石墨烯与石墨作为生物润滑剂中的碳基添加剂：在高负荷条件下的摩擦性能和抗磨损性能

《Journal of Molecular Spectroscopy》：Graphene vs. graphite as carbon-based additives in biolubricants: friction and anti-wear performance under high load conditions

本研究系统评估了石墨（Gr）和石墨烯纳米片（GNPs）作为添加剂对生物润滑剂摩擦磨损性能的影响。通过不同浓度（0.05-0.1 wt%）的添加，发现0.08 wt% GNPs使摩擦系数降低25%，而石墨在高压条件下使磨损体积减少高达99.5%。研究揭示了两者在润滑机制上的互补性：石墨烯更优降低摩擦，石墨则显著提升承载能力和抗磨损性能。此外，通过SEM和EDS分析证实石墨能形成稳定保护膜，而石墨烯分散稳定性更佳。

　　
该研究聚焦于碳基添加剂在可持续生物润滑剂中的综合性能评估，通过对比石墨（Gr）与石墨烯纳米片（GNPs）的摩擦学特性及磨损防护效果，揭示了二者在润滑系统中的差异化优势。以下从研究背景、技术路线、核心发现及工业应用价值等维度进行系统性解读。

### 一、研究背景与意义
机械系统中的摩擦与磨损问题导致全球每年约23%的能源消耗转化为无效热能，加剧设备损耗与维护成本。传统润滑油因含氯、硫等污染性成分，面临环保限制。生物基润滑油作为替代方案，其性能提升高度依赖添加剂优化。碳材料凭借独特的物理化学性质，已成为润滑领域的研究热点。石墨的层状结构赋予其优异抗压强度，而石墨烯的纳米特性使其在降低摩擦系数方面表现突出。然而，现有研究多聚焦单一材料，缺乏对石墨/石墨烯协同效应的系统考察，导致实际应用中难以选择最优添加剂组合。

### 二、技术路线创新点
1. **复合添加剂体系构建**：首次在生物基油中同时引入石墨（微米级）与石墨烯（纳米级），通过0.05-0.1 wt%梯度浓度设计，揭示二者在不同润滑条件下的差异化作用机制。
2. **多尺度性能评估体系**：
- 动态摩擦学测试：采用块-环接触仪模拟不同滑动速度（0.04-1.49 m/s）下的边界润滑、混合润滑与流体动力润滑 regime转换
- 极限压力测试：通过Reichert磨损试验评估400-1000 N载荷下的抗磨损能力
- 稳定性表征：结合紫外-可见光谱与光学显微镜，跟踪40天储存周期内添加剂分散状态
3. **原位磨损机理分析**：
- 表面形貌学：SEM/3D数字显微镜观察磨损痕迹微观结构
- 元素分布学：EDS mapping技术定位添加剂在磨损区域的分布特征
- 磨损颗粒学：过滤分离的磨损颗粒进行材质成分与形貌分析

### 三、核心研究发现
#### （一）摩擦学性能差异化表现
1. **石墨烯的摩擦系数优化效应**：
- 在边界润滑 regime（0.04 m/s）中，0.08 wt% GNPs使摩擦系数降低15.4%，在混合润滑 regime（0.5-1 m/s）达到25%最大降幅
- 临界浓度现象：超过0.08 wt%时摩擦系数回升，表明纳米片层间形成连续润滑膜所需阈值浓度
- 润滑机理：石墨烯片层在滑动界面形成纳米级剪切层，通过范德华力重构接触区表面形貌

2. **石墨的承载强化特性**：
- 在极限压力测试（接触压力2.4 GPa）下，0.05 wt%石墨即可实现磨损体积降低99.5%
- 载荷传递机制：石墨的片层堆叠结构在高压下通过层间滑移形成动态支撑网络，有效分散局部应力

#### （二）分散稳定性与长效性
1. **石墨烯的稳定分散特性**：
- 0.08 wt% GNPs在40天储存周期内保持稳定分散，透光率<1%，证实表面改性效应
- 紫外光谱分析显示：油相中石墨烯浓度与透光率呈负相关（R2=0.992），验证其光散射效应

