学术新闻

首页 >> 首页栏目-学术活动 >> 学术新闻 >> 正文

材料服役行为与安全评价团队在国际权威期刊《Carbon》等发表关于石墨烯增强润滑油的系列成果

作者:樊小强     审核:张若男 王誉静 熊钰    日期:2023年11月22日 20:58   点击数:  

工业润滑油品能赋予机械部件系列性能优势而获得了广泛应用,这其中,润滑添加剂对工业油品性能的调控至关重要的作用。但四大添加剂公司(Lubrizol、Infineum、Chevron Oronite和Afton)控制全世界添加剂销售额的80%左右,且以复合剂为主。随着机械运动工况的极端化发展,要求润滑剂必须突破多环境适应性、极端使役的性能稳定性和持久性等诸多技术瓶颈。众所周知,石墨烯因其特有的结构与性能优势,在众多领域展现了良好的应用前景,特别是其优异的力学性能、高的载流子迁移率、热/化学稳定性、低剪切等优势,特别适合作为极端工况应用的润滑添加剂,但其与基础油相容性弱、易团聚沉降严重影响了润滑应用。因此,围绕石墨烯润滑应用的技术瓶颈,开展了大量石墨烯尺寸与结构调控和表面功能化的研究,以期实现在基础油中良好的分散稳定性和发挥优异的减摩、抗磨性能。

西南交通大学材料服役行为研究团队樊小强等以低共熔溶剂(由氯化胆碱和乙二醇制成)插层氧化石墨烯(DES-GOs)构筑了三明治结构的复合润滑添加剂,低共溶溶剂(DESs)与氧化石墨烯纳米片间以氢键网络链接;在PEG 200中分散稳定性优异,120 d无沉淀;导电性能优异的DES-GOs添加后,其平均摩擦系数和磨损体积比PEG200分别降低了38.3%和91.2%,这归功于功能化石墨烯的高分散稳定性、致密摩擦膜的形成、弱的层间剪切效应。

围绕石墨烯分散稳定性和润滑性能,前期主要开展了如下研究工作:

(1)借助离子液体结构的可调控性而给予的性能优势,开展了咪唑基和季鏻基离子液体改性石墨烯及其衍生物组分结构、分散稳定性和润滑机理研究(Tribology International, 2020, 148, 106350; Tribology International, 2020, 145, 106180; Tribology International, 2021, 106768; Tribology International, 2021, 161, 107057)。

(2)凭借偶联剂的组成与结构优势,研制了面向工业矿物油、合成油(PAO、PEG和酯类油)用的油性石墨烯润滑添加剂,揭示了其构性关系(Carbon 2020, 165, 238-250; Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2023, 119, 619–632, and so on)。

(3)构筑了石墨烯及其衍生物量子点、异质结结构,依托小尺寸与结构优势,实现优良分散稳定性与摩擦学性能的调控性(Carbon, 2022, 191, 84-97; Applied Surface Science, 2022, 604, 154571; Applied Surface Science, 2023, 612, 155933; Applied Surface Science, 2023, 639, 158234; Friction 2024, 12, 95-109)。

该文章近日以题为“Deep eutectic solvent intercalation graphene oxide with strong interfacial adsorption capacity towards efficient lubrication”发表在国际权威期刊Carbon 2024, 216, 118508。原文链接:https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118508

图1 (a)GOs、DES-GOs1:3和DESs1:3的FTIR光谱,(b)DSC和(c)TGA曲线,(d)DES-GOS的制备机理图

图2 GOs和DES-GOs1:3增强PEG200在不同静置时间下的(a)光学图像、(b)紫外-可见吸收光谱、(c)相对吸光度

图 3 (a)PEG200、GOs和DES-GOs在392 N时的摩擦曲线,(b)PEG 200、GOs和DES-GOs在392 N时润滑钢球的AFC和Wv,(c)PEG200、GOs和DES-GOs1:3在460 N时润滑钢球的AFC和Wv,(d)DES-GOs1:3在460 N时润滑钢球的AFC和Wv

图4(a-c)DES-GOs1:3磨损碎屑的TEM图像,(d)电子衍射图,(e)SEM图像和(f-i) EDS映射(C, O, N, Fe)


图5 DES-GOs1:3的润滑行为与机理

作者简介:

樊小强,工学博士,教授,四川省杰青、省QR计划特聘专家、省专家服务团专家。荣获广西科技进步一等奖(排3)、温诗铸枫叶奖-优秀青年学者奖、全国铁路青年科技创新奖、詹天佑铁道科学技术奖-专项创新奖、中国科学院院长优秀奖、第七届IFAM优秀青年科学家奖等荣誉,入选2022年度斯坦福全球前2%科学家榜单。主要从事高速载运装备磨蚀防护材料与技术研究,以第一或通讯作者已在国际权威期刊发表SCI一区论文80余篇(他引2800余次),授权国家发明专利20件(成果转化3项),获国家自然科学基金(青年、面上、联合基金)等资助。兼任中国机械工程学会表面工程分会青年工作委员会委员;中国机械工程学会材料分会委员会委员;中国腐蚀与防护学会铁道设施专业委员会委员;四川省腐蚀与防护学会理事会常务理事等。


