隨著社會的發（fā）展和科技的進步，航空、航天、交通、化工、運輸和機械等產業領域持（chí）續蓬勃發展，但隨之帶來的是工業能源及原材料的大量消耗。其中（zhōng），運動機構間的摩擦磨損導致的材料損耗和熱量散失可引起嚴重的能源浪費，甚（shèn）至會遲滯（zhì）工業的發展，因此，亟（jí）需通過減磨降損來解決高能耗的問題。

為了研究減磨降損機理進而解決高（gāo）摩擦（cā）、高磨損及高能耗問題，研製潤滑材料體（tǐ）係及開發潤滑技術顯得尤為重要。石墨烯作為一種二維材料，可剝離且具有層狀結構，單（dān）層石墨烯具有一定的潤濕性（xìng），隨著石墨（mò）烯層數的增加，多層石墨烯表麵的（de）缺陷位數增加，表麵存在更多的無定形碳，會（huì）顯著削弱石墨烯與水或溶劑間的H－π相（xiàng）互作用，從（cóng）而降低潤濕性（xìng），增（zēng）強疏水性；同時，石墨烯碳骨架的極性較低，並且石墨烯的層數越多（duō），其片層間的範德（dé）華（huá）力越強，進一步使得石墨烯易生（shēng）成π－π共（gòng）軛結構從（cóng）而堆積聚集（jí），導致其難以在水或溶劑中分散 。此外，與石（shí）墨烯平（píng）麵結構類似的氧化（huà）石墨烯(GO)，其表麵含有大量的功（gōng）能化（huà）活性基團，如（rú）羥基、羰基、羧基、酯（zhǐ）基及環氧基等。迄今為止， 科學（xué）工作者已經針對石墨（mò）烯及GO的摩擦學行為開展（zhǎn）了廣泛（fàn）的（de）研究（jiū）。基於（yú）石（shí）墨烯及GO獨特的層狀結構、層（céng）間弱相互作用力和表界麵特（tè）性，其可以在特定的環境下實現潤滑效果；同時（shí），類石（shí）墨烯的二維層狀材料(如二硫（liú）化鉬、二硫化（huà）鎢、黑鱗、MXenes 等（děng）)也具備類似的潤滑效果（guǒ）。目前，石墨烯已成為航空及機械工程領域中應用廣泛（fàn）的潤滑材料之一。

潤滑添加劑

石墨烯的π－π堆積和各層（céng）之間的範德華力，使得石墨烯具有很強的疏水性。因此，有必（bì）要對石墨烯的表麵（miàn）進行（háng）修飾以實現與液體的相容性。

目前， 對石墨（mò）烯表麵（miàn）修飾的方法主（zhǔ）要（yào）有3種：共（gòng）價（jià）鍵修飾、 非共（gòng）價鍵修飾和元素摻雜。

共價鍵修飾主要包括碳骨架修飾、羥基修飾、羧基修（xiū）飾、環（huán）氧基修飾等。共價鍵（jiàn）修飾(如（rú）羧基、羥基、環氧（yǎng）基改性)的（de）石墨烯具有很（hěn）強的表麵化（huà）學鍵，但形成的共（gòng）價鍵（jiàn）通常位於石墨烯六元環邊緣的（de）缺陷結構位置，會進一步破壞部分石墨烯的本征規則結構，留下一些（xiē）sp3雜（zá）化碳原子；此外（wài），共價鍵修（xiū）飾需要進行複雜的化學反應，會使用有毒的化（huà）學試劑，危害人體健康，且汙染環境。與共價修飾手段相比，石墨烯的非（fēi）共價修飾不僅能更好地保留石墨烯的原始結構（gòu），而且還能在多種尺度上提（tí）供表麵活性基（jī）團。

非共價鍵修飾主要涵（hán）蓋π－π共軛（è）作用、氫鍵作用、靜電作用（yòng）、離（lí）子鍵等，該方法簡單方便，可（kě）以將大量的含氧基團轉移到納米片層表麵，然後與活（huó）性聚合物鏈的官能團(如羥基（jī）、氨基、羧（suō）基等（děng）)形成非共價相互作用，從而促進活性（xìng）聚合物鏈吸附在石墨烯納米片層（céng）表麵。蛋白質和殼（ké）聚糖等生物大分子可以通過範德華力、氫鍵和共軛π鍵等非（fēi）共價作用修飾石墨烯表麵，從而顯著提高石墨烯的（de）生物相容性和分散穩定性。

元素摻雜（zá）主要是將金屬元素或非金屬元素（sù）加入到石墨烯片層中，進而提高（gāo）石墨烯表麵的活性。材料學和摩擦學領域的大量研究已證實，在摩擦過程中，在接觸麵上會由摩擦誘（yòu）導生成（chéng）潤滑轉移物即轉移（yí）膜，其摩擦（cā）機製為界麵摩擦物理化學，使得表麵（miàn）改性的層狀材料比未改性的層狀材料具有更（gèng）為優異的摩擦學性能。

