石墨烯材料摩擦磨損特性分析

王剛(北京石墨烯技術研究院有限公司，北京 100094)

0 引言

石墨烯材料因其有著較為顯著的應用優勢，故而值得予以深入研究。我國曾在2019年6月6日研發成功單層氧化石墨烯，從而獲得國際專業認證。要想確保石墨烯材料能在工業以及醫藥等重要領域中發揮出真正效用，應對影響石墨烯材料摩擦磨損特性的重大影響因素加以討論，這樣才能促使石墨烯材料能夠逐漸成為高性能、優質的納米材料。

1 石墨烯材料的物化特征

1.1 物理性質

石墨烯材料相比其它納米材料強度度更大且質地輕薄，并且它僅能吸收光源的2.3%，從而呈現出透明狀態。基于石墨烯材料特性，也常將其應用于光板、觸屏等產品制作中。

石墨烯材料的物理性質主要包括以下三點：

其一，力學特性。石墨烯材料韌性較好且易于彎折，拉伸強度可達到130000MPa。雖然薄片材質的石墨烯因其具備多孔特征，而有著很大的脆性，但氧化后卻能增強其堅韌性，由此可根據不同產品制造需求對石墨烯材料進行處理。

其二，光學特性，石墨烯材料光學性良好。通常情況下，石墨烯材料對于光源的吸收率偏低。所以，它常被當成是激光器的最佳制作原料。

其三，溶解性與熔點。石墨烯材料若形成溶劑將具備較強的溶解性，并且能在水油融合中保持穩定。而石墨烯材料的熔點經過研究基本上確定為4726.85℃，這表明石墨烯材料耐溫性較強，能在超高溫狀態下保持性能良好，這樣才能適應于更多生產行業。

1.2 化學性質

石墨烯材料本身化學性質與石墨材料有著相似之處。石墨烯內部分子連接規律導致自身擁有突出的導電性，但若在后期與氫氧離子相結合會削弱其導電性。

常見的石墨烯化合物有氧化石墨烯、石墨烷等。所謂的氧化石墨烯是經過氧化反應后而導致石墨烯材料中形成大量烴基等含氧化學分子。而石墨烷的生成則是石墨烯材料在氫氣反應下產生的一種碳氫化合物。同時，石墨烯還有著較強的生物相容性，在石墨烯與羧基反應下，石墨烯的活性更高，能夠在生物材料制作中發揮出重要作用，而且它在被摻雜后也會重調化學特性。另外，石墨烯材料本身能與活潑金屬會發生劇烈的氧化反應，在將其置于空氣中時也會呈現出一定的還原性。事實上，石墨烯材料還具備芳香烴特征，在反應過程中較為平緩。

2 石墨烯材料摩擦磨損試驗方法

2.1 定速動載測試法

在針對石墨烯材料的摩擦磨損特性開展試驗活動時可借助定速動載測試法判斷石墨烯材料摩擦與磨損特性是否符合產品制作要求，以便擴大石墨烯材料的應用范圍。通常情況下，定速動載測試法往往需要借助測試儀對待測樣品的摩擦磨損參數進行檢測，由此找到最根本的依據。一般可將石墨烯材料摩擦磨損試驗條件設置為轉速為200r/min，并且按照5mm轉動范圍對石墨烯材料性能加以分析。同時，還要求應用定速動載測試法時將載荷保持在10N左右，這樣可增加檢測結果的準確性，在這期間還需注意空氣相對濕度與空氣摩擦阻力的干擾，濕度不宜超出50%，否則將造成石墨烯材料無法獲得可靠的摩擦磨損特性檢驗結果[1]。

2.2 激光共聚焦測試法

激光共聚焦測試法是利用顯微鏡對石墨烯材料的磨損處橫截面進行分析，進而全面掌握石墨烯材料的摩擦磨損系數。其中磨損度的計算關系式如下：

磨損度=磨損體積/(摩擦距離×加載載荷)

從上述公式中可得知石墨烯材料的磨損度，由此判斷是否滿足具體使用要求。只有當石墨烯材料摩擦磨損特性在檢測過程中能夠產生可信度更高的試驗結果，才能為后續石墨烯材料的合理化應用提供重要助力。

2.3 化學氧化還原法

化學氧化還原法是將石墨烯材料置于化學溶劑中，經過化學反應的不同呈現效果得知摩擦磨損特性。比如可利用高錳酸鉀溶液與硝酸鈉、濃硫酸相互反應，待一段時間后，可在水溶劑中出現升溫現象，直到遇到雙氧水，可直接生成還原石墨烯，之后再依據超聲機設備對其進行干燥處理，這樣可制成粉末狀石墨烯材料，從化學實驗中對石墨烯性能進行確定。

3 石墨烯材料摩擦磨損特性分析結果

3.1 濃度對摩擦磨損特性的影響

石墨烯作為一種具備優質摩擦磨損性能的納米材料，它在眾多領域都有著廣泛的應用空間。同時，在許多復合型材料制作中也常借助石墨烯材料自身摩擦優勢增強材料整體摩擦性。對此，石墨烯材料在其應用期間也會因自身濃度不同而造成復合材料性能有所改變。

