產學差距究竟有多大–#20. 石墨烯全合成機油該怎麼辨真偽？

01-31

2016-10-08

這篇我們探討石墨烯機油的潤滑機理，不談最基礎的潤滑機理，直接從開發角度去探討相關的技術問題。首先，我們先來了解在對不起志陽來晚了-#5石墨烯全合成機油 - 弄懂石墨烯其實並不難 - 知乎專欄里「摩擦係數」與「磨損量」之間有何種關聯？

「黏著」為兩接觸表面非常接近時所產生之不可逆的鍵結力。當兩個接觸表面相對滑動時打破這些鍵結力的巨觀表現即為「摩擦力」。評定材料磨損的三個基本磨損量是：長度磨損量 Wl、體積磨損量 Wv 和重量磨損量 Ww。「長度磨損量」是指磨損過程中零件表面尺寸的改變數，這在實際設備的磨損監測中經常使用。「體積磨損量」和「重量磨損量」是指磨損過程中零件或試樣的體積或重量的改變數。而實驗室試驗中，往往是首先測量試樣的重量磨損量，然後再換算成體積磨損量；也可以通過測量磨痕寬度等，然後計算出磨損體積。對於密度不同的材料，用體積磨損量來評定磨損的程序度比用重量磨損量更為合理。

反觀，摩擦係數是指兩表面間的摩擦力和作用在其一表面上的垂直之力之比。它是和表面的粗糙度有關，而和接觸面積的大小無關。磨損率反應的是材料的耐磨性能，與磨損量有關，而摩擦係數是磨損材料所具備的性質，表明表面的潤滑程度。一般來講，摩擦係數越大，磨損率就越大，但實際上這是要看「磨損機制」。如果是磨粒磨損、疲勞磨損，那麼摩擦係數越大，磨損率就越大。如果是輕微的粘著磨損，那麼摩擦係數雖然很大的，但是磨損未必大。當然這也和摩擦副的材料有關，比如用刀切豆腐，摩擦係數就很小，但是磨損量是相當大的。

其次，我們來談談潤滑機理幾個變數間的關係。這點要從潤滑油到底有甚麼功用開始談起。見圖 1。潤滑油、潤滑脂統而言之，為「潤滑劑」之一種。而所謂潤滑劑，簡單地說，就是介於兩個相對運動的物體之間，具有減少兩個物體因接觸而產生摩擦的功能者。影響摩擦係數的因素很多，主要有摩擦副材質、載荷、表面粗糙度和溫度等，下面進一步探討幾個變數間的關係。

載荷與摩擦係數之間的關係

在不同的滑動速度條件下，開始摩擦係數都是隨著載荷的增大而減小，但當載荷達到一定的值以後，摩擦係數又隨著載荷的增大而增大。這是因為隨著載荷的增大，摩擦表面的溫度也隨之升高，潤滑油中的添加劑與金屬表面發生摩擦化學反應的速度加快，則反應膜的生成速度也越快，反應膜的生成減小了摩擦表面間的摩擦，所以摩擦係數隨著載荷的增大而減小，但是當潤滑油中的添加劑與金屬表面所發生摩擦化學反應速度達到極限以後，隨著載荷的增大，金屬表面的反應膜會減薄和減少，所以摩擦係數隨著載荷的增大而增大。

載荷與磨損量之間的關係

在不同滑動速度條件下磨痕面積都是隨著載荷的增大而增大的，這是因為隨著載荷的增大，摩擦表面的溫度也隨之升高，潤滑油中的添加劑與金屬表面發生摩擦化學反應的速度加快，所以磨痕面積也增大。

滑動速度與摩擦係數之間的關係

在不同的載荷條件下，摩擦係數都是隨著滑動速度的提高而減小的，因為隨著滑動速度的提高，不但會使反應膜的生成速度加快，而且更容易行測潤滑膜，所以摩擦係數隨著滑動速度的提高反而減小。

滑動速度與磨損量之間的關係

在不同的載荷條件下，開始磨痕面積都是隨著滑動速度的正大而減小，但當滑動速度達到某一數值後，磨痕面積又都是隨著滑動速度的增大而增大，這是因為隨著滑動速度的增大，由於潤滑膜的減摩作用，磨痕面積隨著減小，但是當滑動速度達到這一數值後，潤滑油中的添加劑與金屬表面發生摩擦化學反應速度加快，所以磨痕面積也隨之增大。

