含纳米石墨烯润滑油的摩擦学性能研究_董志辉.pdf

年第期含纳米石墨烯润滑油的摩擦学性能研究董志辉（柳州城市职业学院，广西 柳州 ）摘要：纳米石墨烯作为一种杂化轨道组成的多层结构材料，已经得到了良好的应用和推广。由于纳米石墨烯自身具备较强的抗摩擦能力，所以很多技术人员会将纳米石墨烯作为添加剂加入到润滑油中，如今的纳米石墨烯已经成为航空动力系统中常见的润滑材料。基于此，本文站在摩擦学的立场对含纳米石墨烯润滑油的摩擦学性能进行研究，为纳米石墨烯润滑油添加剂的广泛应用提供了更多的理论参考依据。关键词：纳米石墨烯；润滑油；摩擦学性能中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：，：；基金项目：年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目 石墨烯应用于车用柴油发动机的性能实验研究（编号 ）作者简介：董志辉（），男，汉族，河南开封人，硕士研究生学历，主要从事汽车电控技术研究。引言摩擦过程中会消耗大部分的能量，全球多种资源和能源都是因为受到摩擦逐渐消失。虽然摩擦、腐蚀和断裂都是机械零件损坏的常见原因，但是至少有一半以上的机械零件是因为长期受到摩擦而损毁。因此，工业在实现现代化建设的过程中，为了延长机械设备的使用寿命，会通过对机械设备的优化设计、减少摩擦以及提高摩擦性能等方式缓解磨损，减少摩擦力最有效的方法就是在机械设备的表面涂抹润滑油。润滑油能够减少金属之间的摩擦面积，如果在润滑油中加入纳米石墨烯添加剂，还能提高润滑油的摩擦性能，为机器的运行提供了有力的保障。纳米石墨烯的基本概念石墨烯是一种由碳元素构成的一种新型纳米材料，属于平面结构的二位材料。由于纳米石墨烯具备独特的摩擦学性能和热性能等特征，在航空航天和新能源等高科技领域得到了广泛的应用。近些年，随着科研人员的研究，已经开始将纳米石墨烯应用到润滑材料中。美国的科研人员在研究中发现，如果将纳米石墨烯吸附在钢制材料的表层，不仅能够提高钢材的耐摩擦性能，还能避免钢材被锈蚀。将纳米石墨烯进行改良处理以后，就可以成为高质量的润滑油添加剂。机械设备受损之后，还可以将纳米石墨烯涂抹到受损位置对设备进行修复，延长机械设备的使用时间，还能起到环保作用。纳米石墨烯可以根据层数将其划分为单层、多层及少层石墨烯，石墨烯在属性上与石墨有很多相似之处，经过改良的石墨烯结构非常稳定，并且不同的碳原子都附着一个多余的电子结构。正是因为电子结构在晶体中的运动不会受到约束，才凸显了纳米石墨烯与其他石墨材料的不同特性。纳米石墨烯的特殊性能被发现之后，为了满足各个行业领域对纳米石墨烯的需求量得到满足，研究人员开始对纳米石墨烯的制备方法进行调整，同时也制备出不同结构和形态的纳米石墨烯，充分发挥出纳米石墨烯的特性。不同层数的纳米石墨烯在性能上有很大差异，多层纳米石墨烯的性能与石墨相似，单层或者少层的石墨烯表现出来的性能更加优异。含纳米石墨烯的润滑性能研究纳米石墨烯是一种单层或者多层结构的新型材料，纳米石墨烯层数结构的变化对性能也会造成很大的影响。多层结构的纳米石墨烯，每层之间还能滑动，润滑性能也会越强。除了层数结构之外，对纳米石墨烯的润滑性能造成影响的因素还包括层间距以及石墨烯的形状等。另外，相对滑动方向也会对纳米石墨烯的润滑性能造成一定的影响。据专业数据分析，纳米石墨烯在润滑油领域应用的过程中，层数较多的纳米石墨烯能够明显提升润滑油的润滑性能。如果纳米石墨烯的层数为三层时，就能体现出较强的润滑性能，摩擦过程中所产生的摩擦力数值近乎于零。除此之外，堆垛形式也是影响到纳米石墨烯润滑性能的主要因素，如果纳米石墨烯以非共度形式堆垛，摩擦力DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.01.013内燃机与配件 的数值较小，外界因素发生变化时摩擦力也会随之变化，纳米石墨烯每层之间的间距数量增加，摩擦力就会逐渐降低。