材料百态

碳作为自然界最常见的元素广泛存在于我们身边，碳对于现有已知的所有生命系统都是不可或缺的，没有它，生命不可能存在。

作为最常见的元素，碳有多种同素异形体如、金刚石、石墨、足球烯、石墨烯等。今天我们重点介绍一下石墨烯。

碳单质

碳同素异形体

石墨烯被发现之前一直被认为是碳质材料的理论模型。直到2004年，安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖罗夫采用“微机械剥离法”用最普通的胶带在高定向热解石墨上反复剥离，最终获得了石墨烯，并因此获得诺贝尔物理学奖。

石墨烯发现者

石墨烯是由碳原子以sp2杂化轨道构成六边形晶格的二维材料，单层石墨烯的厚度仅0.34nm（一个碳原子厚度），二维石墨烯结构可以看做是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元，如石墨可以看做是多层石墨烯组成，碳纳米管是卷成圆筒状的石墨烯。

石墨烯

石墨烯具有优异的力学、热学、电学、光学、摩擦学性能被广泛应用于材料科学、生物医学、电池、复合材料和减摩润滑等领域。石墨烯材料本身很高的机械强度，极低的层间滑动摩擦力和良好的化学稳定性决定了其可以作为一种极具潜力的润滑材料。它既可以作为固体润滑材料降低材料的磨损量，也可以作为液体润滑剂的添加剂提升其减摩抗磨性能。

在固体润滑材料中石墨烯在摩擦表面形成润滑膜后，原子级光滑的表面和较低的层间剪切强度使得石墨烯润滑膜可以有效的降低表面间的摩擦力。然而，石墨烯片层间较强的π-π键使其易团聚、分层，所以石墨烯在液体润滑剂中的分散性限制了石墨烯进一步发展。液体润滑剂又分为水基润滑剂和油基润滑剂，为了使石墨烯能够稳定的分散在水基润滑剂中，研究人员对石墨烯进行简单的表面功能化后得到石墨烯衍生物。如：氧化石墨烯（GO）、氟化氧化石墨烯（FGO）大大提升了其在水中的稳定性。而在油基润滑剂中通常采用表面分子链接枝修饰石墨烯提高石墨烯在润滑油中的分散性及稳定性。如，在石墨烯表面接枝长链烷烃、将长脂肪链接枝到了褶皱的石墨烯球上，均明显的提高了石墨烯在润滑油中的分散性能以及稳定性。

氧化石墨烯结构示意图

本实验室通过化学合成的方法对石墨烯进行改性，并在润滑剂中加入有效分散剂，开发了一种提高石墨烯在润滑油中分散稳定性的方法，且石墨烯和分散剂具有显著协同作用。

首先通过石墨粉制备氧化石墨烯(GO)，在氧化石墨烯的基础上进行化学改性得到一种存在长烷基链的石墨烯(MG)。制备氧化石墨烯(GO)及改性石墨烯(MG)的二维尺寸为2-5 μm，厚度分别为2.6和3.1 nm。改性石墨烯的FTIR光谱中，在2914和2846 cm-1处可以观察到C-H的典型峰，在1457和1368 cm-1处出现的峰代表CH3，在710 cm-1处是(CH2)n的典型峰，这些结果证实了石墨烯上存在长烷基链。

氧化石墨烯及改性石墨烯AFM及FTIR光谱图

在基础油（PAO6）中分别添加改性石墨烯、改性石墨烯/分散剂通过机械搅拌加超声处理的方法使之稳定分散，结果表明改性石墨烯和改性石墨烯/分散剂在PAO6中的稳定分散时间分别为30天和120天。

改性石墨烯及改性石墨烯/分散剂稳定性

当PAO6中改性石墨烯添加量为0.5 wt%时，最低摩擦系数约为0.12，与纯PAO6（约0.18）相比，产生约33.3%的降低。添加改性石墨烯/分散剂的PAO6的摩擦系数约为0.10，比添加改性石墨烯（~0.12）的PAO6的摩擦系数低16.7%。这些结果表明，分散在PAO6中的改性石墨烯具有优异的减摩性能。

润滑油及加入添加剂后摩擦系数变化图

含改性石墨烯的PAO6和含改性石墨烯/分散剂的PAO6的磨损深度分别为47 nm和21 nm，分别比纯PAO6（221 nm）低79%和90%。在PAO6中使用改性石墨烯和改性石墨烯/分散剂可以防止滑动过程中摩擦表面的严重磨损。

摩擦表面形貌图

添加分散剂的改性石墨烯还可以改善商品油的摩擦学性能。10W-40油中添加改性石墨烯/分散剂后摩擦系数约为0.10，比纯10W-40油的摩擦系数低9.1%。含改性石墨烯/分散剂的10W-40油的磨损痕迹深度约为39 nm比纯10W-40油低32.8%。

10W-40加入添加剂前后摩擦学数据

本实验室制备的改性石墨烯在具备良好油溶性及分散稳定性的同时，能够表现出优异的减摩抗磨性能，并且在改性石墨烯方面具备成熟的合成工艺。

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