石墨烯之潤滑性質_機理 (#4)

02-01

2015-7-7

每當談到機械，只要可能，科學家和工程師總想找到克服摩擦的方法來延長機械零件壽命。傳統潤滑油在減少摩擦方面通常有化學的局限性。石墨用作工業潤滑劑已經超過 40年，但因為石墨只能在潮濕的環境中起作用，如果換做一個乾燥的環境中，那麼不會那麼有效，這是非常局限的。這主要是由於石墨的三維結構在潮濕空氣中水分子會在石墨層間造成潤滑的效果，但當空氣中沒有足夠的水分子，那麼材料就會失去潤滑性。而另一個常見的潤滑劑--二硫化鉬，則存在相反的問題，它的工作環境是在乾燥的環境中比較適合。

美國 Argonne National Laboratory的 AnirudhanSumant和他的同事將二維材料單單原子厚度的石墨烯應用到鋼球和鋼磁碟中。他們發現的單層石墨烯可以持續超過 6500個磨損周期，大幅改善傳統如石墨或二硫化鉬潤滑劑。相比之下，1000層傳統的潤滑油只能持續大約 1000個磨損周期。所以本質上的挑戰是找到一個可以適用於機械系統里的通用潤滑劑。

石墨烯的二維結構，給了它一個重要的優勢。石墨烯材料能夠僅僅貼在不鏽鋼球表面，這層膜即使是氫原子也無法穿透它。Sumant 和他的同事們發現，只需幾層石墨烯就可以同時在潮濕和乾燥環境中作為固體潤滑劑，可謂是個完美的固體潤滑劑。研發團隊在充滿氫氣的氣氛時，他們觀察到一個戲劇性的壽命改善。 當單層石墨烯最終開始磨損時，氫原子躍遷去修復晶格，就像把被子縫合在一起一樣，這意味著單層石墨烯潤滑劑可以保持永久性有效。

再談到潤滑油，我們發現石墨烯層間摩擦力受很多因素的影響，除了堆垛形式、相對滑動方向、尺寸、缺陷和層間距，石墨烯的層數也顯著影響石墨烯層間的摩擦力。中國科學院院薛群基認為四層石墨烯潤滑效果最好，而六層石墨烯能起到防腐效果。也有其他實驗證實石墨烯層數的減小，石墨烯滑動體的總橫向剛度變大，石墨烯層間黏－滑摩擦力逐漸減小。當石墨烯層數為二或三層時，石墨烯層間黏－滑摩擦消失，平均摩擦力幾乎為零。總體來說，我們做過六層石墨烯直接加入基礎油內可以達到摩擦係數 0.08，失重極低，我們也推論當加入三層石墨烯後會有更佳的潤滑表現。