石墨烯添加劑對潤滑油基礎(chǔ)油摩擦學(xué)性能的影響

張世堂，王 昆，胡澤祥

(中國人民解放軍92228部隊(duì)，北京 100072)

根據(jù)國際摩擦學(xué)會的統(tǒng)計(jì)，摩擦和磨損消耗了50%以上的一次能源，是造成材料和機(jī)械設(shè)備失效的主要因素之一。低摩擦、低磨損、長壽命是摩擦學(xué)研究的目標(biāo)[1-4]。為了降低摩擦磨損，使用潤滑材料是最有效的減摩措施之一，其中潤滑油的使用最為廣泛。在實(shí)際應(yīng)用中為了提高潤滑油的潤滑性能，通常需要在潤滑油基礎(chǔ)油中加入各種潤滑油添加劑起到抗磨減摩的作用[5]。石墨烯(Graphene)是一種新型材料，是碳的同素異形體中的一種，它是由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面材料，屬于二維晶體材料[6-10]。石墨烯由于具有獨(dú)特的力學(xué)性能、光學(xué)性能、熱性能、電子效應(yīng)和生物相容性，在新能源、航空航天、海洋防腐等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛[11-12]。近年來石墨烯作為耐磨潤滑材料已經(jīng)開始實(shí)際應(yīng)用[13-15]。美國研究人員發(fā)現(xiàn)，將石墨烯吸附在鋼材的表面可以大幅降低鋼材的摩擦磨損，還可以防止鋼材表面生銹[16]。石墨烯經(jīng)過各種表面改性處理或添加分散穩(wěn)定劑后可能是一種理想的潤滑油添加劑[17-21]。另外，石墨烯還可以直接涂覆吸附到機(jī)械設(shè)備的磨損處起到修復(fù)作用，降低損耗，延長使用壽命，而且更加環(huán)保節(jié)能[22]。石墨烯作為一種新興材料，因具有特殊的結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)異的性能使其有可能在許多領(lǐng)域取得重大的應(yīng)用價值。本研究采用靜置沉降法研究石墨烯添加劑的分散性以及儲存穩(wěn)定性，使用四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)考察石墨烯的抗磨減摩性能，通過掃描電子顯微鏡等手段表征磨損表面的形貌。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

選取國內(nèi)4個廠家生產(chǎn)的石墨烯產(chǎn)品為添加劑，石墨烯外觀均為黑色粉末，編號為1～4；分散劑雙烯基丁二酰亞胺(T152)，濟(jì)南魯盈化工有限公司生產(chǎn)；高分子無灰分散劑(T161)，錦州惠發(fā)天合化學(xué)有限公司生產(chǎn)。

評價石墨烯添加劑性能所用基礎(chǔ)油為聚α-烯烴(PAO10)，黏度指數(shù)為138，運(yùn)動黏度(100 ℃)為10.0 mm2s，埃克森美孚化學(xué)公司產(chǎn)品；在PAO10基礎(chǔ)油中分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的1～4號石墨烯添加劑和5%的分散劑，得到的油樣編號為S1～S4。

1.2 儲存穩(wěn)定性試驗(yàn)

采用靜置沉降法(儲存穩(wěn)定性試驗(yàn))考察石墨烯添加劑在基礎(chǔ)油中的分散性和穩(wěn)定性。在基礎(chǔ)油PAO10中加入添加劑進(jìn)行超聲分散以及機(jī)械攪拌分散，石墨烯均勻懸浮分散在基礎(chǔ)油中，在室溫下靜置30天后觀察其沉降情況。

1.3 摩擦學(xué)性能試驗(yàn)

