石墨烯作為水基添加劑在電場條件下的摩擦性能研究

毛乃堯 周銘

摘要：石墨烯物理性能出眾，在潤滑領域具有巨大潛力。鑒于傳統油基潤滑劑面臨的資源耗竭和環境污染問題，人們致力于找到一種既環保又經濟的潤滑解決方案，因此研究了在電場作用下的石墨烯水基潤滑體系摩擦學性能，通過對電場參數的精準調節，證明了電場強度對潤滑性能調控的可行性。這不僅為變速器等技術進步提供了理論支持，也有助于推動高效、環保潤滑系統的設計和優化。

關鍵詞：石墨烯;水基潤滑;電控摩擦

中圖分類號：TH140.7? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）11-0049-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.11.012

0? ? 引言

摩擦現象在人類的生產和生活中無處不在，它既帶來了便利，也會導致能量損耗和機械部件的失效。在現代工業生產中，摩擦造成的能量損耗高達33%，而機械故障中有80%是由摩擦引起的[1]。傳統的解決方案依賴于油基潤滑劑，這些潤滑劑來源于不可再生的礦石材料，隨之帶來的是成本的上升和環境污染問題的加劇。因此，尋找一種經濟且環保的潤滑方式成為迫切的需求。在這種背景下，水基潤滑因其環境友好性而受到了廣泛關注。然而，水基潤滑系統存在一定的局限性，例如它們通常不能承受較高的載荷且潤滑性能一般。為了解決這些問題，研究者提出了多種策略，其中向水中添加納米微粒被普遍認為是一種有效的方法[2-5]。

石墨烯作為近年來被廣泛報道的二維材料[6]，因其出色的力學、熱學和電學性能，被認為能夠顯著改善潤滑系統的性能，在油基潤滑系統中，石墨烯已經證明了其優異的潤滑效果。值得注意的是，在水基溶液中添加石墨烯也能起到顯著的潤滑效果，這為提高水基潤滑系統的性能提供了新的思路[7-8]。

電控摩擦是一種利用電場來調控摩擦性質的技術，展現了在改善摩擦和提高機械性能方面的巨大潛力。C. Drummond通過應用交變電場來調整聚電解質涂層的局部分子構象，從而實現對整體摩擦的精確、主動控制[9]。蔣洪軍、孟永鋼等研究了邊界潤滑條件下外電場對Al2O3/黃銅、Al2O3/不銹鋼和Al2O3/碳鋼摩擦副摩擦行為的影響，發現外部電場對各摩擦偶的摩擦系數有較大影響[10]。外加電場可以控制液體中納米顆粒從而影響摩擦，電場可以誘導碳納米管在聚合物復合材料中的排列與分散[11]，因此，考慮到石墨烯在水基潤滑系統中的應用潛力，以及電控摩擦技術在調控摩擦性質方面的優勢，本文研究在帶電條件下石墨烯水基潤滑系統的摩擦學性質，不僅能夠為理解石墨烯的潤滑機制提供新的視角，也能為實現更高效、環保的潤滑系統開辟新的路徑。

1? ? 材料制備

制備石墨烯的水基分散液，首先需要解決石墨烯納米片在水中傾向于相互團聚的問題。為實現石墨烯的穩定分散，向純水中添加了分散劑。這種分散劑能夠通過滲透石墨烯層間，形成分子間作用力，有效克服引起團聚的范德華力，從而使得石墨烯能夠良好分散。選用的分散劑材料為陰離子分散劑：十二烷基磺酸鈉（SLS）。

將經過24 h干燥處理的石墨烯與十二烷基磺酸鈉分散劑加入到100 mL的純水中，接著在60 ℃溫度下使用四聯磁力攪拌器攪拌2 h，以確保分散體系混合均勻，最后將混合分散體系在超聲中剝離1 h，以進一步促進石墨烯分散。在總的分散體系中，石墨烯的質量占總體系質量的0.2wt%，分散劑的質量分數為總體系質量分數的0.5wt%。