 

材料服役行为与安全评价团队在国际权威期刊《Carbon》等发表关于石墨烯增强润滑油的系列成果

2023年11月22日 20:58 21次浏览

工业润滑油品能赋予机械部件系列性能优势而获得了广泛应用,这其中,润滑添加剂对工业油品性能的调控至关重要的作用。但四大添加剂公司(Lubrizol、Infineum、Chevron Oronite和Afton)控制全世界添加剂销售额的80%左右,且以复合剂为主。随着机械运动工况的极端化发展,要求润滑剂必须突破多环境适应性、极端使役的性能稳定性和持久性等诸多技术瓶颈。众所周知,石墨烯因其特有的结构与性能优势,在众多领域展现了良好的应用前景,特别是其优异的力学性能、高的载流子迁移率、热/化学稳定性、低剪切等优势,特别适合作为极端工况应用的润滑添加剂,但其与基础油相容性弱、易团聚沉降严重影响了润滑应用。因此,围绕石墨烯润滑应用的技术瓶颈,开展了大量石墨烯尺寸与结构调控和表面功能化的研究,以期实现在基础油中良好的分散稳定性和发挥优异的减摩、抗磨性能。

西南交通大学材料服役行为研究团队樊小强等以低共熔溶剂(由氯化胆碱和乙二醇制成)插层氧化石墨烯(DES-GOs)构筑了三明治结构的复合润滑添加剂,低共溶溶剂(DESs)与氧化石墨烯纳米片间以氢键网络链接;在PEG 200中分散稳定性优异,120 d无沉淀;导电性能优异的DES-GOs添加后,其平均摩擦系数和磨损体积比PEG200分别降低了38.3%和91.2%,这归功于功能化石墨烯的高分散稳定性、致密摩擦膜的形成、弱的层间剪切效应。

围绕石墨烯分散稳定性和润滑性能,前期主要开展了如下研究工作:

(1)借助离子液体结构的可调控性而给予的性能优势,开展了咪唑基和季鏻基离子液体改性石墨烯及其衍生物组分结构、分散稳定性和润滑机理研究(Tribology International, 2020, 148, 106350; Tribology International, 2020, 145, 106180; Tribology International, 2021, 106768; Tribology International, 2021, 161, 107057)。

(2)凭借偶联剂的组成与结构优势,研制了面向工业矿物油、合成油(PAO、PEG和酯类油)用的油性石墨烯润滑添加剂,揭示了其构性关系(Carbon 2020, 165, 238-250; Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2023, 119, 619–632, and so on)。

(3)构筑了石墨烯及其衍生物量子点、异质结结构,依托小尺寸与结构优势,实现优良分散稳定性与摩擦学性能的调控性(Carbon, 2022, 191, 84-97; Applied Surface Science, 2022, 604, 154571; Applied Surface Science, 2023, 612, 155933; Applied Surface Science, 2023, 639, 158234; Friction 2024, 12, 95-109)。

该文章近日以题为“Deep eutectic solvent intercalation graphene oxide with strong interfacial adsorption capacity towards efficient lubrication”发表在国际权威期刊Carbon 2024, 216, 118508。原文链接:https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118508

图1 (a)GOs、DES-GOs1:3和DESs1:3的FTIR光谱,(b)DSC和(c)TGA曲线,(d)DES-GOS的制备机理图

图2 GOs和DES-GOs1:3增强PEG200在不同静置时间下的(a)光学图像、(b)紫外-可见吸收光谱、(c)相对吸光度

图 3 (a)PEG200、GOs和DES-GOs在392 N时的摩擦曲线,(b)PEG 200、GOs和DES-GOs在392 N时润滑钢球的AFC和Wv,(c)PEG200、GOs和DES-GOs1:3在460 N时润滑钢球的AFC和Wv,(d)DES-GOs1:3在460 N时润滑钢球的AFC和Wv

图4(a-c)DES-GOs1:3磨损碎屑的TEM图像,(d)电子衍射图,(e)SEM图像和(f-i) EDS映射(C, O, N, Fe)


图5 DES-GOs1:3的润滑行为与机理

作者简介:

樊小强,工学博士,教授,四川省杰青、省QR计划特聘专家、省专家服务团专家。荣获广西科技进步一等奖(排3)、温诗铸枫叶奖-优秀青年学者奖、全国铁路青年科技创新奖、詹天佑铁道科学技术奖-专项创新奖、中国科学院院长优秀奖、第七届IFAM优秀青年科学家奖等荣誉,入选2022年度斯坦福全球前2%科学家榜单。主要从事高速载运装备磨蚀防护材料与技术研究,以第一或通讯作者已在国际权威期刊发表SCI一区论文80余篇(他引2800余次),授权国家发明专利20件(成果转化3项),获国家自然科学基金(青年、面上、联合基金)等资助。兼任中国机械工程学会表面工程分会青年工作委员会委员;中国机械工程学会材料分会委员会委员;中国腐蚀与防护学会铁道设施专业委员会委员;四川省腐蚀与防护学会理事会常务理事等。