采用濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的MQ-12-EP型四球摩擦試驗(yàn)機(jī)按照GB 3142—1982方法測試最大無卡咬負(fù)荷(PB)和燒結(jié)負(fù)荷(PD)；采用MM-W1A型四球試驗(yàn)機(jī)測試油品的減摩抗磨性能，試驗(yàn)條件為：轉(zhuǎn)速1 200 rmin，溫度75 ℃，長磨時間60 min，載荷392 N；用讀數(shù)顯微鏡(精度為0.01 mm)測量3個下試球的磨斑直徑，取平均值，2次試驗(yàn)?zāi)グ咧睆秸`差不超過5%。試驗(yàn)用鋼球?yàn)樯虾ｄ撉驈S生產(chǎn)的二級GCr15 標(biāo)準(zhǔn)鋼球(AISI-52100)，試驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)以及摩擦過程中溫度變化數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動記錄，每2 s 讀取1次，最后取平均值。

1.4 磨痕形貌表征

摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)束后，將上試球和下試球浸入石油醚中超聲清洗2次，每次5 min，然后用油紙干燥后備用。用蔡司Zeiss Ultra 55場發(fā)射掃描電鏡對摩擦磨損后的磨痕形貌進(jìn)行觀察分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 分散性以及儲存穩(wěn)定性

石墨烯添加劑在PAO10中的儲存穩(wěn)定性見表1和圖1。從表1和圖1可以看出：①S1號和S2號油樣靜置30天后有極少量沉淀，說明1號和2號石墨烯添加劑在PAO10中分散性和儲存穩(wěn)定性較好；②S3號油樣靜置后沉淀量較大，說明3號石墨烯添加劑在PAO10中的分散性和穩(wěn)定性較差。將4號石墨烯添加劑添加到PAO10中后，很快發(fā)生沉降，生成大量的沉淀，因此，以1～3號石墨烯進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)。

圖1 石墨烯添加劑在基礎(chǔ)油中的沉降情況

3種石墨烯的掃描電鏡照片見圖2。從圖2可以看出，3種石墨烯均為薄片狀結(jié)構(gòu)，1號和2號石墨烯的團(tuán)聚情況要好于3號，對應(yīng)地在基礎(chǔ)油中的分散穩(wěn)定性也優(yōu)于3號石墨烯。因此，可以認(rèn)為石墨烯團(tuán)聚行為是影響石墨烯添加劑在基礎(chǔ)油中均勻分散和穩(wěn)定的主要因素。

圖2 3種石墨烯的掃描電鏡照片

2.2 極壓性能

在四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對油樣進(jìn)行極壓性能測試，結(jié)果見表2。由表2可以看出，基礎(chǔ)油PAO10的PB、PD分別為509.9 N和1 235.6 N，而加入1號和2號石墨烯添加劑后，油樣S1、S2的PB、PD沒有變化，油樣S3的PB略有增大，原因可能是3號石墨烯添加劑在試驗(yàn)過程中因團(tuán)聚沉積到鋼球表面而增加了抗卡咬能力。可見，石墨烯的加入對PAO10基礎(chǔ)油的PB和PD影響較小，對基礎(chǔ)油的承載能力改善不大。

表2 石墨烯在PAO10中的極壓性能

2.3 減摩性能

幾種油樣試驗(yàn)的摩擦因數(shù)見圖3。從圖3可以看出，在75 ℃、轉(zhuǎn)速1 200 rmin、載荷392 N的條件下，相對于基礎(chǔ)油PAO10，含石墨烯油樣試驗(yàn)的摩擦因數(shù)明顯減小，S1～ S3號油樣相對于基礎(chǔ)油PAO10試驗(yàn)的摩擦因數(shù)分別降低13%，10%，3%，說明石墨烯的加入可以提高基礎(chǔ)油PAO10的減摩性能。

圖3 幾種油樣試驗(yàn)的摩擦因數(shù)

