減少摩擦引起的能源損耗和材料損失， 是當(dāng)今的重要挑戰(zhàn)之一。控制摩擦磨損最傳統(tǒng)的方法是在接觸表面采用固體或者液體潤滑劑， 但是尋找一種高效潤滑、環(huán)境友好和價格低廉的潤滑劑比較困難。作為一種新興材料， 石墨烯具有高的比表面積、突出的導(dǎo)熱、力學(xué)性能和非凡的電子傳遞性能等一系列優(yōu)異的特性， 引起了科技工作者的極大興趣。石墨烯在溶液中極易團聚而難以形成穩(wěn)定的分散液， 使其在潤滑領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。Varrla等用超聲分散法將石墨烯均勻的分散在基礎(chǔ)油中以考察其摩擦學(xué)性能， 發(fā)現(xiàn)當(dāng)石墨烯濃度為0.025 mg/mL時摩擦系數(shù)下降了80%, 磨痕直徑減小33%。Lin等用硬脂酸（C18H36O2）和油酸（C18H34O2）對石墨烯進行表面改性， 阻止石墨烯的團聚和沉淀現(xiàn)象以使其均勻分散在基礎(chǔ)潤滑油中。結(jié)果表明， 當(dāng)石墨烯添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)（下同）為0.075%時表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。張偉等用N-甲基吡咯烷酮（ N-methyl-2-pyrrolidone, NMP）與石油醚清洗增強石墨烯的親油性， 以聚異丁烯丁二酰亞胺為分散劑制備了0.001%和0.005%的石墨烯穩(wěn)定懸浮液， 發(fā)現(xiàn)含有石墨烯的潤滑油表現(xiàn)出良好的減摩性能。近年來的研究結(jié)果表明, 表面織構(gòu)化可改善兩接觸表面的摩擦學(xué)性能， 因為表面織構(gòu)有利于產(chǎn)生流體動壓潤滑、儲存潤滑油和容納磨屑。本文以石墨烯作為潤滑油添加劑研究其在不同溫度和不同織構(gòu)面積率工況下的摩擦學(xué)特性， 并分析其作用機理。

1 實驗方法

實驗材料： 石墨烯和青銅材料。石墨烯的牌號為MX-AL; 下試樣青銅材料的牌號為633（%, 6.1Sn, 6.5Zn, 2.1Pb, bal-Cu, 質(zhì)量分?jǐn)?shù)）， 尺寸為25 mm×12 mm×6 mm, 通過激光刻蝕制備。采用脈沖Nd: YAG激光器加工系統(tǒng)， 波長1064 nm, 平均功率10 W, 脈寬5~25 ns; 加工參數(shù)脈沖10 kHz, 掃描速率5 mm/s, 改變微凹坑平面間隔（X、Y）來獲得不同的面積率， 制備了3種不同面積率的織構(gòu)， 分別記做1#、2#、3#, 對應(yīng)面積率5%、10%、20%, 原始表面記為0#, 表面織構(gòu)的特征參數(shù)列于表1。

摩擦磨損試驗在UMT-2多功能摩擦磨損試驗機上進行， 采用球面摩擦方式。上試樣GCr15鋼球的直徑為9.5 mm, 長度為25 mm, 下試樣青銅的尺寸為25 mm×12 mm×6 mm。有4種不同面積率的織構(gòu)表面0（原始表面）， 5%, 10%, 20%。下試樣固定在裝有潤滑油的槽中， 槽下方安裝有加熱裝置， 可以實現(xiàn)不同溫度。試驗分別采用PAO4潤滑油作為基礎(chǔ)油和添加0.01%石墨烯的PAO4潤滑油作為潤滑油。具體實驗參數(shù)如下： 法向載荷Fn為5 N, 滑動距離8 mm, 滑動速率5 mm/s, 實驗時間6000 s, 實驗溫度分別為25℃（室溫）、60℃、100℃、150℃。

摩擦磨損試驗結(jié)束后， 分別清洗上下試樣并充分干燥， 用Olympus BX60M光學(xué)顯微鏡（OM）觀察對摩球冠和平面試樣的磨痕表面形貌； 用NanoMap-D二維輪廓儀掃描磨痕二維輪廓， 并計算出青銅試樣的磨損率； 用JOEL JSM-6610LV掃描電子顯微鏡（SEM）觀察磨痕的形貌， 并用Oxford X-MAX50 INCA-250 EDS測試其表面元素成分， 分析其摩擦化學(xué)反應(yīng)機制。

