研究前沿：以烯為源，共碳未來。極熱科技研發(fā)團隊成功研制石墨烯基潤滑材料
極熱科技研發(fā)團隊運用自有技術(shù)將石墨烯表面改性，研發(fā)出石墨烯碳納米復(fù)合材料，能均勻分散在潤滑油中，不沉淀、不團聚、不分層，隨著機油的流動，在高溫和高壓的作用下，使金屬表面和碳元素發(fā)生反應(yīng)，相當(dāng)于在氣缸和活塞表面鍍上一層“石墨烯膜”，鍍膜后的金屬表面會恢復(fù)平整及硬度會大幅增加，同時不易受到化合物溶液的腐蝕，將原來的金屬表面摩擦變成石墨烯片層與石墨烯片層之間的摩擦，由于石墨烯0.004超低摩擦系數(shù)、超強的硬度等特性，可以為發(fā)動機提供持久長效的潤滑保護，減少機械表面磨損，提升氣缸密閉性，恢復(fù)缸壓，使燃油燃燒更為充分，起到修復(fù)引擎、提升動力、節(jié)省燃油、減少有害尾氣排放的效果。
極熱科技研發(fā)團隊成功實現(xiàn)石墨烯復(fù)合潤滑添加劑批量化低成本制備，解決了石墨烯在工業(yè)油品和有機基體中的應(yīng)用難題，并建立基于石墨烯潤滑劑的表界面潤滑理論模型，借此打造了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多功能復(fù)合潤滑添加劑，有望打破路博潤（Lubrizol）、潤英聯(lián)（Infineum）、雪佛龍奧倫耐（Chevron Oronite）和雅富頓（Afton）四大添加劑公司對于復(fù)合劑的技術(shù)壟斷。
何為石墨烯復(fù)合潤滑添加劑？研制中有哪些難點？
業(yè)內(nèi)人士介紹，由于能實現(xiàn)機械部件表面磨損與腐蝕防護，潤滑油脂存在著巨大的市場需求。其中，石墨烯憑借出色的力學(xué)性能、較高的載流子遷移率等優(yōu)勢，成為當(dāng)下大熱的先進材料，用于研發(fā)高性能潤滑材料或潤滑添加劑。
“我國是潤滑材料的生產(chǎn)與消費大國，但多傾向于生產(chǎn)制造傳統(tǒng)潤滑油脂，高性能復(fù)合潤滑添加劑的研發(fā)技術(shù)被國外壟斷?！?/span>極熱集團董事長曹達平說，團隊為此將研究方向?qū)?zhǔn)石墨烯基復(fù)合添加劑的研制及其強化潤滑油膜調(diào)控，以石墨烯為潤滑油添加劑，讓它穩(wěn)定均勻分散在潤滑油中。
為實現(xiàn)目的，本次研究重點在于“調(diào)”，主要分為調(diào)控和調(diào)制。
先看調(diào)控。一直以來，石墨烯類材料在潤滑油中應(yīng)用存在難分散、易團聚的難題。“調(diào)控的目的是要將潤滑油中的石墨烯打散，實現(xiàn)高度彌散及長期分散穩(wěn)定性?！?/span>極熱研究院院長黃慶說。
起初，團隊多次嘗試通過電場、磁場來調(diào)控，但發(fā)現(xiàn)局部可以實現(xiàn)，但整體效果不佳，大范圍應(yīng)用難?！拔覀兓氐讲牧媳旧恚ㄟ^內(nèi)部原子雜化和表面有機基團調(diào)控，實現(xiàn)石墨烯層數(shù)和結(jié)構(gòu)與組分的可控性，從而攻克了其在潤滑油品中的應(yīng)用瓶頸?！?/span>極熱集團董事長曹達平說。
再者，石墨烯等二維納米材料應(yīng)用于涂料外涂裝時，如何實現(xiàn)在涂層中大面積定向排列又是一大難題。
這主要難在涂料調(diào)制上，猶如果粒橙飲料，喝之前要搖一搖一樣，要把復(fù)合潤滑添加劑“搖勻”并賦予其電、磁等性能，才能定向地噴涂在高端裝備及其零部件表面。
近日，極熱科技研發(fā)團隊極熱研究院院長黃慶等以低共熔溶劑（由氯化膽堿和乙二醇制成）插層氧化石墨烯（DES-GOs）構(gòu)筑了三明治結(jié)構(gòu)的復(fù)合潤滑添加劑，低共溶溶劑（DESs）與氧化石墨烯納米片間以氫鍵網(wǎng)絡(luò)鏈接；在PEG 200中分散穩(wěn)定性優(yōu)異，120 d無沉淀；導(dǎo)電性能優(yōu)異的DES-GOs添加后，其平均摩擦系數(shù)和磨損體積比PEG200分別降低了38.2%和91.3%，這歸功于功能化石墨烯的高分散穩(wěn)定性、致密摩擦膜的形成、弱的層間剪切效應(yīng)。
