石墨烯摩擦学及石墨烯基复合润滑材料的研究进展

本综述详细介绍了二维碳纳米材料-石墨烯的纳米摩擦学性能,以及作为纳米润滑薄膜、润滑添加剂和润滑填料的研究进展.总结了石墨烯的各种纳米摩擦机理,阐述了通过自组装、多层构筑、表面化学改性等技术改善石墨烯与基底的结合性、润滑剂中的分散性,与基体材料的界面结合强度以及石墨烯提高材料减摩抗磨性能的机制,并指出石墨烯作为高性能润滑材料仍需解决的问题及未来的研究趋势.     

基于Lenosky原子作用势单层石墨烯片的力学模型

基于对Lenosky 碳-碳共价键作用势连续化得到的单层石墨烯的势能和Hamilton 原理,导出了单层石墨烯的动力学方程. 使用该数学模型及Galerkin 方法,研究了矩形单层石墨烯片的静力挠曲问题. 结果显示,石墨烯片的几何尺寸较小时,弯曲刚度对结构的受力影响较大,可用板理论来描述;随着结构尺寸的增大,弯曲刚度的影响迅速降低;当矩形石墨烯片的短边尺寸大于10 nm 时,可以忽略弯曲刚度对结构的影响,使用薄膜理论来描述单层石墨烯的力学性质.      

A MECHANICS MODEL OF A MONOLAYER GRAPHENE BASED ON THE LENOSKY INTERATOMIC POTENTIAL ENERGY

基于对Lenosky 碳-碳共价键作用势连续化得到的单层石墨烯的势能和Hamilton 原理,导出了单层石墨烯的动力学方程. 使用该数学模型及Galerkin 方法,研究了矩形单层石墨烯片的静力挠曲问题. 结果显示,石墨烯片的几何尺寸较小时,弯曲刚度对结构的受力影响较大,可用板理论来描述;随着结构尺寸的增大,弯曲刚度的影响迅速降低;当矩形石墨烯片的短边尺寸大于10 nm 时,可以忽略弯曲刚度对结构的影响,使用薄膜理论来描述单层石墨烯的力学性质.     

类石墨烯二硫化钼的制备及其真空摩擦学性能研究

采用电化学剥离法制备了类石墨烯二硫化钼(MoS_2)片层,采用场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜表征了类石墨烯二硫化钼的结构.利用真空摩擦试验机测试了含类石墨烯MoS_2添加剂离子液体(IL-MoS_2)的摩擦学性能并与纯离子液体(IL)进行了对比.利用光学显微镜和扫描电子显微镜观察磨斑处的形貌并用X射线光电子能谱仪表征了IL-MoS_2摩擦前后的化学状态,并对润滑机理进行了分析.结果表明:电化学剥离法成功制备了类石墨烯MoS_2,这种制备方法简单易行,制得的类石墨烯MoS_2面积大,质量好,能保持二硫化钼固有的结构.IL-MoS_2对钢/钢摩擦副具有优异的减摩抗磨作用;摩擦过程中,纳米尺寸的二硫化钼吸附在钢/钢摩擦副界面形成了保护层,避免摩擦副的直接接触,降低摩擦磨损.     

双层金属纳米板界面能密度的尺寸效应

界面能密度是表征纳米复合材料与结构界面力学性质的重要物理量.采用分子动力学方法计算了不同面心立方金属晶体构成的双材料纳米薄板结构的界面能密度,分析了界面晶格结构形貌变化及界面效应对原子势能的影响.结果表明:双材料纳米薄板界面具有周期性褶皱状疏密相间的晶格结构形貌,界面上原子势能亦呈现周期性分布特性,而靠近界面的两侧原子势能与板内原子势能具有明显差异.拉格朗日界面能密度和欧拉界面能密度均随双层薄板厚度的增加而增加,最终趋向于块体双材料结构的界面能密度.     

考虑接触界面材料微观结构与势能参数的滑动摩擦计算研究

根据独立振子模型的能量耗散机理,提出了在无磨损界面摩擦中,利用通用界面粘附能量函数计算滑动时接触界面势能的变化从而计算摩擦力和摩擦系数的方法,建立摩擦力和摩擦系数与金属材料表面能与微观结构参数的关系,并利用已有的实验数据进行计算.结果表明,摩擦力与金属材料的表面能基本呈线性关系,与比例参数呈线性负相关关系,与晶格常数基本无关.计算结果与粘附理论公式以及超高真空原子力显微镜试验结果吻合较好.     