2 結(jié)果和討論

2.1 石墨烯在潤滑油中分散性能

石墨烯呈片狀結(jié)構(gòu)， 表面有褶皺起伏和疊加。為了降低表面能， 單層石墨烯由二維向三維形貌轉(zhuǎn)換， 褶皺是二維石墨烯存在的必要條件。結(jié)構(gòu)完整的石墨烯化學(xué)穩(wěn)定性好， 不易與其它介質(zhì)相互作用， 且層間存在很大的范德華力， 在許多常見的溶液中易發(fā)生團聚， 不易形成穩(wěn)定的分散液。提高石墨烯在基礎(chǔ)潤滑油中的分散性目前主要有兩種方法： ①添加分散劑使石墨烯均勻地分散在基礎(chǔ)油中； ②進行適當(dāng)?shù)谋砻娓男砸栽鰪娛┑挠H油性， 提高石墨烯的分散性。本文以Span-80（SP）為分散劑使石墨烯均勻穩(wěn)定地分散在基礎(chǔ)油中， 具體步驟為： 在PAO4潤滑油中添加0.01%的石墨烯（GP）和1%的Span-80（SP）， 然后用磁力攪拌器攪拌10 min, 最后進行超聲振蕩分散30 min得到穩(wěn)定的石墨烯潤滑油分散液。圖1給出了石墨烯在潤滑油中的分散情況。由于0.01%石墨烯濃度太低不易觀察， 作為對比又配置了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的石墨烯溶液。

由圖1可見， 在靜置3 d后各石墨烯潤滑油液體均發(fā)生部分沉淀， 3、4瓶石墨烯液體濃度太低不易觀察， 2瓶顏色較1瓶偏暗。結(jié)果表明， 添加1%SP石墨烯潤滑油分散性和穩(wěn)定性更好， 1瓶中有部分石墨烯發(fā)生團聚。靜置9 d后各個石墨烯溶液的沉淀更加明顯， 從1瓶中可更為清晰地觀察到石墨烯的團聚現(xiàn)象， 2瓶中石墨烯雖也有沉淀， 但分散均勻， 沒有明顯的團聚。這表明， Span-80能有效地使石墨烯均勻分散在潤滑油中。

2.2 摩擦系數(shù)分析

圖2給出了摩擦系數(shù)曲線。可以看出， 添加0.01%石墨烯后摩擦系數(shù)下降非常顯著。在60℃和100℃改善的效果最為明顯， 可減小摩擦系數(shù)75%; 150℃下在初始階段改善明顯， 隨著摩擦的進行摩擦系數(shù)趨近相同。PAO4潤滑條件下， 在60℃、100℃、150℃摩擦系數(shù)在初始階段會有一個上升期， 隨后開始緩慢下降。其原因是， 在磨損過程初期跑合階段表膜去除和球冠被去除導(dǎo)致形貌變化； 在25℃摩擦系數(shù)比較平穩(wěn)， 因為此時溫度較低， 氧化反應(yīng)平緩， 磨屑較少； 在60℃和100℃摩擦系數(shù)較大， 因為摩擦導(dǎo)致氧化反應(yīng)激烈， 產(chǎn)生較多磨屑； 在150℃摩擦系數(shù)較小， 因為在此溫度下潤滑油已經(jīng)部分分解， 氧化反應(yīng)不激烈， 從而磨屑較少， 摩擦系數(shù)略低。在添加0.01%石墨烯的潤滑油中， 不論在何種溫度何種織構(gòu)條件下， 摩擦系數(shù)變化不大。其原因是， 在試驗過程中石墨烯吸附在摩擦副表面形成了一層保護膜, 隔離了上下試樣的直接接觸， 改變了界面狀況， 使摩擦系數(shù)比較平穩(wěn)。