2.4 抗磨性能

幾種油樣試驗(yàn)鋼球的磨斑直徑見圖4。從圖4可以看出，經(jīng)長磨試驗(yàn)后鋼球磨斑直徑的變化規(guī)律與摩擦因數(shù)相同，在75 ℃、轉(zhuǎn)速1 200 rmin、載荷392 N的測試條件下，相對于基礎(chǔ)油PAO10，含石墨烯油樣試驗(yàn)的鋼球磨斑直徑明顯減小，S1～ S3號油樣相比于基礎(chǔ)油PAO10的試驗(yàn)鋼球磨斑直徑分別降低17%，13%，5%，說明石墨烯的加入可以減輕磨損，提高基礎(chǔ)油PAO10的抗磨性能。這主要是由于石墨烯可在磨痕表面形成物理減摩層，阻止摩擦副間的直接接觸；同時石墨烯、基礎(chǔ)油與磨損表面可能發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，生成含石墨烯的摩擦化學(xué)反應(yīng)膜；吸附減摩層與摩擦化學(xué)反應(yīng)膜共同作用，使得摩擦磨損降低[23]。

圖4 幾種油樣試驗(yàn)鋼球的磨斑直徑

2.5 磨斑表面分析

幾種油樣試驗(yàn)鋼球的磨斑表面形貌照片見圖5。從圖5可以看出：4個油樣試驗(yàn)鋼球的磨斑表面磨痕均以犁溝為主，說明磨損機(jī)理主要為磨粒磨損；經(jīng)純基礎(chǔ)油PAO10潤滑的鋼球磨斑表面犁溝較深，與之相比，相同試驗(yàn)條件下S1～S3號油樣潤滑下的摩擦表面雖然也有犁溝現(xiàn)象，但較光滑平整，尤其是S1號和S2號油樣潤滑下的摩擦表面更為光滑，磨損更加輕微，這與摩擦因數(shù)和鋼球磨斑直徑結(jié)果相一致。

在摩擦過程中，純基礎(chǔ)油會與鋼球摩擦表面形成物理吸附膜，提供流體潤滑，隨著摩擦?xí)r間延長以及物理吸附膜的破裂，逐漸由流體潤滑轉(zhuǎn)變?yōu)檫吔鐫櫥撉虻哪Σ帘砻嬷苯咏佑|，導(dǎo)致較深的犁溝現(xiàn)象[24]。含有石墨烯添加劑的油樣，在高速剪切作用下，油樣中的石墨烯添加劑可產(chǎn)生修復(fù)作用，降低了磨損處的表面粗糙度。同時，由于石墨烯屬于二維平面晶體材料，比表面積大，易于沉積吸附到磨損表面形成轉(zhuǎn)移膜，起到了減小摩擦副間摩擦因數(shù)的作用。Li Suzhi等[25]研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯等二維材料具有超薄的幾何特性和超大的柔性，在摩擦界面上能夠通過改變自身構(gòu)型影響接觸界面的釘扎狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)上下表面原子間的局部釘扎強(qiáng)度和整個界面咬合作用的協(xié)同性，進(jìn)而可從界面的“質(zhì)”而不僅是“量”上調(diào)控其摩擦性能。隨著摩擦繼續(xù)進(jìn)行，摩擦副表面產(chǎn)生局部高溫，沉積在摩擦表面的石墨烯與表面基材發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，生成化學(xué)吸附膜與反應(yīng)膜，防止了鋼球表面的直接接觸。以上機(jī)制協(xié)同作用，使得含有石墨烯添加劑的油品具有良好的減摩抗磨性能。

圖5 幾種油樣試驗(yàn)鋼球的磨斑表面形貌照片

3 結(jié) 論

(1)石墨烯添加劑對基礎(chǔ)油PAO10的PB和PD影響較小，對基礎(chǔ)油的承載能力改善不大。

(2)石墨烯可以降低基礎(chǔ)油PAO10摩擦試驗(yàn)的摩擦因數(shù)和鋼球的磨斑直徑，相同摩擦測試條件下摩擦因數(shù)可降低13%，磨斑直徑可降低17%，明顯提高基礎(chǔ)油的減摩抗磨性能。

(3)基礎(chǔ)油PAO10和含有石墨烯添加劑的油品的磨損機(jī)理主要是磨粒磨損。