清华大学田煜教授带你了解石墨烯润滑的机理和应用

田煜教授

清华大学机械系摩擦学国家重点实验室主任、教授。1998年毕业于清华大学精仪系，2001年获清华大学博士学位，2005年加州大学博士后。一直从事摩擦学基本原理及其主动控制技术相关的研究，系统性研究了机械表面界面的物理和化学现象及行为规律。围绕摩擦学基本理论方法，申请人先后主持了国家自然基金委项目5项，包括国家杰出青年科学基金1项，重点实验室专项基金1项；主持其他国家/部委/企业项目或课题10余项。出版《摩擦学原理》和《纳米摩擦学》两本专著，发表SCI收录论文160余篇。2019年入选国家“万人计划”-科技创新领军人才；2018年入选科技部“创新人才推进计划”-中青年科技创新领军人才；2016年获中国青年科技奖；2014年受聘教育部长江学者特聘教授；2014年获国家杰出青年科学基金资助；2013年获教育部自然科学奖一等奖(排名第二)。

以石墨烯为代表的二维纳米材料，预计将在传统技术和工程领域引入新的应用机会。石墨烯中同一原子层中的原子通过共价键组合在一起，从而形成了具有高模态和高强度的单层结构。此外，范德瓦尔斯力结合的相邻原子层之间的低剪切电阻使原子层很容易滑动。由于二维材料的比表面积较高，很容易吸附到接触面上，从而防止摩擦对的直接接触。因此，二维材料的润滑性能优于其他纳米材料。

二维材料润滑的机理

二维材料的隔层滑动和低剪切力，赋予了它们超润滑特性。此外，由于其纳米结构，它们可以很容易地进入摩擦接触表面，形成润滑膜，可以减少表面粗糙度和修复磨损。

然而，这一机制的阐明仍然是纳米粒子润滑系统研究中许多争论的主题。研究人员通过表面分析技术（薄膜形成机制、自愈机制和滚珠轴承机制）描述了利用纳米粒子悬浮物实现润滑增强的机制。这些机制可分为两大类。一类是直接的纳米粒子效应，包括球效应和薄膜形成。另一类是通过修复和抛光实现的表面增强辅助效果。

01
薄膜形成机制

具有较大表面积的纳米粒子可以展现出化学活性，并迅速吸附到摩擦表面，形成物理吸附膜。一些纳米粒子受摩擦表面迁移等外部因素的影响，沉积在摩擦表面形成沉积膜。纳米粒子还可以在摩擦表面进行化学反应，形成化学反应膜，从而增强摩擦对表面的耐磨性。

02
自愈机制

由于制造技术的固有局限性，接触面仍然非常粗糙。这时，纳米材料可以填充摩擦表面的凹面，使其平滑。

摩擦表面在高压下紧密结合，从而产生摩擦和磨损。当在润滑油中加入大量纳米材料以渗透到凹面摩擦表面时，损坏的表面得到修复。滑动过程中的瞬时高温甚至可以熔化纳米粒子并修复滑动表面的缺陷。

03
滚珠轴承机制

纳米粒子通过摩擦修复分散，形成”级轴承”，将滑动摩擦转化为滚动摩擦，从而降低摩擦系数，表现出出色的抗摩擦性能。研究人员建立了一个机制模型来研究纳米材料的类轴承效应，并发现纳米粒子将滑动摩擦转化为滑动摩擦和滚动摩擦的组合。这种润滑机制归因于剪切表面之间具有稳定低负荷状态的摩擦对系统，以保持纳米粒子的形状和刚度。

二维材料的润滑机制总结为四个过程（如下图）。（a）进入滑动表面的接触区域（b）三波膜形成，（c）填补接触区的坑和缝隙（d）影响流体阻力和粘度。此外，还存在其他机制。（1）二维材料由于体积小而容易进入摩擦对，接触表面的相对运动在这些材料上形成剪切力。因此，多层二维材料很容易被切割，并且很容易与摩擦表面接触，形成滑动系统，从而产生有效的润滑。例如，带有润滑脂的MoS2片在两个摩擦对之间的摩擦表面接触时，由于MoS2的lamellar晶体结构和层之间的范德瓦尔斯力的结合，片层结构很容易被吸收到摩擦表面。在摩擦剪切力和正常负载的影响下，裂缝很容易发生在MoS2层间。裂缝同样也在平面滑动处出现，它起到反摩擦作用。（2）二维材料由于具有超高化学稳定性，对液体和气体不透水。将这些材料吸附在基板上有助于防止对给定系统中的润滑剂或其他活性元素的化学攻击，从而减缓材料的腐蚀和氧化，并进一步减少滑动表面的磨损。

