r/min，60 min，(75±1)℃][61]Fig.8 Friction coefficient and wear scar diameter versus concentration of different additives dispersed in 10W40 oil [343 N, 1 200 r/min, 60 min, (75±1) ℃][61]