石墨烯：一种新兴的润滑剂

作者：Akanksha Urade博士（石墨烯和2D材料科学作家）

石墨烯越来越多地被用作添加剂，以改变几乎每个行业中越来越多的产品。 在本文中，我将探讨石墨烯作为润滑剂的使用。

为什么选择石墨烯？

石墨烯薄片几乎有无穷无尽的应用。它被添加到其他材料中以提高强度、耐水性、柔韧性和导电性。少量 – 通常在0.01%-0.5%之间 – 可以产生显着的改善。

石墨烯可以成为许多现有材料的廉价替代品。问题在于为特定应用找到高质量石墨烯的工业数量的可靠来源。

全球润滑油市场

Grandview Research预测，到2030年，全球对高性能润滑油的需求不断增长，到2021年，价值1300亿美元的润滑油业务将以3.7%的复合年增长率增长。石墨是润滑剂的主要现有材料。但石墨有许多缺点 – 包括它只能在潮湿的环境中工作。石墨的另一个缺点是薄片在严重的机械载荷下容易破裂，导致寿命有限和摩擦系数较高。

润滑剂还有其他问题，包括使用对生态有害的添加剂或固体润滑剂（如二硫化钼或硼酸）。油基和固体润滑剂都不能很好地粘合到其润滑的表面上，必须定期重新涂抹。即使在最佳条件下，大多数润滑油最终也会因氧化而随着时间的推移而降解。

不同形式的石墨烯作为润滑剂添加剂已被广泛测试。石墨烯作为润滑剂的用途归因于许多不同的物理化学性质。例如，石墨烯卓越的机械强度可防止材料磨损。其次，石墨烯已被证明对水和氧气等液体和气体不渗透，减缓了通常会损坏摩擦表面的氧化和腐蚀过程。此外，由于石墨烯是一种具有低表面能的原子光滑2D材料，因此它可以取代通常用于减少各种表面的粘附和摩擦的薄固体薄膜。

Image Courtesy: Berman, Diana, et al. Science (2015).

使用石墨烯和碳纳米金刚石作为固态润滑剂来更好地保护滚珠轴承是一个近年来发展迅速的研究领域，从一个有趣的想法变成了一个几乎实用的现实。当石墨烯薄片和纳米金刚石颗粒刷在大的类金刚石碳（DLC）表面上时，石墨烯通过包裹自身来封装纳米金刚石。由于纳米金刚石的形状是球形的，石墨烯-纳米金刚石组合可以在提供润滑的同时在两个表面之间自由移动。除了润滑和防腐蚀性能外，它们还表现出超强的润滑效果，其中摩擦力几乎为零。

“与目前可用的任何其他现有固体润滑剂涂层相比，这是一个显着的改进，”Argonne的Anirudha V. Sumant教授说。“此外，所需的石墨烯量非常少，因此成本要低得多，消除石油浪费将更加环保，这是一个很大的附带好处。

同一研究小组发现石墨烯是一种极好的钢润滑剂。几个原子层的石墨烯不仅使钢与钢摩擦的摩擦程度降低了七倍，磨损量降低了10，000倍，而且可以显着降低腐蚀的风险。

与标准润滑剂相比，石墨烯基固体润滑剂涂层的优势在于其应用简单。它通过在广阔的表面积上喷涂溶液来应用，几乎可以涂覆任何形状或尺寸。

氧化石墨烯与真正的石墨烯

在我们之前题为“假石墨烯：让买家当心”的文章中，我非常清楚地表明，高质量、无缺陷的石墨烯比氧化石墨烯（GO）等氧化石墨烯具有优越的性能。然而，在他们的营销和瓶子的标签上，许多销售GO和还原氧化石墨烯（rGO）的公司称这些材料为石墨烯。即使使用润滑剂，情况仍然如此。

Image courtesy: Berman, Diana, Materials Today (2014)

与石墨烯层的磨损率相比，GO的磨损率高出一到两个数量级。从图中可以看出，与优质石墨烯相比，氧化石墨烯的覆盖率明显较差，GO中氧气的存在可能会导致钢的腐蚀，进而增加磨损。正因为如此，GO没有提供任何接近高质量石墨烯相同水平的磨损保护。

结论

现代润滑剂含有对生态有害的化学物质或者是固体润滑剂（例如二硫化钼或硼酸）。油基和固体润滑剂都会随着时间的推移而降解，必须定期补充。另一方面，真正的高质量石墨烯可以保存很长时间，因为薄片会在初始磨损周期内重新排列。石墨烯完全由碳组成，对环境无害。在特定应用中，我认为石墨烯润滑剂可以作为更传统的油和液体的合适替代品吗？是的。石墨烯润滑剂会成为润滑油的通用替代品吗？不，这有很多原因，但关键因素是缺乏优质石墨烯的供应。尽管如此，我们不能否认基于石墨烯的润滑油和油品正在进入市场。然而，它们是否会主导市场取决于制造工业规模的高质量石墨烯的能力。

参考

Berman, Diana, Ali Erdemir, and Anirudha V. Sumant. “Graphene: a new emerging lubricant.” Materials today 17.1 (2014): 31-42.

Berman, Diana, et al. “Macroscale superlubricity enabled by graphene nanoscroll formation.” Science 348.6239 (2015): 1118-1122.

GrapheneInfo: https://www.graphene-info.com/graphene-proves-be-excellent-steel-surface-lubricant