2? ? 實驗過程

使用改裝過的往復式多功能摩擦磨損試驗機（Bruker UMT-TriboLab），如圖1所示，檢測在帶電界面石墨烯水基溶液的摩擦性能。它由一個直徑為9.525 mm的精密軸承鋼球和一個由鋼板制成的往復盤組成。鋼板（GCr15）的硬度為HRC50，尺寸規格為40 mm×30 mm×5 mm，鋼板的表面經過機械拋光以消除表面粗糙度的潛在影響，在鋼板表面附一層0.05 mm厚度的聚四氟乙烯（PTFE）薄膜。使用精密程控電源來為潤滑劑施加電場（EF），直流（DC）電源的一個極與鋼球一端連接，另一個極固定在鋼板上。同時在電路中并聯布置一個高精度電流電壓表，以確保在整個測試過程中沒有電流通過摩擦對。實驗采用了0～15 V的外部電壓來調節界面電場強度（E0）。摩擦試驗在2 Hz的往復頻率和3 mm的行程下進行，施加到接觸點的法向載荷為5 N。在測試前對石墨烯的水基溶液進行溫度測量，以確保在25 ℃條件下。每次實驗取10 μL溶液進行測試。

3? ? 實驗結果

在實驗開始前，對石墨烯水基溶液及其與十二烷基磺酸鈉（SLS）的水基溶液進行了zeta電位和電導率的測定。結果（圖2）表明，含SLS的石墨烯水基溶液在zeta電位的絕對值和電導率方面均顯著高于純石墨烯水基溶液。特別是，含SLS溶液石墨烯水基溶液的zeta電位絕對值超過30 mV，高zeta電位的絕對值表明了強烈的顆粒間電荷排斥作用，從而預示著較高的懸浮穩定性，證明了SLS作為分散劑對于石墨烯的優異分散效果。

在石墨烯水基潤滑劑的實驗中，施加了15 V的電壓，結果顯示施加電壓后的摩擦系數初始為高于未施加電壓的情況，但隨摩擦進行而下降（圖3）。實驗進行20 min后，對測試潤滑劑進行觀察，發現石墨烯在水中有明顯團聚現象。此外，當提高石墨烯在溶液中的質量分數時，雖然摩擦系數對電場的響應速度加快，但摩擦系數的降低并不顯著。

在石墨烯與分散劑十二烷基磺酸鈉（SLS）的實驗中，加載0～15 V電壓，當加載10 V電壓時，摩擦系數開始迅速上升，隨后穩定在一定范圍內，進一步將電壓增加到15 V時，摩擦系數的上升趨勢變得更加明顯（圖4）。

4? ? 討論

對于石墨烯水基潤滑劑，在未施加電場的情況下，隨著摩擦過程的進行，摩擦系數會因水中石墨烯的逐漸團聚和沉降而緩慢增加。施加電場后，石墨烯與水分子之間的相互作用受到電場的影響，導致它們在摩擦表面上定向排列，在初始狀態摩擦系數會上升，隨后下降并低于未加電時的摩擦系數。隨著電場強度在一定范圍內的增加，這種影響變得更加顯著[12]。增加水中石墨烯的質量分數會進一步影響其在水中的團聚效應。所以，相比而言，外加電場時石墨烯水基潤滑劑雖然初始摩擦系數高于未加電情況，但隨著摩擦的進行，摩擦系數會逐漸降低。

在石墨烯與分散劑的水基潤滑劑中，陰離子分散劑SLS分子的疏水尾部傾向于通過范德華力吸附到石墨烯表面，而親水基團（帶負電）則朝向溶液，減少了石墨烯片之間的直接接觸，降低了石墨烯的團聚。在SLS分子吸附到石墨烯表面后，形成了緊密附著在石墨烯表面的固定電荷層，這層固定電荷吸引著溶液中的正離子，在摩擦副表面形成雙電層。當施加電場時，電場的方向和強度會影響雙電層的分布和性質，引起雙電層內電荷重新分布，此外，分散劑和石墨烯之間的結合也會受到電場的影響，從而導致整個潤滑劑的摩擦系數增加。

5? ? 結論

石墨烯作為水基潤滑添加劑，受電場作用在摩擦副的表面定向排列，隨著摩擦的進行，摩擦系數會緩慢下降。當石墨烯與分散劑結合時會受到電場作用使得摩擦系數顯著增大。同時，對其施加更高電場時，摩擦系數的響應也會變快。本文探究了外加電場作用下石墨烯水基潤滑劑與石墨烯添加分散劑的水基潤滑劑相關的摩擦學性質，為在宏觀層面精準調節水基潤滑劑摩擦系數提供了參考。

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收稿日期：2024-03-07

作者簡介：毛乃堯（1998—），男，山東人，碩士研究生，研究方向：石墨烯界面吸附機理與應用。

通信作者：周銘（1985—），女，廣西人，教授，主要從事二維新材料的界面科學及技術和摩擦學方面的研究工作。

基金項目：廣西自然科學基金-杰出青年科學基金項目“基于二維新材料的機械載流摩擦表/界面行為調控與機理研究”（2022GXNSFFA035036）