摩擦磨损的接触界面势垒理论研究

根据系统和能量的观点,从摩擦界面的微观相互作用出发,提出摩擦磨损的接触界面势垒理论,研究接触界面势垒和标准接触界面势垒的计算方法,并推导出摩擦力、摩擦系数以及粘着磨损量的计算公式.研究表明,界面的摩擦磨损性能取决于接触界面势垒的大小和分布,用标准接触界面势垒作为表征摩擦副材料摩擦磨损特性的指标具有较好的独立性和稳定性.利用已有的实验数据进行计算,结果与超高真空原子力显微镜实验结果基本符合,验证了所提出理论和方法的可行性.     

改性石墨烯增强聚四氟乙烯摩擦学性能的分子模拟研究

采用分子动力学模拟研究了接枝改性氧化石墨烯对聚四氟乙烯(PTFE)的增强作用与摩擦学性能的影响,首先选用KH550、KH560和KH570三种硅烷偶联剂接枝氧化石墨烯(GO),在填入纯聚四氟乙烯后计算其机械性能与摩擦性能. 对比得出KH560的增强效果最好,杨氏模量和剪切模量分别提高了205%和116%,摩擦系数提高了39.6%. 然后选用聚酰亚胺(PI)接枝氧化石墨烯,对比了接枝改性与物理共混两种方式对增强效果的影响,结果表明接枝改性的增强效果优于物理共混. 最后通过分析界面间相互作用力、结合能、原子相对浓度和原子运动速度等方式揭示了接枝氧化石墨烯对聚四氟乙烯基体的增强机理.      

弹性接触问题的势能原理及其算法

本文从弹性有摩擦接触问题的最小余能原理出发,首先约化了二次规划计算表的尺度,然后对这个计算表进行反演,推出最小势能原理的二次规划计算表。指出计算工作可以从最小势能原理直接进行,而不必通过余能原理来转化。最后对最小势能原理作出了表述形式及其证明。     

基于不同探针作用下石墨烯边界效应的摩擦调控

石墨烯作为一种固体润滑剂,广泛应用于微纳机械设备中. 尽可能地减少石墨烯的摩擦是提高器件性能、延长器件寿命的关键措施. 采用改变石墨烯表面作用区域的方法对石墨烯与探针尖端的摩擦进行了研究. 利用锥形探针和球形探针测量了石墨烯与SiO₂/Si基底的边界位置及到石墨烯中心区域之间的平均摩擦力. 结果表明:对于单层石墨烯,在锥形探针的作用下,石墨烯中心区域的平均摩擦力明显大于其边界区域处的平均摩擦力;而在球形探针的作用下,石墨烯的平均摩擦力随所选区域的变化不明显. 对于多层石墨烯,在两种探针作用下,石墨烯的平均摩擦力随所选区域的变化都不明显.      

孔隙深度对多孔储液介质摩擦学性能的影响研究

多孔储液介质凭借其独特的孔隙结构可以储存并释放润滑介质,具备良好的自润滑性能. 利用计算流体力学(CFD)方法研究了孔隙深度对多孔储液介质摩擦界面流体压力分布的影响;考虑气-液界面的弯月面力作用,研究了不同孔隙深度的多孔储液介质气-液承载模型以及气-液二相的最小压差分布规律. 基于模拟计算结果,采用3D打印技术制备了不同孔隙深度的多孔储液介质,进一步考察了孔隙深度对其摩擦学性能的影响. CFD模拟结果表明合理设计孔隙深度能够增强多孔储液介质的流体动压润滑效应,孔隙深度较低会使得润滑升力不足,孔隙深度过高又会使得孔隙中流体产生回流循环,削弱楔形效应. 气体进入多孔储液介质摩擦副表面后,在孔隙中形成气-液二相受压承载,其最大承载力随着孔隙深度的增加先升高后趋于平稳,但孔隙深度越小,对润滑作用的积极效果越显著. 摩擦试验表明多孔储液介质的摩擦系数随着孔隙深度的增加呈先降低后增加的趋势,与模拟计算结果一致. 因此合理设计多孔储液介质的孔隙深度,能优化多孔储液介质的润滑性能.      

石墨烯的功能化改性及其作为水基润滑添加剂的应用进展

传统的油基润滑剂在使用过程中通常存在冷却性能差,易造成环境污染等问题,近年来绿色环保的水基润滑逐渐受到科学家们的关注. 水由于自身黏度低且易挥发等特点,其作为润滑剂时润滑效果不佳,因此亟待发展高效的水基润滑添加剂来改善其摩擦磨损性能. 在本文中,作者综述了近年来石墨烯基纳米材料的功能化改性及其作为水基润滑添加剂的最新研究进展,总结了其在摩擦过程中的润滑机理,并对目前石墨烯水基润滑添加剂存在的问题及今后重点研究内容进行了展望.      

