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火爆全网的新型纳米材料石墨烯在润滑油应用中有何优势?

发布时间:2021-08-14人气:228

润滑油

  润滑油是一种可以使机械设备在运转过程中降低摩擦的润滑剂,是由基础油和添加剂组成的。其中,添加剂的作用是使润滑油更加功能化。传统润滑油润滑能力有限,为了提高润滑油的性能,通常会加入一下含硫、磷、氯的添加剂,但是这种添加剂的使用给环境带来了巨大的压力。

  为了改善这一现状,新型的添加剂不断被发现,尤其是纳米材料的出现,为润滑油添加剂提供了很多资源,将纳米材料应用于润滑油中,可以起到减摩、抗磨、抗压等作用。常见的纳米添加剂有硼酸钙、硼酸镁、软金属纳米材料、有机硼化物、有机铝化物和碳纳米材料。石墨烯是一种新型的碳纳米材料,质量轻、强度大、具有优异的导电性和导热性,且石墨烯层与层之间可以滑动,抗磨损性较强,逐渐被人们应用于润滑油领域。

  1.石墨烯

  石墨烯是一种具有宏观尺寸的新型碳纳米材料,其尺寸在同一平面内可以无限扩展,在厚度方面为纳米级别,是一种具有原子级厚度的二维碳材料。随着技术的发展,石墨烯的种类也逐渐增多,根据石墨烯层的数量可以将其分为单层石墨烯、少层石墨烯和多层石墨烯。其中,单层石墨烯的碳原子多为sp2杂化形式,其晶体结构为六元环二维蜂窝状晶格,单层石墨烯的理论厚度为0.335nm。

  石墨烯的成键情况与石墨相同,构成石墨烯的碳原子在2s、2px,和2py轨道上形成杂化轨道,并与相邻的碳原子形成σ键,键角为120°,这种结构特别稳定,且每个碳原子的2pz轨道上剩余一个电子,可以通过电子离域的形式想成大π键。离域的电子在晶体中还可以自由运动,这就使石墨烯具有与石墨等其他纳米材料不具备的特性,例如表面积大、质量轻、导热性能好、能耐高温,可自润滑。

  随着石墨烯的特异性能被逐渐发现,人们不断的改变制备方法,制备不同结构、尺寸、层数的石墨烯,这些基本条件都直接影响石墨烯的性能。目前,已经成功制备的石墨烯有很多种,从层数上可分为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯和多层石墨烯;从价键理论可分为氧化石墨烯、还原石墨烯和还原氧化石墨烯;另外,目前制备的还有功能石墨烯。不同的石墨烯性能不同,当石墨烯的层数多于10层时,性能与石墨相近,当石墨烯的层数少于10层时,则表现出许多特异的性能。氧化石墨烯具有较大的缺陷,而还原石墨烯的缺陷较少,氧化石墨烯想减少缺陷可以通过功能化的方式。

  2.石墨烯的润滑性能

  石墨烯是一种单层或多层结构的碳纳米材料,对于多层石墨烯,层与层之间可以滑动,因此,具有特殊的润滑性能,不同方法制备的石墨烯,层数、层与层之间的距离、堆垛形式、尺寸、形状和缺陷不同,这些参数都会影响石墨烯的润滑性能,除此之外,石墨烯的润滑性能还受相对滑动方向的影响。经研究发现,用于润滑油中的石墨烯,层数的多少对润滑性能有着较大的影响,当石墨烯层数为2~3层时,石墨烯表现出最佳的润滑性能,其摩擦力接近零。因此,堆叠的多层石墨烯作为润滑添加剂具有更佳的润滑性能。另外,石墨烯的堆垛形式对其润滑性能也有较大的影响,以非公度形式堆垛的石墨烯表现出的摩擦力较小,且这种摩擦力会随着石墨烯层间距的增加而减小,以AB形式堆垛的石墨烯现出的摩擦力则不同,其摩擦力随层间距的减小而增加。


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