二维材料在润滑中的应用

二维材料具有出色的摩擦行为机制，具有较高的比表面积（可以覆盖更大的表面积）、较高的平面强度（通过共价键粘合）、良好的表面化学稳定性和较低的层间剪切强度（允许相邻层轻松相互滑动）。因此，其表面润滑效果明显，非常适合润滑领域应用，如润滑剂添加剂、空间润滑材料、纳米级润滑膜等。

01
润滑剂添加剂

鉴于其独特的分子结构和润滑特性，二维材料广泛应用于摩擦学领域。它们也是摩擦表面润滑的极好候选者，因为它们的强度高，原子之间的层间剪切强度低。二维材料的防摩擦和防磨性能优于传统润滑剂添加剂。此外，二维材料还可用于减少有害物质的排放，为营造绿色环境做出重要贡献。

石墨烯和氧化石墨烯的摩擦减弱机制相似。它们很容易形成保护膜，以防止接触表面之间的直接接触。此外，纳米级厚度和极薄的层压结构提供较低的剪切强度，从而容易导致层间滑动，形成较低的摩擦力。二维材料还可作为水性润滑添加剂，以保持出色的导热性和水润滑膜的承载能力。

石墨烯虽然能有效发挥防摩擦、防磨损的作用，但石墨烯容易在基层润滑油中聚集，严重影响润滑效果。为了避免石墨烯的聚集，可以（1）使用适量的分散剂来改善润滑油中的均匀分散；（2）石墨烯的适当化学修饰（如氟化或氢化）用于增强润滑油中石墨烯的均匀分散。

02
空间润滑材料

溅射的MoS2固体润滑油广泛应用于航空领域，例如用于陀螺仪的高速长寿命轴承以及用于航天器谐波驱动装置的加速度计、齿轮和轴承。

磁铁溅射技术具有薄膜形成率高、沉积温度低、薄膜厚度均匀、薄膜结构密集等优点。该技术已应用于各种耐磨、耐腐蚀、抗氧化涂料和固体润滑剂涂料的制备。

MoS2溅射膜的众多实际应用已经开发出来，使用宇航510，表明这些溅射薄膜的使用寿命可以超过数倍，个别测试结果目前已经达到数倍。但是，空间环境中的真空、低温、强辐射等极端条件要求固体润滑油具有特殊性能要求。

03
纳米级润滑膜

石墨烯分层结构具有超薄厚度、超低剪切强度、高化学耐化学性、高特异性表面积。因此，它们适用于微/纳米膜设备。

在Cu和Ni金属催化剂上生长的石墨烯薄膜具有优良摩擦特性，通过CVD方法将两种石墨烯薄膜转移到SiO2/Si基材中，发现石墨烯薄膜能有效降低粘附力和摩擦力。CVD生长的石墨烯薄膜在减少粘附和摩擦以及保护基板表面方面具有强大的潜力。液相剥离法可用于生产高产石墨烯薄膜，而利用该方法获得的薄膜性能由于功能组和结构缺陷而导致性能降低。可以利用退火方法，通过缝合垫片，将石墨烯片的结构修复，从而形成连续膜，提高晶体质量和摩擦特性。

总结

二维材料具有独特的分层结构，具有抗摩擦和防磨损特性，为纳米级润滑油的发展提供了广阔的前景。二维材料的摩擦机制可分为界面摩擦和表面摩擦机制。界面摩擦机制主要受温度、负荷、大小、堆叠、缺陷、层间距和层数的影响，而表面摩擦机制主要分为电子声耦合效应、平面外皱褶机理和变形能量消散机制。润滑机制包括薄膜形成机制、滚珠轴承机制、自愈机制等润滑机制。在实际应用中，二维材料由于其独特的防摩擦和防磨性能，常用作润滑剂添加剂、纳米润滑膜和真空空间润滑材料。

为了促进二维材料的使用，我们认为今后应在以下领域进行研究：（1）原子级摩擦研究是摩擦学领域的一个新方向。超润滑研究可能有助于促进工业和能源的发展。因此，在宏观和微观尺度条件下实现超润滑和保持超润滑的持久性还需要进一步的研究。（2）虽然二维材料具有出色的摩擦性能，但很容易受到表面条件的影响，从而导致性能下降。因此，在准备和实验过程中，各种过程的优化是不可避免的。（3）由于石墨烯聚集的抑制，功能改进的二维材料具有优越的摩擦性能。因此，应进一步研究功能二维材料的制备和抑制聚集的机理。（4）二维材料由于其比表面积高，会迅速吸附到摩擦对的表面，并发生进一步的化学反应。因此，需要进一步研究了解这些物理和化学反应，使二维材料的润滑机制更加可靠。（5）二维非lamellar材料由于其复杂的电子结构，在电子工业的能量转换和存储方面具有很大的优势。（6）二维材料系列新材料的制备和材料的物理和化学特性需要进一步探索。