行业宝典 |《2021石墨烯润滑油行业研究报告》正式发布 - 联盟活动 - 石墨烯联盟
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行业宝典 |《2021石墨烯润滑油行业研究报告》正式发布

 

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  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。早在20世纪80年代初期,Hisakado等发现将二硫化钼和石墨分散在基础油中可改善减摩抗磨性能。纳米金属微粒作为润滑油添加剂也可改善润滑油的极压抗磨性能,其摩擦学机理主要有两方面:其一,金属微粒可以被看做“微轴承”,将滑动摩擦转化为滚动摩擦;其二,金属微粒可以填充于摩擦副的表面损伤部分,起到修补作用。
  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,能有效提高基础润滑介质的减摩、抗磨和极压性能,改善机械系统摩擦学性能,对节能减排和环保具有重要意义。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、有机铝化碳纳米材料中的纳米金刚石和碳纳米管作为润滑油添加剂可以避免摩擦副直接接触,改善润滑油的减摩抗磨性能。碳纳米润滑油添加剂取代了传统含有硫、磷、氯等元素的添加剂,解决了其对摩擦副带来的腐蚀和环境问题;同时纳米添加剂粒径小,在基础油中分散均匀,并可以填充摩擦副表面的划痕,起到修复作用;而且纳米颗粒以胶体的形式分散在油中,不易形成堵塞。
  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。
 
润滑机理:为了研究石墨烯的润滑机理,人们总结出了薄膜润滑机理。
  ——润滑现象可以用“薄膜润滑”原理进行解释 , 其中 h 代表摩擦副间润滑油膜的厚度,Ra代表摩擦副接触面的粗糙度,h/Ra定义为油膜的层数。润滑油膜层数越多,越趋向于薄膜润滑;而当薄膜层数较少时,可能出现干摩擦与薄膜润滑的混合作用。
  ——当仅有基础润滑油工作时,由于摩擦副为点接触,且载荷为高载荷,其摩擦机理为临界状态。随着石墨烯的添加,石墨烯不断覆盖在摩擦副表面,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 基本不变,h/Ra 变大,层数变多,润滑机理逐渐趋向薄膜润滑,润滑油力学性能有所提高。当石墨烯质量分数不断增加时,石墨烯在摩擦副表面堆积,阻断润滑油膜的形成,h大幅下降,h/Ra 随即下降,润滑机理折回到混合润滑区,润滑油的摩擦性能反而下降。
  综合考虑干摩擦与薄膜润滑机理,其摩擦界面包括三种摩擦:第一种是两摩擦副表面润滑油的薄膜润滑;第二种是摩擦副直接接触形成干摩擦;第三种是摩擦副表面堆积的石墨烯发生的干摩擦。摩擦因子与三种摩擦的接触面积有关。当只有润滑油基础油工作时,其润滑处于临界状态,同时存在干摩擦与薄膜润滑;当有适当质量分数的石墨烯参与润滑时,薄膜润滑占主导地位,摩擦因子较低;当石墨烯质量分数较高时,石墨烯间的干摩擦作用凸显,且逐渐占据主导地位,摩擦因子不断上升。
 
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图 薄膜润滑机理分布图

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图 石墨烯润滑油摩擦实验示意图
 
  石墨烯改性润滑油作用机制:摩擦表面形成复合保护薄膜 ( 薄膜润滑原理 ),具有如下优点:
(1)延长发动机寿命:二维 G 和一维 CNT 有效组合,利用片状 G 在摩擦表面强附着作用和线状 CNT 的搭接作用,在摩擦表面生成稳定的保护膜,减少部件的直接磨损。
(2)提升动力、节油、减排:该保护膜薄膜具有多孔性,吸附油脂、磨损产生小颗粒物质、油降解产物等,具有“液 - 固双润滑”功效。
(3)延长润滑油使用寿命:借助石墨烯优异的导热性能,该保护膜可减少摩擦界面局部热点的产生。
(4)可防止干磨:该保护膜厚度小于几微米,机械运转和停止时,均稳定存在不脱落。
 
  在众多的润滑油添加剂中,石墨烯是一种性能优异的新型添加剂,将其添加到基础油中,可以提高润滑油的润滑性能和抗磨性能,但是,石墨烯表面存在大量的羟基、羧基等亲水基团,因此,与基础油的相容性不是很好,将其添加到基础油中,出现了分散稳定性差、易团聚等问题,从而影响了石墨烯性能的发挥,因此,目前对石墨烯的研究主要集中在四个方面,(1)是石墨烯及其衍生物,制备特定结构、层数的石墨烯,从而提高石墨烯的润滑性能;(2)是共价键及非共价键有机功能化石墨烯,通过对石墨烯的表面进行改性,从而改善石墨烯与基础油的相容性;石墨烯除了单独作为添加剂用于润滑油效果较好外,还可以与其他添加剂共同使用提高润滑油的性能,主要包括(3)石墨烯基纳米复合材料和(4)石墨烯复合其他二维层状纳米材料......
 
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来源:石墨烯联盟


 

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