接著，我們從實際測試數據來解讀石墨烯的潤滑機理。一般而言，實驗室的測試被期待能精確複製潤滑油在實際運用上的狀況。這些油品的使用可能是幾個月或甚至是幾年的期間。有些測試方法可以很直接有效的反應出油品的運用關係，但可能是會耗費幾個月的時間來完成試驗；有些測試僅需幾天或甚至是幾小時來完成，但是其數值可能比較無法完全和實際的運作相符合。不論測試方法反應實際運作的程度如何，解讀測試結果的經驗技巧是非常重要的。我們先來看圖 2 顯示各種潤滑添加劑在減低摩擦係數上作用的示意圖，這張圖也解釋了我們在 2014 年用同樣石墨烯加入基礎油的摩擦係數比現今用石墨烯加入合成油還要低的現象。

或許有朋友會問，既然在 2014 年就已經完成試樣，為何不立馬生產呢？其實關鍵在傳統基礎油並無法直接作為機油，還有另一個重要的角色就是「添加劑」。那也就是當最近測試數據出來後，我可以宣布石墨烯全合成機油已經可以上市的原因。

添加劑是化學物質，用來改變油、脂的性質，以提升其潤滑或化學穩定性。添加劑一般僅占濕式潤滑劑 (油、脂、膏) 的 5% 重量，但對潤滑劑的用途與性能有極大的影響。若兩種潤滑油，使用同一基礎油，但添加完全不同的添加劑，就會產生完全不同的潤滑特性，因此添加劑本身的規格無法用來作為適用於特定應用與否的判斷基準。有些添加劑組合有相乘作用，有些添加劑組合卻會互相削弱，有些添加劑會互相影響其在基礎油中的溶解度，專業潤滑劑乃是針對特定應用的磨潤狀況，選擇效果最佳的添加劑組合與份量，以優化其磨潤特性。添加劑按功能分主要有抗氧化劑、抗磨劑、摩擦改善劑（又名油性劑）、極壓添加劑、清凈劑、分散劑、泡沫抑製劑、防腐防鏽劑、流點改善劑、粘度指數增進劑等類型。要想在潤滑油性能方面有所提升，除了進一步提高基礎油的質量之外，添加劑的使用和改進也是必不可少的。

而添加劑的作用包括：

1. 賦予潤滑油新的性能；

2. 加強基礎油的性能；

3. 減緩潤滑油發生不好變化的速度。

過去，添加劑是為了改善潤滑油在邊界摩擦（Boundary Friction）、混和摩擦（Mixed

Friction）時的潤滑能力而加入。在邊界摩擦與混和摩擦狀態，由於油膜未能完全隔離兩摩擦面，而有相當程度的固體直接接觸，需要透過化學或物理方式保護摩擦面以降低磨損程度。潤滑性添加劑主要區分為「減低摩擦力」以及「磨耗控制」兩類。前者包括減摩劑、固體潤滑劑等，後者包括抗磨劑、極壓劑等。石墨、MoS2 這類固體懸浮型添加劑主要起「減摩抗磨」作用。

經磨耗測試後得知，納米 MoS2 粉體添加劑添加於基礎油中有良好的抗磨及減摩的功能，其抗磨及減摩的機理主要通過下列三個途徑實現：

(1) 類似微軸承作用，減少摩擦阻力，降低摩擦係數；

(2) 在摩擦條件下，納米粉體在摩擦副表面形成一個光滑的保護層；

(3) 填充摩擦副表面的微坑和損傷部位，因而起修復作用。

但美中不足的是，許多的傳統固體潤滑劑如：石墨、MoS2、CeF3、CeO2、BN 及 PTFE 添加於潤滑油中能有效的改善潤滑油的磨潤性質，但這些傳統的固體潤滑劑，極易氧化及沉澱，它們在潤滑油中的狀態不穩定，在一定的時間及溫度條件下會發生析出現象。其析出物會造成油路的堵塞，並加速油泥的形成。另外，由於金屬納米顆粒難以分散於潤滑油中，一般存在穩定性不佳、易團聚的問題，使其應用受到一定程度的限制。然而，這些分散的問題可以利用表面修飾方法加以解決，通過在無機納米微粒表面鍵合一層長鏈有機化合物，而使得它們在有機溶劑及潤滑油中的分散性得以明顯改善。

