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基于石墨烯的新型润滑体系设计及特性研究

时间:2017-10-29 16:27来源:Admin5 作者:消息 点击:

  基于石墨烯的新型润滑体系设计及特性研究

苏壮
 
(东南大学吴健雄学院,南京211100)

        近年来,纳米材料科学的兴起为纳米润滑技术的发展带来了新的机遇,纳米材料作为润滑油添加剂的研究已受到广泛关注。有减摩、抗磨和修复功能的新型纳米润滑材料,是近年来摩擦与润滑领域研究的热点,也是微纳米材料与润滑剂相结合的切入点。已经发现的纳米金属、纳米氧化物、纳米硫化物、碳纳米管、石墨烯以及纳米磁性颗粒等都能使润滑油的润滑性能大幅提高。其中,石墨烯由于其优异的物理以及化学性质,近年来更是成为一大研究热点。
 
  石墨烯是单层碳原子紧密排列而形成的一种碳质新材料,具有单层二维蜂窝(Honeycomb)晶格结构,是目前世界上公认的最薄的二维材料(厚度只有0.335nm)。由于呈极薄的片状,具有优异的性能以及特定的自润滑特性,有成为分子滚珠(轴)润滑添加剂的潜力,石墨烯在流体及固体润滑领域得到了广泛的关注。
 
  因此,以石墨烯作为润滑添加剂设计新型润滑体系并进行特性研究是一件极具意义的事。由于石墨烯在基础油中的溶解性很差,因此,为了便于实验的进行,在查阅文献后,本文作者采用十六烷基三甲氧基硅烷改性氧化石墨来进行实验。研究了石墨烯添加浓度对润滑体系摩擦特性的影响并确定最佳添加浓度,同时尝试解释石墨烯作为润滑添加剂的润滑机理。
 
  1实验
 
 
  1.1十六烷基三甲氧基硅烷改性氧化石墨烯的特性表征为了表征修饰过的石墨烯的自身结构,进行了红外光谱表征,结果如图1所示。
 
  红外光谱图上出现了两个集中波谷,即为改性石墨烯的特征官能团,说明达到了改性的目的。
 
  为了表征改性石墨烯作为添加剂在润滑油中的溶解性,配备了浓度分别为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的润滑油,对此5组油样及其基础油了进行折射率的测量,实验结果如图2。
 
 
  从图2可以看出,添加了石墨烯的油样折射率均大于基础油,并且添加了0.3%石墨烯的润滑油折射率最大,说明此组润滑油中石墨烯分散得较为致密,这为后面确定石墨烯作为添加剂的最佳复配比提供了一定的理论依据。
 
  1.2摩擦学实验
 
  通过四球摩擦实验机对上述5组润滑油及基础油进行磨斑直径的测量。结果如图3。
 
 
  从图3可以看出,在0.3%的浓度下,磨斑直径相对较大(仅次于0.5%浓度下的磨斑直径),说明其磨损程度比其他浓度的更严重。为了进一步确定其磨损的具体情况,通过摩擦磨损实验机,对基础油和上述5组润滑油进行了摩擦因数的测量,结果如图4。
 
 
  从图4可以明显地看出:在不添加石墨烯时,基础油的摩擦因数在前25min内最大;石墨烯质量分数在0.2%~0.3%的润滑油则一直保持着比较低的摩擦因数。
 
  2实验结论
 
  在基础油中添加石墨烯可以减小润滑体系的摩擦因数。石墨烯添加浓度在0.1%~0.5%范围内,体系的总体摩擦因数先降低然后增大,针对本组实验,最佳的添加浓度为0.3%左右。
 
  3石墨烯的润滑机理分析
 
  对添加石墨烯的润滑体系摩擦因数改变的解释为:
 
  1)石墨烯添加浓度较小时,在基础油中分散比较均匀,能很好地起到“微轴承”的润滑作用,降低体系的摩擦因数;
 
  2)石墨烯添加浓度过高时,纳米微粒间容易发生团聚,形成较大团体,沉淀堆积在摩擦副表面并且破坏油膜的完整性,从而增大了体系的摩擦因数。