但是纳米石墨烯如果是 形式堆垛，每层之间的间距增加并不会对摩擦力造成影响，但是间距缩小之后摩擦力反而会增加。站在理论角度进行分析，如果纳米石墨烯结构的层数达到固定数值，纳米石墨烯的摩擦力就会接近与零，但是在实践当中，摩擦力为零这一研究结论很难实现。专业科研人员在对纳米石墨烯的润滑性能进行研究时，一般会采用原子模拟方法进行研究，压头在低速环境下滑动时，纳米石墨烯的化学键断裂基本上不会出现，产生的摩擦力也很大，如果增加滑动速度，化学键断裂就会随之增加，摩擦力也会不断减小。实验及结论据相关研究结果表明，机械设备在使用过程中造成损坏、影响材料的作用主要是因为摩擦和受损，一次性能源的消耗量已经占据了全部能源消耗的 以上，为了能够延长资源的使用寿命，提高资源的利用价值，从摩擦学的角度分析，就压降低摩擦力，最大限度的减少资源消耗。人们在实现降低磨损时最常用的方法就是使用润滑油，这也是减小最快的方法之一。虽然润滑油在减小磨损和摩擦过程中有很强的应用价值，也能延长材料和机械设备的使用寿命，但是为了提高润滑油的应用效率，还会在润滑油中融入大量的添加剂，从而凸显出润滑油更大的使用价值。石墨烯是一种由碳原子构成的纳米材料，结构薄、质地坚硬是它最大的特点。很多研究人员认为纳米石墨烯是一种假设性结构，主要是因为纳米石墨烯的结构不稳定，并且不能单独存在与环境中。纳米石墨烯在力学、热学以及光学中表现出很强的特性，也能快速和其他生物相容，所以在很多领域中得到广泛应用。基于此，笔者尝试通过静置沉降法研究了纳米石墨烯的分散性能和存储性能，利用四球摩擦实验研究了纳米石墨烯的抗摩擦性能，然后在使用显微镜观察了磨损表面的真实状态，最终得出相应的结论。实验选取四种不同品牌的纳米石墨烯作为本次研究的主要对象，虽然选取的纳米石墨烯品牌不同，但是纳米石墨烯从外观上看都是黑色粉末，然后在对不同品牌的纳米石墨烯编号为、，作为添加剂加入到润滑油中。基础润滑油中要融入的分散剂，最后再对加入不同添加剂的润滑油冠以编号、。首先，利用静置沉降法检验纳米石墨烯在存储过程中的稳定性。研究人员将静置沉降法又称之为重力沉降发，能够对纳米石墨烯的稳定性和分散性进行研究。纳米石墨烯虽然是一种小颗粒的黑色固体，但是也有质量，通过这种方法就能对沉淀下来的固体进行检验，从而对颗粒的稳定性和分散性进行研究。具体的实验方法就是将纳米石墨烯加入到润滑油中之后，就将其放在室温环境下进行保存，存放时间在一个月左右。其次，利用四球摩擦实验检验纳米石墨烯润滑油的摩擦学性能。四球摩擦实验最大的优势就是不会产生卡咬和烧结符合，所以能够有效检测纳米石墨烯润滑油的摩擦性能。该实验的基础条件要保证转速为每分钟一万两千转，温度要控制在七十五度左右，摩擦时间六十分钟，载荷控制在 牛，观察检验结果所使用的显微镜精度要控制在 毫米。满足实验条件之后，就要分别对三个试球的摩擦斑直径进行测量，三个试球测量值的平均数作为测量结果，如果两次实验的误差值超过，就要重新进行实验。四球摩擦实验过程中所产生的所有数据均有计算机进行记录，每次记录的实践不能超过两秒，最后在将数据测量结果的平均值作为参考依据。最后，经过实验之后的试球要放在油醚中进行清洗，清洗过程中要使用超声波，清洗时长至少在五分钟以上，清洗好的试球要经过干燥处理之后，才能用扫描设备观察磨损痕迹。试验结论通过实验结果能够分析出，要想提高润滑油的抗摩擦性能，就要降低纳米石墨烯润滑油的直径，摩擦因数的缩减程度也会影响到试验球磨斑的直径。通过重力沉降法的检验，静置一个月的润滑油，都不会出现太多的纳米石墨烯沉降物，从这一点我们也能看出，润滑油中加入纳米石墨烯并不会对基础有的稳定性和分散性造成太大的影响。结合四球摩擦试验也能得出这样的结论，虽然不同的试验条件下，虽然试验球的转速不同，润滑油的摩擦因数也会产生差异，但是在基础油中加入纳米石墨烯之后，基础油的摩擦性能都能提升。如果是相同的试验条件，含有纳米石墨烯的润滑油与普通的润滑油相比，摩擦球的磨斑直径明显减小，这也就意味着加入纳米石墨烯添加剂的润滑油能够有效抵抗磨损，提高润滑油的耐磨性能。