“調(diào)”的結(jié)果顯而易見。記者看到，實驗室里擺放著一瓶瓶試劑瓶，里面裝的便是石墨烯齒輪油、石墨烯液壓油等石墨烯復(fù)合潤滑添加劑產(chǎn)品，液體呈油性，顏色為碳黑色，倒過來一看，沒有任何沉淀，石墨烯與潤滑油完全融為一體。極熱集團董事長曹達平說，“調(diào)”后成功實現(xiàn)無機物與有機物的界面融合，突破了石墨烯類材料在潤滑油中應(yīng)用難分散、易團聚的難題，形成了自主知識產(chǎn)權(quán)的復(fù)合潤滑劑技術(shù)。
極熱科技研發(fā)團隊預(yù)計，本次研制的石墨烯類潤滑材料能給機械部件帶來一系列的性能優(yōu)勢，比如高負荷下較低的機械應(yīng)力、遇到雙向摩擦也不會出現(xiàn)過早疲勞、確保機器部件擁有較長的使用周期等。
借助離子液體結(jié)構(gòu)的可調(diào)控性而給予的性能優(yōu)勢，開展了咪唑基和季鏻基離子液體改性石墨烯及其衍生物組分結(jié)構(gòu)、分散穩(wěn)定性和潤滑機理研究。
憑借偶聯(lián)劑的組成與結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，研制了面向工業(yè)礦物油、合成油（PAO、PEG和酯類油）用的油性石墨烯潤滑添加劑，揭示了其構(gòu)性關(guān)系。
構(gòu)筑了石墨烯及其衍生物量子點、異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，依托小尺寸與結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，實現(xiàn)優(yōu)良分散穩(wěn)定性與摩擦學(xué)性能的調(diào)控性。
采用進口基礎(chǔ)油、進口添加劑和獨有石墨烯碳納米復(fù)合材料調(diào)制而成，滿足國五、國六排放潤滑要求，適用于汽油發(fā)動機，針對怠速抖、啟動難、油耗高、噪音響、震動大、尾氣黑六大車癥，改善效果明顯，是自然吸氣、缸內(nèi)直噴、渦輪增壓等車輛引擎的優(yōu)選。
隨著機械運動工況的極端化發(fā)展，要求潤滑劑必須突破多環(huán)境適應(yīng)性、極端使役的性能穩(wěn)定性和持久性等諸多技術(shù)瓶頸。眾所周知，石墨烯因其特有的結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)勢，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景，特別是其優(yōu)異的力學(xué)性能、高的載流子遷移率、熱/化學(xué)穩(wěn)定性、低剪切等優(yōu)勢，特別適合作為極端工況應(yīng)用的潤滑添加劑，但其與基礎(chǔ)油相容性弱、易團聚沉降嚴(yán)重影響了潤滑應(yīng)用。因此，圍繞石墨烯潤滑應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，開展了大量石墨烯尺寸與結(jié)構(gòu)調(diào)控和表面功能化的研究，以期實現(xiàn)在基礎(chǔ)油中良好的分散穩(wěn)定性和發(fā)揮優(yōu)異的減摩、抗磨性能。
不僅在國內(nèi)市場受到好評，也收獲了國際友人的強烈推薦。在極熱科技研發(fā)團隊看來，石墨烯材料可發(fā)展系列優(yōu)異的防護材料，并運用在高端設(shè)備上。極熱集團董事長曹達平說：“更好地助力建設(shè)‘交通強國’，我們接下來將更加聚焦于研究磨損與腐蝕防護技術(shù)?！?/span>
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