圖3給出了磨痕的二維輪廓數(shù)據(jù)。可以看出， 添加石墨烯潤滑油的磨痕二維輪廓明顯小于PAO4基礎(chǔ)油的， 例如在室溫添加石墨烯后磨痕的最大深度由3.8 μm降低為2.6 μm, 在60℃磨痕最大深度由14.2 μm降低為2.7 μm。

2.3 磨痕形貌分析

圖4給出了2#試樣60℃工況下的磨痕光鏡照片。從圖4可見， 在PAO4潤滑油下球冠和平面磨痕較大且顏色較深， 在球冠磨痕區(qū)可清晰的劃分為磨痕Ⅰ區(qū)（白色橢圓圈處）和氧化Ⅱ區(qū)（黃色橢圓圈處）； 在添加0.01%石墨烯的潤滑油中球冠和平面磨痕面積明顯減小， 磨痕顏色趨近銅的本體色。對添加石墨烯與未添加石墨烯兩種磨痕表面做掃描電鏡和能譜分析， 結(jié)果如圖5a-b所示。可見在PAO4潤滑油下磨痕存在較明顯的犁溝和黏著磨損， 由于磨痕較深表面微凹坑已被磨平； 添加石墨烯潤滑油的磨痕表面細膩平整， 磨痕較淺， 可以看到微凹坑痕跡（白色橢圓圈處）， 其內(nèi)部被細化的磨屑填實。圖5c-d能譜圖顯示， 在PAO4潤滑油工況下磨痕表面氧含量較高， 說明存在氧化磨損現(xiàn)象； 而添加石墨烯后磨痕的氧含量很低， 說明添加石墨烯可有效阻止界面的摩擦氧化作用發(fā)生。

2.4 織構(gòu)對摩擦磨損的影響

圖6給出了不同面積率織構(gòu)試樣在各個溫度下的穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)。圖6a顯示， 在PAO4基礎(chǔ)油條件下， 相對于未處理表面， 3種織構(gòu)樣品摩擦系數(shù)在60℃、100℃時明顯升高。其原因是， 織構(gòu)改變了表面的粗糙度， 使接觸區(qū)因摩擦而發(fā)生變化， 加上在此溫度下明顯的氧化反應(yīng)， 導(dǎo)致產(chǎn)生較多的磨屑， 使表面微凹坑織構(gòu)因磨損完全破壞， 未能起到有效的減磨性能； 圖6b為潤滑油中添加石墨烯的情況。可以看出， 面積率為20%樣品的摩擦系數(shù)較高， 5%的較低， 0和10%的在兩者之間。這可能是由于在摩擦過程中石墨烯在摩擦副表面形成一層吸附膜， 阻礙氧化反應(yīng)的發(fā)生， 大幅度減少了磨屑產(chǎn)生。而表面織構(gòu)容納磨屑， 起到了減磨的作用。宏觀上， 過多的織構(gòu)相當(dāng)于增大了表面粗糙度， 實驗結(jié)果顯示5%樣品的摩擦系數(shù)最低。試驗后對平面試樣的磨損率做了分析， 結(jié)果列于表2。從表2可以看出， 在25℃和150℃石墨烯添加后對0#、3#磨損率影響不大， 2#樣品的磨損率降低了40%-60%, 在60℃和100℃添加石墨烯后的磨損率降幅非常明顯， 最高可降低95%（2#樣品）。

3 結(jié)論

1. 以石墨烯作為潤滑油添加劑， 以GCr15/青銅為摩擦副， Span-80可使石墨烯穩(wěn)定分散在PAO4潤滑油中， 抑制石墨烯的團聚。

2. 石墨烯可改善接觸面的摩擦磨損性能， 在60℃和100℃改善效果最為明顯， 摩擦系數(shù)最大可降低78%, 磨損率最大可降低95%。

3. 在磨屑較少時表面織構(gòu)可收集磨屑， 起減磨效果； 當(dāng)磨屑較多表面織構(gòu)不足以收集時， 其減磨性能大幅度下降。在純PAO4潤滑油條件下磨屑較多， 原始樣品（面積率0）的摩擦系數(shù)和磨損率表現(xiàn)較低； 在添加石墨烯的PAO4潤滑油的條件下磨屑較少， 面積率為5%的試樣摩擦系數(shù)最低， 10%試樣的磨損率最低。