英语原文共 12 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
石墨烯：一种新兴润滑剂
近年来，由于摩擦对效率、耐久性和环境相容性的不利影响，移动机械系统中减少摩擦磨损相关的机械故障得到了越来越多的关注。因此，新型材料、涂料继续搜索，润滑剂（液体和固体），可以有效减少摩擦和磨损。尽管对石墨烯进行了大量的研究和开发，但其作为一种润滑剂的摩擦学潜力仍然相对未开发。在这篇综述中，我们特别提供了一个基于从纳米尺度到宏观尺度，石墨烯最近的摩擦学研究的最新调查，特别是，它作为一种自润滑固体或作为润滑油的添加剂。
介绍
自上个世纪初以来，日益增加的运输和其他工业活动一直消耗着我们不可再生的能源（如石油），产生的能量中很大一部分是用来克服移动机械系统中的摩擦力的。更重要的是，产生能源的大部分燃料都转化为二氧化碳，从而导致气候变化，并可能产生可怕的后果[1]。因此，在移动机械系统中更有效地控制或减少摩擦对于可持续的未来是非常重要的。
日常生活中经常遇到的摩擦是生活中的一个事实。每个人造、自然或生物系统的滑动、滚动或旋转接触界面都会产生摩擦。如果没有有效地减少或控制，高摩擦往往导致更高的磨损损失，因此寿命短，可靠性差。因此，摩擦已成为在过去的研究中最活跃的领域，许多研究人员仍在努力理解的根源摩擦和新的方法来消除它来实现几乎所有类型的机械运动系统更高的效率和更长的耐久性[2]。
控制摩擦的最有效的方法之一是在液体或固体形式中使用润滑剂。甚至某些气体也可以用来润滑摩擦表面。液体润滑剂以防止滑动接触界面严重或更频繁的金属对金属的接触或通过形成低剪切减少摩擦，在摩擦表面边界膜。例如,根据滑动速度和其他操作条件，发动机润滑油能有效地分离接触表面的活塞环和气缸套，从而减少金属直接接触的频率，因此金属摩擦磨损。如果和何时有金属对金属的接触，在这些油添加剂形成低，高保护性边界膜提供额外的安全性。总之，减少摩擦意味着节省燃料；减少磨损意味着更长的耐久性。由于这些固体和液体润滑剂，今天的发动机和其他机械系统的机器部件长期安全平稳地运行。
液体润滑剂通过泵或其他类型的输油机构传递到滑动界面，而固体润滑剂必须作为物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）方法应用于薄膜。固体润滑膜厚度有限，最终磨损失效。它们对试验环境也非常敏感；事实上，其中一些，如二硫化钼，如果氧气或水分子存在，则不会润滑或持续很长时间；事实上，石墨和硼酸在周围空气中不起作用，不会产生作用[3]。因此，最理想的固体润滑剂对环境不敏感，非常耐用，并且易于传递到接触界面。在这篇综述中，我们将提出一个例子，即石墨烯可以提供极强的耐磨性（减少四个数量级的磨损），无论测试环境如何，而不会造成不利的环境影响。石墨烯是一种二维碳材料，在2004年[4]中被稳定地分离出来，但在许多不同的领域已经引起了广泛的关注。其中，摩擦学应用仍然是最不被探索的。这一回顾，我们想强调的石墨烯的独特性质来减少磨损和摩擦在纳米尺度到宏观尺度的系统。总的来说，我们将展示石墨烯作为一种高性能固体润滑剂或液体润滑剂中的添加剂有很大的用途。
为什么选石墨烯？
石墨烯是二维材料，具有独特的摩擦磨损性能，在传统材料中并不常见。除了具有良好的热学、电学、光学和力学性能外，石墨烯还可作为固体或胶体液体润滑剂。其高化学惰性，极端强度和易剪切能力在其密集包装和原子平滑的表面是主要的有利属性令人印象深刻的摩擦学行为。因为它甚至薄于多层膜，可应用于纳米尺度或微尺度系统，如微机电系统（MEMS）和系统（NEMS）摆动、旋转、滑动接触减少静摩擦，摩擦，磨损。
首先，石墨烯的极端机械强度抑制材料磨损。例如，Lee et al[5]测试了石墨烯的力学性能，并确认它是测量过的最坚固的材料。在他们的研究中，作者使用了独立的石墨烯膜，并用一种允许测量断裂强度的金刚石原子力显微镜（AFM）探针进行了分析。石墨烯片的defectfree测量强度对应的杨氏模量为1吨。断裂力取决于尖端半径，而不是膜的直径。此外，最近的研究表明，尽管石墨烯的其它缺陷（如氧化）的引入很大程度上有助于石墨烯力学性能的降低，但其晶界不影响石墨烯的综合强度[6]。从摩擦学的角度来看，这种极端的机械强度是非常可取的磨损保护。
