石墨烯材料摩擦磨损特性的研究进展

石墨烯及其复合材料作为纳米添加剂，在润滑油中具有良好的减磨抗磨作用。本文从石墨烯的纳米摩擦学性能入手，阐述了其层间滑动摩擦和表面滑动摩擦的摩擦机理。详细介绍了石墨烯作为润滑油添加剂的分散性实验和摩擦性能实验。为石墨烯在润滑油领域的研究提供参考。 *通讯作者。

石墨烯材料是近年来的研究热门， 自从2004 年第一次从实验室制备出单层石墨烯以来， 备受科研人员的关注。研究发现石墨烯的结构类似于蜂巢状，是二维片层材料。它具有优良的导热性能，单层石墨烯的导热系数可以达到5300 w/mk，优于碳纳米管[1]；同时它的力学性能也十分优秀，是已知强度最高的材料[2]。化学性质方面，与氧气结合形成氧化石墨烯，能够与活泼金属反应，内部碳原子之间的结构非常稳定。这些优异的性能使得它作为新型纳米添加剂在润滑油中能起到良好的减磨抗磨作用。因此石墨烯在理论研究和实际运用上非常有价值。

本文以石墨烯为研究对象，首先从纳米层级的角度阐述了石墨烯的摩擦机理，随后介绍了石墨烯作为润滑油添加剂的主要研究方向和研究中遇到的问题，展望了石墨烯材料在润滑油领域的前景。

2. 石墨烯的摩擦机理 从石墨烯的分类来看，主要分为单层石墨烯、双层石墨烯和多层石墨烯，不同层级的石墨烯的性质也不同。一般认为石墨烯层级越多，其性能就越不及单层石墨烯。目前石墨烯的纳米摩擦性能研究主要从层间滑动摩擦和表面滑动摩擦着手。

2.1. 层间滑动摩擦 Xu 等[3]采用分子动力学模拟方法研究了3~8 层石墨烯的层间滑动。

通过一个恒定的速度施加在多层石墨烯顶层，诱导层间相对滑动。可以看出滑动通常是“粘滑”，分为三个阶段，即初始阶段、发展阶段和稳定滑动阶段，经过滑移和堆积的相互作用导致了层间有组织的滑移行为。研究发现，石墨烯层与层之间的摩擦力大小主要受堆垛形式、层间距离、相对大小和表面形貌的影响。从堆垛形式看，石墨烯层间的滑动摩擦随着错配角度的减小而减小。从层间距离上看，Guo 等[4]发现石墨烯层间的距离越小摩擦力越大，当层间距小于0.3 nm 时，每层之间的最大摩擦力增加明显。从相对大小上看，Leven 等[5]发现无论两层石墨烯的相对滑动方向如何，相对大小差距较大的整体滑动摩擦力较小，并且更容易到稳定的超润滑状态。从表面形貌上看，Cho 等[6]通过将石墨烯与不同形貌的基底进行摩擦，表征石墨烯与下表面的粘附水平，发现在原子层面平坦的基底摩擦力较小。另外发现，在研究过程中引入缺陷也能改变石墨烯层间的摩擦力。

同样石墨烯的层数对滑动摩擦力也有较大的影响， Xu 等[7]发现石墨烯的层数越小， 层间的滑动摩擦力越小，当层数为2 层或3 层时滑动摩擦力几乎为零。这与前面所认为的层数越多性能就越不及单层石墨烯。

2.2. 表面滑动摩擦 目前的研究除了石墨烯层间的滑动摩擦，还有在石墨烯的表面滑动摩擦。主要有电子–声子耦合机理、面外折皱机理、弹性变形的能量耗散机理、剪切变形机理[8]。