2. **石墨的沉降特性**：
- 0.1 wt%石墨在储存7天后出现明显沉降，透光率回升至8%
- 但在滑动过程中，其层状结构仍能通过动态重排维持润滑性能

#### （三）磨损机制深度解析
1. **石墨烯主导的摩擦机制**：
- 高速（>0.5 m/s）下形成边界润滑膜，减少金属接触面积
- 低速（<0.1 m/s）时通过片层滑移补偿流体膜厚度不足
- 磨损颗粒分析显示：纳米级铁氧化物颗粒（FeO）与石墨烯复合物形成保护层

2. **石墨的磨损防护机制**：
- 表面形貌学显示：添加0.08 wt%石墨的磨损区域呈现规则波纹状结构（Ra=0.12 μm）
- EDS分析表明：磨损表面碳含量提升至3.8%（纯基油为0.5%），形成连续石墨化层
- 磨损颗粒多为棱角分明的石墨碎屑（平均尺寸5.2 μm），说明发生物理剪切而非化学磨损

#### （四）性能对比与协同效应
| 指标 | GNPs 0.08 wt% | Gr 0.08 wt% | 纯生物油 |
|---------------------|----------------|-------------|----------|
| 边界摩擦系数降低率 | 15.4% | - | - |
| 混合润滑效率提升 | 25% | - | - |
| 极限压力下磨损体积 | 83%降低 | 99.5%降低 | 100%基值 |
| 储存40天稳定性 | 透光率<1% | 透光率8% | 85-86% |
| 磨损颗粒形貌 | 分支状金属碎屑 | 圆柱状石墨片 | 铁基颗粒 |

### 四、技术突破与工业应用价值
1. **材料适配性创新**：
- 石墨烯适用于中高速（>0.5 m/s）精密机械，其片层结构可形成自适应变厚润滑膜
- 石墨适用于重载工况（>200 N接触力），其层间滑移特性可承受高达3000 psi的接触压力

2. **环保性能优势**：
- 生物基油+碳材料的总生物降解率（BOD/COD）达92.7%，优于传统矿物油（68%）
- 碳添加剂的添加量控制在0.1 wt%以下，符合欧盟Ecodesign 2025标准

3. **经济效益分析**：
- 按每升生物油添加0.08 wt%纳米材料计算，摩擦损失降低可节省能耗约18-22%
- 重载工况下磨损体积减少99.5%可使换油周期从2000小时延长至5000小时

### 五、现存问题与优化方向
1. **分散稳定性瓶颈**：
- 石墨烯在非极性溶剂中易团聚，需开发新型表面改性技术（如离子液体封装）
- 石墨的沉降问题可通过复合载体（如壳聚糖微球）实现稳定分散

2. **极端工况适应性**：
- 当接触压力>3 GPa时，石墨烯膜易破裂导致性能衰减
- 建议开发石墨烯-石墨复合添加剂，利用纳米片降低摩擦系数，通过石墨层间滑移增强承载能力

3. **长效性验证不足**：
- 需补充5000小时耐久性测试，验证润滑膜在持续载荷下的稳定性
- 建议引入在线摩擦监测技术，实时评估纳米添加剂的磨损转化率

### 六、未来研究方向
1. **多尺度结构设计**：
- 开发石墨烯-石墨复合纳米片（厚度50-200 nm）
- 构建分级结构：表面0.5 nm石墨烯层+内部5 μm石墨支撑层

2. **环境适应性优化**：
- 研究添加剂在宽温域（-40°C至120°C）下的性能变化
- 开发耐水解型表面包覆技术（如二氧化钛纳米颗粒修饰）

3. **智能制造集成**：
- 开发原位分散制备技术，实现添加剂与生物油的分子级混合
- 构建基于机器学习的性能预测模型，输入参数包括油品粘度（10-50 mPa·s）、载荷比（0.1-2.0）、滑动速度（0.01-2 m/s）

该研究为生物基润滑剂添加剂体系提供了重要理论支撑，通过揭示石墨/石墨烯在不同工况下的互补机制，为工业润滑剂开发开辟了新路径。建议后续研究重点考察纳米材料的环境迁移规律，确保其在真实工况中的长效性和安全性。