超聲震蕩膨脹石墨制備納米石墨片的減摩性能

王 華，岳學慶

（秦皇島職業技術學院 機電工程系，河北 秦皇島 066100）

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超聲震蕩膨脹石墨制備納米石墨片的減摩性能

王 華，岳學慶

（秦皇島職業技術學院 機電工程系，河北 秦皇島 066100）

摘要：通過在液體介質中對膨脹石墨超聲波震蕩制備納米石墨片。使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察產物形貌，并且研究它作為潤滑油添加劑的減摩性能。減摩效果的影響因素包括：納米石墨片和基礎油的質量比、超聲波震蕩介質和震蕩時間。結果顯示，在優化的工藝條件下，納米石墨片具有良好的減摩效果。

關鍵詞：納米石墨片；超聲震蕩；減摩

由于石墨具有獨特的性能，如自潤滑、耐高溫和耐腐蝕等，它作為固體潤滑劑已經被廣泛應用。近期，納米石墨片在潤滑系統中的應用引起了人們關注。目前，納米石墨片的主要制備方法包括爆炸法、球磨法、電化學法、脈沖激光沉積等，這些方法使用的原料通常是天然石墨[1]。膨脹石墨（EG）是一種具有多孔結構的新型碳材料，它通常是通過在高溫下快速加熱可膨脹石墨制備[2]。2004年，廈門大學陳國華[3]報道了通過在液體介質中對膨脹石墨超聲波震蕩制備納米石墨片。由于這種方法具有工藝簡單、成本低的優點，迅速引起了人們的關注。

推斷認為，這種方法制備的納米石墨片作為潤滑油添加劑應該具有減摩作用。然而，目前為止關于這方面系統的研究還較少。

本文通過在液體介質中對膨脹石墨超聲波震蕩制備納米石墨片，并研究了它作為基礎潤滑油添加劑的減摩性能。本文重點了研究減摩效果的影響因素，包括納米石墨片在基礎油中的添加量、超聲波震蕩介質和震蕩時間。

1 試驗部分

將6g天然石墨（35目，純度99%，青島天和石墨有限公司提供）、10 mL 濃H2SO4 (98%) 和1.5 mL H2O2 (30%) 攪拌混合均勻。混合物反應90分鐘后，水洗至pH=5-7，80以下干燥24 h，得到可膨脹石墨。將可膨脹石墨放到馬弗爐中分別在800 ℃下加熱15～35 s，得到膨脹石墨。

將一定量的膨脹石墨粉末加入到酒精水溶液（膨脹石墨與酒精溶液的質量比為1: 400，水和酒精的體積比為65: 35）或純酒精中放置12 h，然后使用超聲波（KQ-3200B，超聲功率150 W）對懸浮液進行振蕩，震蕩時間分別選取4、8和12 h。結果，膨脹石墨粉末被有效地粉碎成剝離狀石墨。將剝離狀石墨懸浮液進行過濾，并在空氣中干燥以去除殘夜，得到納米石墨片。使用掃描電子顯微鏡SEM觀察納米石墨片的形貌（SEM，KY2500）。

減摩試驗是在濟南益華摩擦磨損試驗機廠生產的MMU-5G型屏顯式高溫端面摩擦磨損實驗機上進行。測試時間為1 h，溫度為室溫，載荷為200 N，轉速為300 rpm，摩擦系數由聯機的計算機自動采集。上試樣摩擦面為一環面，材料為滾動軸承鋼GCr15，內徑φ20 mm，外徑φ26 mm，平均摩擦半徑為φ23 mm。下試樣為45#鋼的圓盤，半徑為φ50 mm。

基礎油選用中國石油天然氣股份有限公司提供的SJ 15W-40型汽油機油。將作為潤滑油添加劑的納米石墨片置于瑪瑙研缽中研磨，再分別以質量百分比為1.0、0.5、0.2、0.1和0.05%加入到基礎油中。在每次實驗前，將配好的潤滑劑先攪拌5 min，并超聲波震蕩10 min，使加入的粉末添加劑在油中充分分散，然后將大約40 μL潤滑劑涂抹到接觸面上。