其次，石墨烯已被证明是不可渗透的液体和气体[7]，如水或氧气，从而减缓腐蚀和氧化过程，通常会造成更多的摩擦表面损坏。此外，液态水已被证明可以减少石墨烯[8]上的摩擦力，因此可能限制了典型的潮湿环境中毛细力的影响。辛格等人[9]证明了石墨层下面的润湿角受到影响，然而，衬底的效应被层数所修饰，对于多层石墨烯来说是可以忽略的。另外，石墨烯是一种二维材料的原子级光滑表面能较低，因此，能够取代通常用于减少粘连和各种表面摩擦固体薄膜。
上述特性使得石墨烯为要求苛刻的摩擦学应用实现低摩擦、低磨损机制非常有吸引力。
石墨烯的合成
石墨烯的生产方法多种多样。根据类型和质量，所合成的石墨烯的性质可能会有很大的不同；特别是，晶粒尺寸、形状、厚度、密度和缺陷的变化从而影响石墨烯的力学和摩擦学性能。
最初，石墨烯是由所谓的“透明胶带或机械剥离方法[9]，其中商用胶带用于皮多层次从一个高度有序热解石墨并将其按带到所需的基。自那时以来，石墨烯生产方法的数量显著增加。这些包括干式机械[4,10]或化学[11,12]剥离；展开打开碳纳米管通过各种方式，如电化学、化学或物理的方法[13]；CVD [7]或外延生长[16]；电弧放电；氧化石墨烯还原[17,18]；和其他许多有机合成方法。广泛使用的化学气相沉积法能够在碳和碳氢化合物等碳氢化合物的存在下，在诸如镍或铜等催化表面上合成高质量的石墨烯[19]。在图1中，拉曼光谱用于分析合成石墨烯中的缺陷，以及沉积的石墨烯层的数目[20]。
石墨烯作为固体润滑剂：从纳米尺度到宏观尺度
独特的物理，机械和化学性质的石墨烯，使其成为一个有吸引力的候选许多摩擦学应用，其中摩擦和磨损控制是最重要的，在不同的尺度。在下面的小节中，综述了石墨烯从纳米级到微米级到宏观尺度的摩擦学性能。
纳米尺度和微观尺度下的石墨烯摩擦学
自然的原子薄的石墨烯及其能力的共形涂层的微纳米尺度的石墨烯薄片通过简单的分配方案对象使它成为一个潜在的低摩擦和耐磨性的涂层，将MEMS / NEMS器件的寿命和构成目前的研究正在朝这个方向在进行激励。
纳米尺度的研究
通常，理论预测推动未来实验和新材料的使用。在石墨烯的情况下，几项研究预测了石墨烯摩擦机制的性质，它基于各种计算方法，从纳米级到中微米[21,26]不等。
在石墨烯纳米尺度的计算和实验研究中，摩擦学行为主要取决于堆积和其他结构特征以及滑动表面的性质。这一观察结果清楚地反映在两种不同的系统中：（a）纳米针尖的摩擦在石墨烯层的表面滑动（模拟AFM横向力测量）和（b）石墨烯层之间的摩擦。在案例（一），结果表明，随着层[23,25]数增加摩擦力减小，而在（b）摩擦被发现表现相反，一旦层数增加到超过三实现更高的摩擦或粘滑行为一旦层数增加到超过三[21,22]。
如图2所示[25]，针尖的石墨烯相互作用的建模，在侧向力的计算为所有范德瓦尔斯作用力的CNT针尖的原子与石墨烯层之间的y分量的总和，表明摩擦力随层数增加，结论是也；通过实验的AFM测量[27]支持。摩擦是由贡献出平面变形为主，“折叠”在扫描头前面所谓的机制（图3d），这增加了接触面积，因此，摩擦量。一旦石墨烯层数增多，层间的相互作用减少起皱效果，从而减少摩擦。此外，在文献23中，刘和张指出，不仅增加了层数，而且增加了顶面距离，降低了滑动面相互作用的摩擦系数。
在纳米尺度的石墨烯摩擦学实验研究绝大多数都用侧向力或摩擦力显微镜AFM[28,33]。
原子力显微镜的横向力的测量表明，在石墨烯数摩擦的依赖，与预测的行为在模拟工作回顾上述协议李等人[27]进行的初步研究中使用的硅探针的环境条件。独立的石墨烯和石墨机械转移在SiO2显示与层数减摩（图3）可能是由于“缩”效应。然而，如果石墨烯层与衬底结合牢固（如在云母衬的情况下所看到的那样），没有观察到摩擦对石墨层层数的强烈依赖性。在层数等摩擦的依赖不仅发生在石墨烯，而在所有原子薄的片状材料[5,29]。
微尺度研究
尽管纳米尺度和微尺度之间的过渡还不完全清楚，我们下面回顾了石墨烯性质的摩擦学研究，除了AFM以外的小尺度技术。
基姆等人[34]研究了粘着和摩擦性能。石墨烯在微观尺度上使用微摩擦磨损试验机。石墨烯沉积在镍和铜衬底上通过CVD被转移在SiO2衬底上制作的，并在周围环境中在室温下进行，使用熔融二氧化硅和聚二甲基硅氧烷（PDMS）透镜作为同行。接触载荷范围从5到70 MN。结果表明，一旦石墨表面包覆了石墨烯，附着力和摩擦力都会降低（图4）。在不同的金属上生长的石墨烯的性质的变化归因于铜生长的石墨烯和二氧化硅表面之间的附着力较弱，导致容易磨损的石墨烯，即使在5 MN负载。