纳米石墨烯和试验球的磨损表面，产生化学反应之后会生成反应膜，有效降低了试验球的受损范围。试验人员在对磨斑进行观察时发现，试验球的磨斑主要是犁沟状的磨损痕迹，从这一点判断出试验球主要承受磨粒磨损。在润滑油中加入纳米石墨烯添加剂后，由于纳米石墨烯自身携带修复磨损的作用，吸附膜破裂之后能够快速进行修复，在试验球的摩擦表面建立了一层屏障，也能降低磨损表面的粗糙度。另外，纳米石墨烯自身具备较强的吸附性能，再加上纳米石墨烯的表面积较大，能够在受损结构表面快速形成吸附膜，这样就能抵抗摩擦造成的磨损。实际上大不部分二维材料都有共同的特性，例如：结构较薄、柔软性较强等，将其应用在抵抗摩擦中，二维材料能素食结结构进行调整，提高自身的摩擦学性能。物体长时间处在摩擦环境中，摩擦表面的文斗会升高，在高温条件下纳米石墨烯能够快速和钢球表面产生化学反应，生成一种吸附膜，阻断了钢球之间的摩擦。通过以上试验能够清楚的认识到，含有纳米石墨烯的润滑油具有良好的抗摩擦性能。高温环境下含纳米石墨烯润滑油的摩擦学性能研究摩擦物如果长时间处在摩擦环境中，物理的温度也会不断升高，所以笔者对高温环境中纳米石墨烯润滑油的摩擦学性能进行了深入研究。没有融入任何添加剂的润滑油，在应用过程中会在摩擦物的中间形成油膜，组个了摩擦物之间的直接解除，从而降低因为摩擦而产生的磨损。如果能够在基础润滑油 年第期中添加适量的纳米石墨烯，石墨烯就会进入到摩擦物表面的覆盖物上，摩擦表面的粗糙界面被纳米石墨烯填平，摩擦物之间的接触面积更小，抗摩擦性能也会随之增强。如果纳米石墨烯的质量成分高，就会在摩擦物表面产生堆积，影响到油膜的形成，摩擦因子也会增加。然而，如果在这个基础之上继续增加纳米石墨烯的含量，摩擦因子就不会在产生明显变化，这也能说明过量的纳米石墨烯并不会对润滑油的摩擦性能产生影响。为了能够对高温环境下纳米石墨烯润滑油的摩擦性能研究的更加透彻，可以通过试验测量钢球的磨损直径，结合钢球的磨斑直径就能分析出摩擦的规律。结合试验发现，为添加纳米石墨烯润滑油的钢球磨斑最为明显，随着纳米石墨烯润滑油量的增加，磨斑直径也会随之减小，最终得出的结论就是纳米石墨烯润滑油的添加量与摩擦因子有直接关系。造成这种情况的主要原因有以下几个方面：首先，受到载荷的影响，纳米石墨烯能够在试验球之间形成油膜，减少了试验球之间的摩擦面积，摩擦直径自然会缩短。其次，纳米石墨烯在摩擦过程中被挤成更小的颗粒，一些碎屑随着摩擦图案荣到摩擦面的凹处，并且代替钢球的摩擦面承担了一部分的荷载，也能起到降低摩擦的作用。最后，纳米石墨烯具有较强的导热性能，能够快速将热量导入，避免钢球在摩擦过程中形成的油膜受到高温的破坏。如果纳米石墨烯的添加量已经超过了最高临界点，多余的纳米石墨烯就会发生堆积，也会使钢球的摩擦面变得更加粗糙，摩擦面的磨损情况也会更加严重。我国纳米石墨烯产业技术的发展建议 政府管理部门要给予支持由于纳米石墨烯的应用范围交广，所以纳米石墨烯产业技术在发展过程中，政府管理部门要给予一定的政策和税收优惠进行扶持。在纳米石墨烯产业投入更多的资金，为其提供专业研究场所，促使研究成果快速转化为生产力，为该产业技术创建国际交流平台，促使该产业实现现代化建设。国家也可以出现建立纳米石墨烯研发中心，从国外邀请一些专业技术人员指导建设，促使纳米石墨烯产业实现集成化管理。对纳米石墨烯的研发资源进行整合虽然近些年国家对纳米石墨烯的研发非常重视，但是研发资源一直没有实现整合管理，资源也无法实现共享，严重影响了纳米石墨烯产业的发展速度。因此，国家要带头组建纳米石墨烯研发实验室或者产业技术研发中心，合理利用高校和研究所的资源，研究全新的生产技术，从而推动纳米石墨烯产业的发展。培养纳米石墨烯研发人才政府管理部门要及时掌握国外纳米石墨烯产业的发展现状，了解国外都有哪些先进的研发成果。除了培养纳米石墨烯研发人才之外，也要为我国研发人员提供到国外学习先进研发经验的机会，从多种渠道学习先进的研发技术，为我国纳米石墨烯研发工作提供更多的理论支撑。另外，政府管理部门还要加强对纳米石墨烯研发的宣传和推广，促使社会更多力量认识到纳米石墨烯