界面调控对类金刚石碳基薄膜/铜摩擦副摩擦学行为的影响

无氢DLC/金属铜摩擦副体系摩擦系数高且不易调控，调整DLC/金属铜摩擦界面从而降低其摩擦系数是亟待解决的问题. 本研究中通过制备含氢与无氢类金刚石碳基薄膜，采用试验分析与模拟计算结合的方法研究了不同氢含量碳基薄膜与铜配副的摩擦学特性并讨论了氢原子在摩擦界面对改善摩擦学性能所起的作用. 结果表明:摩擦界面的结构特性对于类金刚石碳基薄膜/铜配副体系摩擦学性能有非常重要的影响，氢原子可以通过减小摩擦副之间的黏着从而起到调节摩擦界面的作用. 通过向DLC中掺杂氢等钝化元素可有效调控界面处的相互作用从而调控体系摩擦学性能. 本研究方法为降低DLC/铜摩擦副体系摩擦系数提供参考.      

基于表面织构技术改善摩擦学性能的研究进展

利用表面织构技术改善材料表面摩擦学性能已被大量应用于许多工程领域. 然而,通过表面织构技术提高材料表面的减摩耐磨性能的确切机理仍不清楚,因此,研究人员进行了大量表面织构几何特征和工况条件的优化来研究表面织构技术的机理及应用范围. 本文作者回顾了近年来表面织构技术在控制摩擦方面的主要研究成果,从不同润滑条件下的减摩机制与理论模型展开讨论,重点从表面织构的几何特征和实际工况条件两个方面来评述改善材料表面摩擦学性能的最新进展,其中,几何特征包括表面织构的纹理形状、直径、深度、面密度和排列方式;实际工况条件取决于摩擦形式及操作条件,根据摩擦系数、磨损量、承载能力、阻力系数及升力系数等体现摩擦学性能的参数,对改善表面摩擦学性能的参数和条件进行分析和总结. 深入研究精确的理论模型和普适性的模拟方法并开发改善摩擦学性能的参数优化方法是未来的研究重点和方向.      

Tribological behavior of the boron succinimide on cylinder liner and piston ring surfaces

In this study, tribological performances of two types of anti-wear additive, boron succinimide anti-wear package and ZnDTPs, were investigated in the cylinder liner and piston ring tribological system with a reciprocating tribotest machine. The tribological performances of oils were evaluated in three main contexts including wear rates, surface tribofilm formation and friction. Results showed that NP-3 (boron succinimide containing) lubrication oil which was environment and catalyst friendly, can be an alternative lubrication oil with its tribological performance due to its friction and wear reduction capacity.     

磨合过程中液体润滑实现超低摩擦的混合模型研究

针对球-盘滑动试验,在磨合过程中获得超低摩擦的液体润滑状态,建立耦合流体润滑、粗糙接触力学、Archard磨损方程和相关物理参数(液体黏度、表面粗糙度和磨损系数)时变函数的混合模型,研究磨合过程中液体润滑的摩擦系数演化. 通过数值模拟结果可知:在磨合过程中,润滑介质等效黏度增大,形成流体动压润滑薄膜,有效隔开粗糙表面;其次在磨合过程中,新生成的表面粗糙度降低,减少粗糙峰承载比,实现超低摩擦润滑状态;最后在适当的液体黏度和提高表界面效应减少边界摩擦系数,可进一步实现液体超低摩擦润滑状态. 为磨合过程宏观液体润滑性能演化所建立的混合数值模型对提高液体润滑超低摩擦设计效率具有重要价值意义.      

船舶水润滑尾轴承当量半径等效计算及其摩擦学性能研究

水润滑尾轴承摩擦磨损性能是影响船舶工作性能的主要因素之一,合理预测水润滑尾轴承工作过程中的摩擦系数对其性能评估具有重要意义.目前对于水润滑尾轴承摩擦系数的理论计算公式已经存在.但由于销盘试验下无法有效获取当量半径,公式在销盘试验条件下的实用性不佳.对此在总结了边界润滑条件下,水润滑尾轴承摩擦机理的基础上,通过在CBZ-1销盘试验机上进行大量试验来进行当量半径等效参数计算公式的总结与摩擦系数经验公式的验证.研究结果表明:(a)在使用理论摩擦系数计算公式的前提下,当量半径等效参数公式拟合合理,具备较高准确性;(b)试验材料的理论摩擦系数与实际摩擦系数误差较小,为同类型试验摩擦性能研究提供了理论与试验基础;(c)水润滑尾轴承材料在工作过程中的摩擦力来源主要分为滞后摩擦力、犁沟摩擦力以及黏着摩擦力.当其处于边界润滑状态下时,滞后摩擦力为主要的摩擦力来源.该研究为水润滑尾轴承的等效当量半径在销盘试验条件下的应用提供了试验基础.     