Shin等人[35]进行了微尺度划痕试验，作为测量剥离和外延石墨烯在微观尺度上摩擦系数的另一种方法。结果表明，在这个尺度上，摩擦系数保持在0.03，而不管层数多少。在微观和纳米研究的基础上，作者将石墨薄膜厚度与环境和探针尺寸的摩擦依赖性区别开来。此外，引入缺陷（由氧等离子体提供）增加了石墨烯的摩擦。因此，石墨烯薄膜上的缺陷或不完美的顶层也可能产生差异。相反，如果氧化石墨烯的氧化水平下降，正如它所显示的那样[36]化学还原氧化石墨烯在硅衬底上，粘附力也降低，这导致摩擦降低。
改性石墨烯的研究
石墨烯作为表面化学功能的摩擦学性能的变化是显而易见的。因此，化学改性的石墨烯的摩擦学性能（氟化氢化或氧化）进行了实验研究，以及通过密度泛函理论（DFT）计算[37,38]。
对于氧化石墨烯[37]，两个滑动石墨烯层之间的摩擦随着环氧化物和羟基的引入而增加，主要由静电和非稳定氢键相互作用所决定。氧化物体系应克服由于氢键形成而产生的较大的能量势垒，从而导致高能量耗散。
相比之下，对于单面氢化石墨烯片，与纯石墨烯相比，摩擦系数大大降低[38]。从1到9 NN的法向载荷的DFT计算预测，当引入氢键时，摩擦系数在0.01 - 0.05范围内。较低的摩擦是由碳原子和附着的氢原子之间积聚的电子来解释的，从而导致两个相互作用的薄片相互排斥，从而降低了相互作用的能量。
对于两个滑动表面之间的相互作用，因为没有了传统的机械应力的应用，摩擦的变化是有限的由于面内的应力。在与石墨烯表面的尖端相互作用的情况下，平面外应力起着重要的作用。摩擦力显微镜测量使用导电原子力显微镜的尖端[39,40]表明，在两，六，原始的石墨烯纳米摩擦增加，比较七次加氢，氟，和氧化石墨烯，分别为（图5）。
尽管改性石墨的摩擦增加，粘连性特性被证明减少氟化石墨或氢化和氧化苯与GRA由于van der Waal的接触面积减少化学变化几乎保持不变。这一发现表明，粘着比其它因素在界面摩擦学行为中起着重要作用。Ko等人[39]表明，力学性能的石墨烯的化学修饰的sp3杂化产生了戏剧性的变化，这个事实在纳米尺度的摩擦增加起主要作用。除了在平面内的硬度和粘合能的减少，化学改性降低了石墨烯的平面外的灵活性，这是与正常和弯曲刚度的增加，改性石墨烯。氟化，氢化和氧化石墨烯，平面外的灵活性驱动整体的摩擦增加。
宏观摩擦学
宏观摩擦的研究是直接关注的各个行业，由于磨损的材料损失，以及能源消耗的摩擦是非常关注的问题。不同的散装固体润滑剂及其薄涂层已用于摩擦和磨损控制过去。表1修改[41]提供了其他已知的固体润滑材料在全球各个行业的新的潜在的固体润滑剂石墨烯广泛应用概述。
令人惊讶的是，与纳米尺度和微观尺度相比，在宏观尺度上对石墨烯摩擦学性能的研究较少。我们总结在下面的章节中碳材料的宏观尺度的润滑性能，如石墨、氧化石墨烯，石墨，当他们不是故意粘到表面的利益。
石墨与石墨烯：石墨烯有什么不同？
石墨烯的摩擦学研究大多是在纳米尺度和微观尺度上进行的，为石墨烯用作固体润滑剂提供了条件。近期中观尺度与宏观尺度摩擦学研究证实了先前的预测和公开。石墨烯在宏观系统中作为固体润滑剂的新机会。在这里，我们看看石墨，以便更好地了解石墨烯具有不同的摩擦在宏观尺度上与大块石墨比较。
石墨作为一种宏观固体润滑剂进行了广泛的研究，已在行业40年以上[42,43]。众所周知，散装石墨（石墨烯的来源）在潮湿环境中工作最好，但在惰性、干燥或真空环境中不能提供低摩擦和磨损[44]。这种现象的原因是在石墨片之间插入了水分子，这使得石墨易于剪切并提供低摩擦。此外，以前使用石墨薄片的摩擦学研究表明，石墨摩擦片在摩擦学界面上形成[45]。这些卷轴降低表面能[46,47]和减少摩擦的滑动界面是有利的。为了比较的目的，在我们最近的工作中，石墨粉末被混合在乙醇中（5重量%，比乙醇中的石墨烯的浓度大得多），重现了石墨烯作为固体润滑剂一节中提
全文共13250字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[10928]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