若單獨而言，減摩劑指的是分子鏈一端有極性 (Polarity) 的油性分子，例如酯 (ester) 即具有此特性而常被用來當作減摩劑。減摩劑的極性分子端對金屬有很強的吸附能力，因此減摩劑能均勻包覆、附著於金屬表面，形成低摩擦係數的一層油膜。然而減摩劑與抗摩劑不同，並不與金屬發生化學反應。兩者結合時，石墨烯添加劑粒子可以自動吸附在金屬表層，可以填補孔洞外，增加附著組件的表面硬度，更加抗磨，機械組件因表面硬度改變、摩擦係數降低，使機械組件更耐久、潤滑效能大增，進而降低維修成本。

但添加劑無論其特性再好再有效，都不會是決定潤滑油質量的唯一條件。潤滑油質量的高低，除了添加劑的組分有相當大的貢獻之外，基礎油的質量種類也扮演著非常重要的角色。簡單的說，我們不可能期待單純以添加劑的技術來強化中低階的基礎油而得到優良的潤滑油品。同樣的，也無法單就優良的基礎油而沒有適當的添加劑就可以符合現今的工業規範要求。這就是我在 2014 年已經完成石墨烯基礎油摩潤測試後還不敢發表的主要原因。

還好石墨烯不是顆粒狀，再加上耐氧化溫度在 650℃，實在是不用太擔心析出的問題。石墨烯屬於片狀結構，有別於 MoS2 屬顆粒狀結構以「微軸承」將滑動摩擦轉化為滾動摩擦，石墨烯更應該以「薄膜潤滑」機理來探討。至於石墨烯的潤滑機理又是如何呢？

潤滑油膜層數越多，越趨向於薄膜潤滑；而當薄膜層數較少時，可能出現干摩擦與薄膜潤滑的混合作用。當僅有基礎潤滑油工作時，由於摩擦副為點接觸，且載荷為高載荷，其摩擦機理為「臨界狀態」。隨著石墨烯的添加，石墨烯不斷覆蓋在摩擦副表面，摩擦副表面的粗糙度被石墨烯表面的粗糙度所替代，Ra 下降，而h基本不變，所以潤滑機理逐漸趨向薄膜潤滑，潤滑油力學性能有所提高。當石墨烯質量分數不斷增加時，石墨烯在摩擦副表面堆積，阻斷潤滑油膜的形成，h 大幅下降，h╱Ra 隨即下降，潤滑機理折回到混合潤滑區，潤滑油的摩擦性能反而下降。其中，h 代表摩擦副間潤滑油膜的厚度，Ra 代表摩擦副接觸面的粗糙度，h╱Ra 定義為油膜的層數。

以這次石墨烯全合成機油在橫向尺度 20 微米的測試數據來看，1.0wt% 的摩擦係數比 0.5wt.%還要高就是這個道理，我們可以進一步解讀為：

1. 石墨烯比氧化石墨烯在潤滑效果更佳；(因為比表面積越大，摩擦力越大)

2. 石墨烯層數越多，潤滑性越好；(但單層無法形成 AB 堆棧之層間滑動，潤滑效果更差)

3. 石墨烯層數越多，耐磨性越差；

4. 橫向尺度越大，潤滑性越好；

5. 石墨烯之滲濾閾值不是越大越好。

你問我為何都能清楚說出這些機理？只要你像我做過那麼多試驗，懂得從試驗結果反推出正確的機理，相信你們也可以做到。但記得千萬不要相信坊間只會空言：將發動機無大修里程延長到 70 萬公里以上，壽命延長 3 倍以上。節省燃油 5%～15%，延長一倍以上換油周期。懂點常識的人都知道這根本不合邏輯，沒有實際測試數據及參考基準都是在耍流氓！