例如針對含銅復合材料而言，在投放的石墨烯含量增加時，復合材料本身的摩擦穩定性將降低，這是源于石墨烯在與銅發生反應后形成潤滑膜，由此降低了復合材料的摩擦性。同時，在含銅復合材料處在4N載荷下，待90s后，它的摩擦系數將由0.3升到0.95。然而，隨著石墨烯濃度的增加，含銅復合材料的摩擦性將保持穩定狀態，尤其在濃度較大的情況下，還會起到反向作用。例如從相關實驗數據中可知：當石墨烯重量濃度上調2%時，復合材料的摩擦系數將為0.2，且后續繼續增加石墨烯濃度，整體也不會發生較大的變化。因此，在復合材料中投放石墨烯材料時應避免選用切片形式，這樣將不利于強化材料的摩擦性。不同的形狀也會造成石墨烯材料體現出來的摩擦磨損優勢有所差異[2]。另外，若針對涂層添加石墨烯材料，可發現，在不同濃度的石墨烯中，涂層摩擦性也會出現區別。例如在0.2g/l濃度環境下，涂層摩擦系數照比以往將下降3%，而在濃度增加兩倍時，涂層摩擦系數將降低12%，這也代表石墨烯濃度在升高時會導致材料表面因潤滑膜的出現而呈現摩擦磨損性下降的現象，這對于涂層而言屬于正面影響。

3.2 硬度對摩擦磨損特性的影響

石墨烯硬度也會影響它在材料中的摩擦磨損性能。雖然石墨烯材料相比之下屬于高強度材料，但并不代表它也具有較強的硬度。但在其硬度變大的情況下，所展現出的摩擦磨損性能也會增加。

具體可開展以下實驗內容：先行選取五組相同待測樣品，然后對其不同部位的硬度進行測量，通過壓痕直徑大小確定硬度變化值。例如在2%重量濃度下向含銅復合材料中添加石墨烯材料，它能夠促使復合材料的硬度達到57.7左右，相比純銅材質的材料硬度可增加39%。但由于石墨烯材料本身具有納米效應，在它與其它材料相互混合時會形成團聚反應，最終破壞摩擦磨損特性。所以，應當根據石墨烯與材料之間的反應程度確定石墨烯硬度對于摩擦磨損特性的影響[3]。

此外，還可對其磨損表面實施細致分析。例如在石墨烯材料性能有所改變的情況下，可檢測出其磨損直徑將有所下降。對此，可對石墨烯材料的顆粒性能加以強化，使其能夠形成較為穩定的吸附力，這樣可促使石墨烯材料表面生成沉積膜物質，以便緩解強度，致使石墨烯材料表面出現滑動，這樣能夠讓石墨烯材料中的顆粒物質發揮出更強的摩擦性。

3.3 分形維數對摩擦磨損特性的影響

基于分形維數也可知曉石墨烯材料可對含硅鋁成分的復合材料起到強化摩擦磨損特性的作用。

一般而言，在分形維數增大時，材料自身的摩擦性就會下降，而耐磨損性則會升高。因此，分形維數也是影響石墨烯材料摩擦磨損特性的重要因素。以含硅鋁成分的復合材料為主，對其展開討論。具體步驟如下：

其一，制備樣品，在測試石墨烯材料展現的摩擦磨損性能優勢時，需要先行制取樣品。首先應將復合材料中的硅鋁粒徑控制在20μm，然后分別將硅鋁粉末狀物質、2.5nm厚度的石墨烯材料、鎂粉等量放于磨砂罐中，待充分混合后對其進行加熱與冷卻處理，一般加熱溫度不宜高于200℃，之后可借助顯微鏡對材料細微組織進行檢測。

其二，性能測試，在實施摩擦磨損檢測時需將三種不同材料制成切片，尺寸可為40×15×14mm，這樣可提高檢測結果的準確性，而且還可直接了解到材料磨痕形態，便于得出摩擦磨損特性檢測結果。

其三，結論總結，當完成實驗后需對整個實驗過程中石墨烯材料所展現的摩擦磨損特性優勢進行分析總結，這樣才能知曉可在復合材料中根據分形維數結果添加石墨烯材料，由此增強復合材料性能。一般在石墨烯材料濃度為0.8%時，分形維數可達到1.944，此時石墨烯在復合材料中的硅顆粒彌散性較強，隨著含量逐漸增加，復合材料的摩擦磨損性能也會增強。因此，石墨烯材料的確具有增強復合材料摩擦磨損性能的效果[4]。

3.4 潤滑機理對摩擦磨損特性的影響

石墨烯材料作為一類不親油不親水類物質，若將其應用于分散劑的制作過程中，能夠發揮出較強的摩擦性，促使分散劑保持良好的穩定性。在運用石墨烯材料制取分散劑時，為了避免石墨烯出現團聚反應，需對石墨烯特性加以改良。比如可將油酸、硬脂酸按照5:3的比例添加到超聲機中，待30min攪拌均勻后，可在80ml潤滑油中添加0.1g石墨烯材料，之后再按照加熱處理，在80℃環境下加入改性劑，這樣可保證制取石墨烯分散液時不會因團聚反應而發生性能下降問題。

同時，在石墨烯分散液中，它還存在潤滑機理特征。比如在分散液制取階段，可在石墨烯表面形成一層納米薄膜，其薄膜具有較強的潤滑性，由此造成石墨烯層間結構出現移動現象，由此與其它金屬元素可以產生相互摩擦作用，最終能夠保證石墨烯材料因潤滑機理的原因而導致分散液降低摩擦磨損性。基于此，石墨烯材料作為一種有著突出摩擦磨損特性的材料，若想依靠它的性能增強復合材料以及分散液的實用性，應根據石墨烯材料所發揮的不同作用確定它的含量、濃度、分形維數等，促使石墨烯材料依據自身較強的摩擦磨損特性在各個領域擴大推廣范圍。

4 結語

綜上所述，石墨烯材料的摩擦與磨損特性直接影響著材料實用價值。所以，從多個角度對其摩擦磨損特性加以強化很有必要。同時，由于在濃度、硬度、分形維數、潤滑機理等方面都對其摩擦磨損特性有著重大影響。故而應采取有效措施促使石墨烯材料能夠保持性能良好，從而在制備石墨烯過程中選取適合的參數，以便石墨烯材料能展現出更強的摩擦磨損性。