0引言

摩擦現(xiàn)象在人類(lèi)的生產(chǎn)和生活中無(wú)處不在,它既帶來(lái)了便利,也會(huì)導(dǎo)致能量損耗和機(jī)械部件的失效。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中,摩擦造成的能量損耗高達(dá)33%,而機(jī)械故障中有80%是由摩擦引起的^[1]。傳統(tǒng)的解決方案依賴(lài)于油基潤(rùn)滑劑,這些潤(rùn)滑劑來(lái)源于不可再生的礦石材料,隨之帶來(lái)的是成本的上升和環(huán)境污染問(wèn)題的加劇。因此,尋找一種經(jīng)濟(jì)且環(huán)保的潤(rùn)滑方式成為迫切的需求。在這種背景下,水基潤(rùn)滑因其環(huán)境友好性而受到了廣泛關(guān)注。然而,水基潤(rùn)滑系統(tǒng)存在一定的局限性,例如它們通常不能承受較高的載荷且潤(rùn)滑性能一般。為了解決這些問(wèn)題,研究者提出了多種策略,其中向水中添加納米微粒被普遍認(rèn)為是一種有效的方法^[2-5]。

石墨烯作為近年來(lái)被廣泛報(bào)道的二維材料^[6],因其出色的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能,被認(rèn)為能夠顯著改善潤(rùn)滑系統(tǒng)的性能,在油基潤(rùn)滑系統(tǒng)中,石墨烯已經(jīng)證明了其優(yōu)異的潤(rùn)滑效果。值得注意的是,在水基溶液中添加石墨烯也能起到顯著的潤(rùn)滑效果,這為提高水基潤(rùn)滑系統(tǒng)的性能提供了新的思路^[7-8]。

電控摩擦是一種利用電場(chǎng)來(lái)調(diào)控摩擦性質(zhì)的技術(shù),展現(xiàn)了在改善摩擦和提高機(jī)械性能方面的巨大潛力。C. Drummond通過(guò)應(yīng)用交變電場(chǎng)來(lái)調(diào)整聚電解質(zhì)涂層的局部分子構(gòu)象,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整體摩擦的精確、主動(dòng)控制^[9]。蔣洪軍、孟永鋼等研究了邊界潤(rùn)滑條 件下外電場(chǎng)對(duì)Al203/黃銅、Al203/不銹鋼和Al203/碳鋼摩擦副摩擦行為的影響,發(fā)現(xiàn)外部電場(chǎng)對(duì)各摩擦偶的摩擦系數(shù)有較大影響^[10]。外加電場(chǎng)可以控制液體中納米顆粒從而影響摩擦,電場(chǎng)可以誘導(dǎo)碳納米管在聚合物復(fù)合材料中的排列與分散^[11],因此,考慮到石墨烯在水基潤(rùn)滑系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力,以及電控摩擦技術(shù)在調(diào)控摩擦性質(zhì)方面的優(yōu)勢(shì),本文研究在帶電條件下石墨烯水基潤(rùn)滑系統(tǒng)的摩擦學(xué)性質(zhì),不僅能夠?yàn)槔斫馐┑臐?rùn)滑機(jī)制提供新的視角,也能為實(shí)現(xiàn)更高效、環(huán)保的潤(rùn)滑系統(tǒng)開(kāi)辟新的路徑。

1 材料制備

制備石墨烯的水基分散液,首先需要解決石墨烯納米片在水中傾向于相互團(tuán)聚的問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)石墨烯的穩(wěn)定分散,向純水中添加了分散劑。這種分散劑能夠通過(guò)滲透石墨烯層間,形成分子間作用力,有效克服引起團(tuán)聚的范德華力,從而使得石墨烯能夠良好分散。選用的分散劑材料為陰離子分散劑:十二烷基磺酸鈉(SLS)。

將經(jīng)過(guò)24 h干燥處理的石墨烯與十二烷基磺酸鈉分散劑加入到100 mL的純水中,接著在60℃溫度下使用四聯(lián)磁力攪拌器攪拌2 h,以確保分散體系混合均勻,最后將混合分散體系在超聲中剝離1 h,以進(jìn)一步促進(jìn)石墨烯分散。在總的分散體系中,石墨烯的質(zhì)量占總體系質(zhì)量的0.2wt%,分散劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為總體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.5wt%。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