（改性石墨烯方法）

水基（jī）環（huán）境

水作為一種綠色潤滑劑，其黏度低，在摩擦過程中難以形成邊界潤滑膜和流體潤滑膜來顯著降低摩擦係數和磨損性能。將石墨烯加入水中製成均（jun1）勻分散的水分散體，可以提高石墨烯的潤滑能力。

在（zài）水基環境中應用時，石墨烯（xī）的潤滑特性（xìng）為非共價鍵相互作用或層間靜電斥力形成的邊界潤 滑;當添加適量的石墨烯時，不僅可以形成油膜層（céng），還能夠大幅度提高潤滑性能（néng），其潤滑機製為（wéi）薄膜潤滑特性。石墨烯在水基環境（jìng）中的宏（hóng）觀潤滑機製是：二維石（shí）墨烯納米層之間不完（wán）全接觸使能量難（nán）以消散，並且這些納米層容易移動，導致摩擦係數極低。

油基環境

一般來說，石墨烯作為油基環境的潤滑添加劑， 其剝離程度越（yuè）高，潤滑特性越（yuè）好。在壓力和剪切力的共同作用下，石墨烯更容易在平行於滑動邊界的方向上重新排列，形成層狀薄膜，從而降（jiàng）低摩擦係（xì）數，提高潤滑性能。而剝離程度較低（dī）的多層石墨烯在（zài）摩擦過程中層狀結構容易被損壞，形成結構缺陷，潤滑（huá）效果降低（dī）。

石墨烯作為油基潤滑劑（jì）的添加劑，其潤滑（huá）機製主要包括摩擦轉移層的形（xíng）成、滑動滾動耦合以及補償性自壓實。通過調整控製石墨烯的剝離程度和層狀結（jié）構，石墨烯可以與潤滑劑基體（tǐ）協同作用，形成摩擦學特性得到改善（shàn）的潤滑係統，以進一步滿足石墨烯的工程應用，為開發新型油基潤滑劑提供新的（de）設計理念。

固體（tǐ）潤滑（huá）劑

隨著航（háng）空航（háng）天和核（hé）電工業的高速發展，固體（tǐ）潤滑劑不僅在空氣環境中作用顯著（zhe），而且在（zài）高真（zhēn）空、極低溫、強輻射、超高速、超高（gāo）壓和超高溫等惡（è）劣的工作（zuò）條件下同樣（yàng）發揮著重要作用。塗層部件通常隻在直接接觸（chù）的摩擦麵的（de）一定厚度內具有良好的摩擦學性能，而自潤滑材料可以在發揮本征潤滑效應的同時，還能保持（chí）基材的優良摩擦學特性，從而大大（dà）節省原材料和生（shēng）產（chǎn）成本。因此，采用石墨烯基固體潤滑劑是改善係統潤滑性能的（de）一種（zhǒng）有效方（fāng）法。

空氣環境

石墨烯固體自潤滑材料具有良好（hǎo）的減摩耐磨性能，不僅摩擦係（xì）數小，而且物化性質比較穩定（dìng）。但是，石墨烯在空氣中的（de）潤滑性能較差。將石墨烯（xī）通過原位生長或複合的方法沉積於硬質合金部件表麵，有望彌補傳統式機械加工中部件使（shǐ）用壽命（mìng）短、加工性能差的（de）不（bú）足。

石墨烯具有超薄的厚度、良好的減摩和耐磨性 能，是一種（zhǒng）相對穩（wěn）定的固體潤滑劑。通過開發石墨烯固體潤滑劑（jì）的自潤滑特性，打破（pò）石墨烯本身固有（yǒu）結構缺陷的（de）束縛（fù），保持石墨烯摩擦過程中轉移（yí）膜的耐久性，可以提高其在大氣環境下的潤滑效果。

特殊環境

在極低溫、極（jí）高溫或高真空環境下實現軸承與運行工況之間的潤（rùn）滑和動（dòng）態（tài）密封（fēng），這對固體潤滑材料的組成成分、表麵結構和潤滑性能提（tí）出了更加嚴苛的要求。采用傳統方法生產的石墨烯不足以在惡劣的工作條件下滿足運行機械部件的高要求。

控製（zhì）石（shí）墨烯的多層結構及表麵官能團類型是獲得（dé）宏觀潤滑的關鍵之（zhī）一（yī），同時（shí）服役工（gōng）況的載荷、滑移速度和（hé）環境氣氛等的合理設置也十分重要。這不僅 可以促使石墨烯在複雜條件下實現理（lǐ）想的潤滑狀 態，還（hái）可以滿足航空（kōng）、航天、機械、核電等領域對（duì）潤滑狀態的要求。

總結與展望

控製石墨烯的多（duō）層結構及表麵官能團類型是（shì）獲得宏觀潤滑的關（guān）鍵之一，同時服役工況的載荷、滑（huá）移速（sù）度和環境氣氛等的合理設置也十分重要（yào）。這不僅可以促使石墨烯在複雜條件下實現理想的潤（rùn）滑狀態（tài），還可以滿足航空、航天、機（jī）械、核電（diàn）等領域對潤滑狀態的（de）要求。

信息來源：石墨烯（xī）研究院

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