2 結果與討論

圖1 膨脹石墨（a）和納米石墨片（b）的SEM圖像

圖1顯示了膨脹石墨（a）和納米石墨片（b）的SEM圖像。從圖1（a）中可觀察到膨脹石墨的高度多孔結構。經過超聲波震蕩，膨脹石墨被撕裂成剝離態的片層，即納米石墨片，如圖1（b）所示。統計結果顯示，納米石墨片的平均厚度為20 nm，平均粒徑為45μm。

圖2 納米石墨片添加量對減摩效果的影響（超聲波震蕩介質為酒精水溶液，超聲波震蕩時間為8h）

圖2顯示了納米石墨片添加量在基礎油中的添加量對減摩效果的影響。可以看出，基礎油的摩擦系數最高，約0.07，說明減摩效果最差。隨著納米石墨片的添加，摩擦系數降低，說明減摩能力提高。比較而言，當納米石墨片的添加量為0.1%時，摩擦系數最低，約0.02。這說明納米石墨片作為潤滑油添加劑具有明顯的減摩效果。納米石墨片的最佳添加量為0.1%，因此，在以下的試驗中使用這個添加量。

圖3 震蕩介質對減摩效果的影響（超聲震蕩時間為8 h，納米石墨片添加量為0.1%）

圖3 顯示了震蕩介質對減摩效果的影響。可以看出，與使用純酒精作為震蕩介質制備的納米石墨片相比，使用酒精水溶液為介質制備的納米石墨片具有較好的減摩作用。因此，在以下的試驗中使用酒精水溶液為震蕩介質。

圖4 震蕩時間對減摩效果的影響（震蕩介質為酒精水溶液，納米石墨片添加量為0.1%）

圖4 顯示了震蕩時間對減摩效果的影響。可以看出，相比震蕩4和12h，超聲震蕩8h制備的納米石墨片具有最優的減摩效果。因此，最佳震蕩時間為8h。

3 結論

通過在液體介質中超聲波震蕩膨脹石墨，我們成功地制備了平均厚度為20nm，平均粒徑為45μm的納米石墨片。這種納米石墨片作為潤滑油添加劑具有明顯的減摩效果，且這種效果與試驗條件有關。最佳試驗條件為：納米石墨片添加量為0.1%，震蕩介質為酒精水溶液，震蕩時間為8h。在最優試驗條件下，潤滑劑的摩擦系數可降至約0.02，遠遠低于基礎油的約0.07。

[參考文獻]

[1]H.D. Huang, J. P. Tu, L. P. Gan. An investigation on tribological properties of graphite nanosheets as oil additive[J]. Wear,261(2006)140-144.

[2]A.Celzard,J.F.Mareche,G.Furdin,Modeling of exfoliated graphite.Progress Mater.Sci.50(2005)93-197.

[3]G.Chen,W.Weng,D.Wu,C.Wu,J.Lu,P.Wang.Preparation and characterization of graphite nanosheets from ultrasonic powdering technique.Carbon,42(2004)753-739.

Anti Friction Properties of Nano Graphite Sheets Prepared by Ultrasonic Vibration Expanded Graphite

Wang Hua,Yue Xueqing
(Department of Mechanical and Electrical Engineering, Qinhuangdao Institute of Technology, Qinhuangdao 066100,China)

Abstract:The nano graphite sheet was prepared by ultrasonic wave oscillation of expanded graphite in liquid medium. Scanning electron microscopy (SEM) was used to observe the morphology of the products, and to study the friction reducing properties of the lubricating oil additives. The influence factors of the friction reducing effect include: the mass ratio of the nano graphite sheet and the base oil, the ultrasonic wave oscillation medium and the oscillation time. The results show that the nano graphite sheet has excellent anti friction effect under the optimized conditions.

Key words:nano graphite sheet; ultrasonic vibration; friction reduction

作者簡介：王華（1977-），女，秦皇島人，漢族，碩士，講師，研究方向：石墨基功能材料。