使用改裝過(guò)的往復(fù)式多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(BrukerUMT—TriboLab),如圖1所示,檢測(cè)在帶電界面石墨烯水基溶液的摩擦性能。它由一個(gè)直徑為9.525 mm的精密軸承鋼球和一個(gè)由鋼板制成的往復(fù)盤(pán)組成。鋼板(GCr15)的硬度為HRC50,尺寸規(guī)格為 40mm × 30mm × 5mm,鋼板的表面經(jīng)過(guò)機(jī)械拋光 以消除表面粗糙度的潛在影響,在鋼板表面附一層0.05 mm厚度的聚四氟乙烯(PTFE)薄膜。使用精密程控電源來(lái)為潤(rùn)滑劑施加電場(chǎng)(EF),直流(DC)電源的一個(gè)極與鋼球一端連接,另一個(gè)極固定在鋼板上。同時(shí)在電路中并聯(lián)布置一個(gè)高精度電流電壓表,以確保在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中沒(méi)有電流通過(guò)摩擦對(duì)。實(shí)驗(yàn)采用了0~15 V的外部電壓來(lái)調(diào)節(jié)界面電場(chǎng)強(qiáng)度 (E0)。摩擦試驗(yàn)在2 Hz的往復(fù)頻率和3 mm的行程下進(jìn)行,施加到接觸點(diǎn)的法向載荷為5 N。在測(cè)試前對(duì)石墨烯的水基溶液進(jìn)行溫度測(cè)量,以確保在25℃條件下。每次實(shí)驗(yàn)取10μL溶液進(jìn)行測(cè)試。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前,對(duì)石墨烯水基溶液及其與十二烷基磺酸鈉(SLS)的水基溶液進(jìn)行了zeta電位和電導(dǎo)率的測(cè)定。結(jié)果(圖2)表明,含SLS的石墨烯水基溶液在zeta電位的絕對(duì)值和電導(dǎo)率方面均顯著高于純石墨烯水基溶液。特別是,含SLS溶液石墨烯水基溶液的zeta電位絕對(duì)值超過(guò)30mV,高zeta電位的絕對(duì)值表明了強(qiáng)烈的顆粒間電荷排斥作用,從而預(yù)示著較高的懸浮穩(wěn)定性,證明了SLS作為分散劑對(duì)于石墨烯的優(yōu)異分散效果。

在石墨烯水基潤(rùn)滑劑的實(shí)驗(yàn)中,施加了15 V的電壓,結(jié)果顯示施加電壓后的摩擦系數(shù)初始為高于未施加電壓的情況,但隨摩擦進(jìn)行而下降(圖3)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行20 min后,對(duì)測(cè)試潤(rùn)滑劑進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)石墨烯在水中有明顯團(tuán)聚現(xiàn)象。此外,當(dāng)提高石墨烯在溶液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí),雖然摩擦系數(shù)對(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)速度加快,但摩擦系數(shù)的降低并不顯著。

在石墨烯與分散劑十二烷基磺酸鈉(SLS)的實(shí)驗(yàn)中,加載0~15 V電壓,當(dāng)加載10 V電壓時(shí),摩擦系數(shù)開(kāi)始迅速上升,隨后穩(wěn)定在一定范圍內(nèi),進(jìn)一步將電壓增加到15 V時(shí),摩擦系數(shù)的上升趨勢(shì)變得更加明顯(圖4)。

4討論

對(duì)于石墨烯水基潤(rùn)滑劑,在未施加電場(chǎng)的情況下,隨著摩擦過(guò)程的進(jìn)行,摩擦系數(shù)會(huì)因水中石墨烯的逐漸團(tuán)聚和沉降而緩慢增加。施加電場(chǎng)后,石墨烯與水分子之間的相互作用受到電場(chǎng)的影響,導(dǎo)致它們?cè)谀Σ帘砻嫔隙ㄏ蚺帕?在初始狀態(tài)摩擦系數(shù)會(huì)上升,隨后下降并低于未加電時(shí)的摩擦系數(shù)。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)的增加,這種影響變得更加顯著^[12]。增加水中石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)進(jìn)一步影響其在水中的團(tuán)聚效應(yīng)。所以,相比而言,外加電場(chǎng)時(shí)石墨烯水基潤(rùn)滑劑雖然初始摩擦系數(shù)高于未加電情況,但隨著摩擦的進(jìn)行,摩擦系數(shù)會(huì)逐漸降低。

在石墨烯與分散劑的水基潤(rùn)滑劑中,陰離子分散劑SLS分子的疏水尾部?jī)A向于通過(guò)范德華力吸附到石墨烯表面,而親水基團(tuán)(帶負(fù)電)則朝向溶液,減少了石墨烯片之間的直接接觸,降低了石墨烯的團(tuán)聚。在SLS分子吸附到石墨烯表面后,形成了緊密附著在石墨烯表面的固定電荷層,這層固定電荷吸引

著溶液中的正離子,在摩擦副表面形成雙電層。當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí),電場(chǎng)的方向和強(qiáng)度會(huì)影響雙電層的分布和性質(zhì),引起雙電層內(nèi)電荷重新分布,此外,分散劑和石墨烯之間的結(jié)合也會(huì)受到電場(chǎng)的影響,從而導(dǎo)致整個(gè)潤(rùn)滑劑的摩擦系數(shù)增加。

5結(jié)論

石墨烯作為水基潤(rùn)滑添加劑,受電場(chǎng)作用在摩擦副的表面定向排列,隨著摩擦的進(jìn)行,摩擦系數(shù)會(huì)緩慢下降。當(dāng)石墨烯與分散劑結(jié)合時(shí)會(huì)受到電場(chǎng)作用使得摩擦系數(shù)顯著增大。同時(shí),對(duì)其施加更高電場(chǎng)時(shí),摩擦系數(shù)的響應(yīng)也會(huì)變快。本文探究了外加電場(chǎng)作用下石墨烯水基潤(rùn)滑劑與石墨烯添加分散劑的水基潤(rùn)滑劑相關(guān)的摩擦學(xué)性質(zhì),為在宏觀層面精準(zhǔn)調(diào)節(jié)水基潤(rùn)滑劑摩擦系數(shù)提供了參考。

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2024年第11期第12篇