石墨烯润滑添加剂合成与结构调控

石墨烯的微观结构在其摩擦学性能中起到重要作用,而微观结构又与其合成方法密切相关. 因此,梳理石墨烯的合成方法、微观结构调控策略、摩擦学性能以及润滑机理之间的关系对于开发高性能的石墨烯润滑添加剂具有重要意义. 本文作者从石墨烯润滑添加剂的合成与结构调控出发,综述了多种调控石墨烯微观结构的合成方法,归纳了石墨烯稳定分散的合成策略,阐述了石墨烯润滑添加剂的微观结构对其摩擦学性能的影响,探讨了石墨烯的微观结构演变与润滑机理,最后总结并指出石墨烯作为高性能润滑添加剂仍需研究的问题及未来的发展趋势.      

羽状氮化碳水润滑剂对环氧树脂-不锈钢配副摩擦学性能的影响

随着人们环保意识的逐渐增强,对可能存在污染或破坏环境且造成资源浪费的生产活动以及设备的更新升级提出了新的更高的要求. 对于介质润滑领域,尤其是应用广泛且节能环保的水润滑领域,相比传统的润滑油,水作为润滑剂除了安全性高和具有冷却作用外,最大特点就是绿色环保、节约资源且成本低廉. 但是,纯水本身具有一些不足之处,比如黏度低、耐极压能力差、承载和润滑性能差等,导致纯水不适合直接作为润滑剂,这在很大程度上限制了涉及水润滑相关产业的发展. 基于此,在本文中以柠檬酸和尿素为原料,采用一步水热法合成了羽状氮化碳材料. 此方法的特点在于可将氮化碳原位分散于水中,制成水基润滑剂,既实现了溶质的均匀分散和有效抑制团聚,同时可以制备微米级分布的水溶性氮化碳材料. 将其作为水润滑剂,利用环-块摩擦磨损试验机,以逐滴滴加的方式考察了不同质量分数羽状氮化碳对环氧树脂-不锈钢配副在苛刻边界润滑条件下的摩擦学性能. 材料的微观形貌表征结果表明:体相氮化碳在水热条件下直接发生了层间剥离,生成了层间结构蓬松的羽状结构材料. 由于水热条件下的高温和高压环境,导致其层间结合强度显著降低. 同时,蓬松的层间结构有利于氮化碳材料在摩擦过程中向界面转移,在界面形成薄而连续的转移膜. 界面转移物质的拉曼分析结果表明:相较于单纯去离子水,以羽状氮化碳为水润滑剂时,金属对偶表面转移的含碳物质的有序化程度显著提高,而且有序化程度随着水润滑剂中氮化碳含量的增加而逐步提高,间接表明氮化碳材料在界面形成了结构有序的转移膜. 而且氮化碳基转移膜的承载能力和润滑性能俱佳,它可有效保护环氧树脂(EP)-不锈钢配副,避免单纯去离子水润滑时因其承载和润滑性能差导致EP严重磨损的发生. 纯去离子水作为润滑剂时,配副的摩擦系数和EP磨损量分别为0.56和2.92×10?4 mm3/(N·m). 而逐滴添加质量分数20%的羽状氮化碳水润滑剂,上述配副的摩擦系数和EP磨损量分别下降了71.4%和78.1%. 原位水基羽状氮化碳作为一种新型绿色环保水润滑剂,在聚合物-金属配副的润滑设计和使用寿命延长方面具有一定的研究价值和应用潜力.      

MGO-MicroLMs/PS微胶囊润滑复合材料制备及摩擦学性能

以改性氧化石墨烯(MGO)/聚苯乙烯为复合壁材,硬脂酸丁酯为润滑芯材,通过种子微悬浮聚合法制备了改性氧化石墨烯微胶囊润滑材料(MGO-Micro LMs),以MGO-Micro LMs为润滑添加剂,经本体浇铸成型制备MGOMicro LMs/PS复合材料.采用IR和SEM表征了化学组成和微观形貌,以微机控制电子万能试验拉伸机和高速往复摩擦磨损试验仪评价了断裂行为和摩擦学性能,以Mico-XAM非接触式三维表面轮廓仪观察磨痕表面形貌并计算磨损率.结果表明:MGO-Micro LMs在聚苯乙烯基体中具有良好的分散性和相容性,同时对聚苯乙烯基体材料具有增韧效果;MGO-Micro LMs可以提高聚苯乙烯基体材料摩擦磨损性能,具有润滑和减摩作用,MGO-Micro LMs润滑机理为边界润滑.