Page 170 - 《摩擦学学报》2021年第5期

第 5 期 陈广炎, 等: 石墨烯润滑添加剂合成与结构调控 759

[6]
小、表面活性高等特性 ，可以在摩擦过程中进入接触 墨烯的化学修饰 [59-60] 、颗粒复合 [61] 、摩擦学应用 [62-67] 、
[68]
区域并吸附在摩擦界面上，从而形成一种保护膜，有 润滑机理 等. 然而，当前研究中石墨烯的微观结构
效防止了摩擦副表面的直接接触，起到了减摩抗磨的 不尽相同，如物理层面的皱纹、孔洞和层间距，化学层
效果 [7-9] . 当前研究的纳米润滑添加剂的种类繁多，如 面的官能团排布、负载颗粒等. 研究发现，石墨烯的微
表1所示. 观结构对摩擦学性能起到重要作用 [69-70] ，而其微观结
其中，石墨烯由于高的机械强度、易剪切特性以 构又与其合成方法密切相关. 因此，梳理石墨烯的合
及绿色环保的优势，在润滑领域备受青睐. 迄今为止， 成方法、微观结构调控策略、摩擦学性能以及润滑机
石墨烯作为润滑添加剂已取得了许多出色的成果，相 理之间的关系对于开发高性能的石墨烯润滑添加剂
关内容也被一些学者整理成综述发表，主要围绕了石 具有重要意义.

表 1 纳米润滑添加剂分类
Table 1 Classification of Nano Lubricant Additives
Materials Examples
[10-13] [14-15] [16-17] [18-19]
Metals Cu , Fe , Bi , Pb , et al.
[20-23] [24-28] [29-31] [32] [33-34]
Metal compounds CuO , TiO 2 , Al 2 O 3 , FeS , LaF 3 , et al.
Nano particles
[38]
[37]
[39]
Polymer PTFE [35-36] , PS , PDA , PMMA et al.
[40-42] [43] [44-46]
Others SiO 2 , Diamond , Fullerene , et al.
[47-51] [52-53] [54]
Two-dimensional materials Graphene, MoS 2 , h-BN , LDH , et al.
[55] [56] [57] [58]
Nanocomposites PS/TiO 2 , Ag/CNT , graphite/Cu , MoS 2 /WS 2 , et al.

1 石墨烯润滑添加剂的结构特征与合成方法 AFM悬臂剥离石墨晶体，从而得到不同尺寸和厚度的
石墨烯 . 然而，此类微观机械剥离法由于试验操作
[73]
石墨烯的微观结构特征主要包括二维尺寸、表面
要求高和生产率低等因素，无法大规模应用于润滑添
形态、层间距等等，这都影响着石墨烯作为润滑添加
加剂领域. 于是，一些宏观的机械剥离得到高质量石
剂的质量与性能，例如，大尺寸的石墨烯纳米片很难
[74]
墨烯的方法逐渐引起人们关注. 有研究 在干冰的辅
进入摩擦接触区域，容易导致摩擦面的直接接触；低
助下，通过球磨将石墨剥离成单层或少层，从而获得
缺陷的纳米片通常比富含位错和空位的纳米片具有
边缘羧基化的石墨烯，可高度分散在各种溶剂中，作
更好的摩擦学性能；与折叠或褶皱的石墨烯相比，层
为润滑添加剂具有巨大的潜力. 然而，机械剥离法重
状结构更规整的石墨烯可以更容易地在层间发生滑
动；较大的层间距会降低石墨烯片层的能垒和层间的 复性差，难以精确控制石墨烯的质量，不适合用于大
范德华力等. 此外，石墨烯的化学修饰也直接影响了 批量优质添加剂的生产.
石墨烯的微观结构与性能，例如，石墨烯的二维结构 而液相剥离法被认为是有望用于大规模生产高
可能会被层间或边缘的官能团破坏，阻碍片层之间的 质量石墨烯的方法之一. 该方法首先需要对石墨原料
[75]
滑动；石墨烯上负载的纳米颗粒可以支撑石墨烯的片 进行溶剂处理，以减少石墨片层间的π-π吸引 . 常用
层结构，甚至增大层间距等. 由此可见，石墨烯润滑添 的溶剂有N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N，N'-二甲基甲酰
加剂的性能与其微观结构息息相关，而多数微观结构 胺(DMF)、邻二氯苯等，它们都具有非常低的界面张
又受控于合成方法. 如今，石墨烯的合成方法是其基 力，可以克服石墨烯片层之间的范德华力，从而减少

础研究和应用开发的关键，具有重要的科学意义和较 纳米片剥离所需的驱动力 [76] . 然后对石墨烯进行超
[71]
高的社会经济价值 . 下面就对目前石墨烯添加剂的 声、球磨等处理，进一步帮助溶剂分子嵌入石墨片层，
[77]
合成方法及相应微观结构进行介绍. 有效地增加层间距，从而提高剥离效率 . 液相剥离

1.1 物理剥离法制备润滑添加剂 法不仅可以通过外部能量输入调控石墨烯的二维尺
[78]
物理剥离法分为机械剥离和液相剥离. 众所周 寸，还能提升石墨烯的分散稳定性 ，在制备石墨烯
[79]
知，石墨烯的微机械剥离是由Novoselov等通过透明 润滑添加剂方面具有巨大潜力. 赵海朝等 采用超声
胶带剥离块状石墨实现的 [72] . 此外，还可以通过 直接剥离工艺，在二甲亚砜中剥离膨胀石墨制备了少