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石墨烯潤滑性能及其在潤滑油中的應用研究

文檔作者：吳鳳廣文檔來源：上海有道新能源技術有限公司		更新日期： 2026年05月04日	點擊數：
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技術應用與研究
石墨烯作為我國研發出來的高效能新型材料，在潤滑
油領域中的使用勢頭較為迅猛，在石墨烯問世之前，用來
改善潤滑油潤滑性能的填充材料為超細石墨粉、二硫化目
分、聚四氟乙烯粉等。石墨烯作為新型材料，如果想要沖
擊傳統的潤滑劑市場，必須要有獨到之處，才能在潤滑油
領域占有一席之地。當前，石墨烯在潤滑和防銹兩個方面
有較大的突破，比傳統潤滑劑的功能更為優越。潤滑的主
要目的是控制摩擦的強度，減少磨損，減少磨損和摩擦是
節能的重要理念。將摩擦現象控制在填充材料層，使得真
正的零件不發生摩擦現象，可有效地減少磨損，防止材料
出現過度損失現象，保證零件能夠正常工作。石墨烯材料
作為新型材料的一種，可有效地減少摩擦，降低磨損，其
關鍵的問題有以下幾個方面：
首先，是要解決石墨烯經過潤滑系統過濾后會出現
有效濃度的問題，其中最為關鍵的是要解決石墨烯在潤
滑油中均勻分散的問題以及現有分散劑與基礎油和添加
劑之間的相容性；其次，要解決石墨烯與潤滑油的組成
成分的基礎油、添加劑之間的復合效應問題；最后，潤
滑油在使用過程中會發生氧化衰變現象，氧化衰變的過
程會產生過氧化物和氧化縮合物，這兩種產物會對石墨
烯產生對抗效應，需要進行解決。防銹的目的是將空氣
中的水和金屬零件的表面隔絕開來，防止空氣中的各種
介質對金屬產生影響，從而使零件出現生銹、腐蝕等現
象，不利于金屬零件使用壽命的延長。防銹功能能夠很
好的保護金屬零件的表面，使其不會受到空氣中多種介
質的侵襲。石墨烯材料具有較強的吸附性，可有效地將
空氣中的介質吸附在其表面，具有非常優異的防銹功
能。當前，石墨烯領域的研究者將研究重點都放在如何
將石墨烯均勻添加到油中，對添加石墨烯前后油性能的
改變進行對比，但是卻忽視了油品在設備使用中的各種
影響因素，導致新油在評定和實際使用方面存在差異，
不利于潤滑油領域的長遠發展。
一、石墨烯相關概述
1.石墨烯的簡介
石墨烯是一種具有宏觀尺寸的新型碳納米材料，具
有較為神奇的效果，可在一個平面中無限延長石墨烯材
料的尺寸，但是卻擁有納米級別的厚度，是一種具有原
子級厚度的二維碳材料。隨著我國科學技術的不斷進
步，對石墨烯材料的研究也越來越深入，使得市面上石
墨烯的種類在逐漸增多。石墨烯材料根據層數的不同，
在種類也存在差異，主要有單層石墨烯、少層石墨烯和
多層石墨烯。其中，單層石墨烯的碳原子一般為sp2雜化
形式，其晶體結構為六元環二維蜂窩狀晶格，單層石墨
烯的理論厚度為0.335 nm。石墨烯的成鍵情況與石墨相
同，構成石墨烯的碳原子在2s、2px,和2py軌道上形成雜
化軌道，并與相鄰的碳原子形成σ鍵，鍵角為120°，這
種特殊的結構使得石墨烯的特性比較穩定，每個碳原子
的2pz軌道上剩余一個電子，可以通過電子離域的形式形
成大π鍵。離域的電子在晶體中還可以自由運動，這就
使石墨烯具有了其他納米材料沒有的特性，比如質量很
輕、耐高溫、表面積大，而且石墨烯具有自我潤滑的能
力，是潤滑油非常需要的性能。隨著人們對石墨烯的研
究逐漸深入，石墨烯的特異性能慢慢展現在大眾面前，
為了提升石墨烯在生產中的應用匹配度，人們不斷地研
究石墨烯的制備方法、結構、尺寸等，研究這些因素的
變化會給石墨烯的性能帶來什么樣的改變。當前，在
石墨烯潤滑性能及其在潤滑油中的應用研究
吳鳳廣　　上海有道新能源技術有限公司
【摘　要】石墨烯屬于市面上使用較為廣泛的一種新型碳納米材料，具有比較優異的性能，在社會生產的多個領域
中都有石墨烯的身影。本文通過對石墨烯在發動機潤滑油、液壓導軌油等方面的應用進行分析，主要分
析影響石墨烯應用效果的因素，并根據影響因素找出對應的解決辦法，為石墨烯在潤滑油中的應用提供
了技術支持。本文首先對石墨烯的相關概述進行總結，然后對石墨烯材料的結構、潤滑性能、潤滑機理
等多個方面進行闡述，同時對石墨烯的潤滑性能及其在潤滑油中的應用研究現狀進行了總結，并對石墨
烯在潤滑油領域的未來研究給出了建議和方向，最后，介紹了石墨烯在潤滑油中的應用現狀。
【關鍵詞】石墨烯；潤滑性能；潤滑油
【DOI】10.12316/j.issn.1674-0831.2022.02.029
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技術應用與研究
石墨烯領域成功制備的類型較多，從層數上有單層石墨
烯、多層石墨烯和少層石墨烯；從價鍵理論可分為氧化
石墨烯、還原石墨烯和還原氧化石墨烯。石墨烯層數結
構的不同，會導致石墨烯的性能發生改變，如果石墨烯
的層數超過10層，其基本性能與石墨較為接近，當石墨
烯的層數少于十層時，會產生多種特異的性能。
2.石墨烯的潤滑性能
石墨烯是一種單層或多層結構的碳納米材料，層數
的差異使得石墨烯的性能也發生了一定的變化。對于多
層石墨烯來說，層與層之間能夠滑動，具有較為優質的
潤滑性能。石墨烯的潤滑性能會受到多種因素的影響，
比如、層數、層距、尺寸、形狀等。除此之外，石墨烯
的順滑性能還會受到相對滑動方向的影響。根據相關研
究表明，當石墨烯應用在潤滑油領域中時，其層數的多
少會對潤滑油的潤滑性能造成非常明顯的影響。當潤滑
油中的石墨烯層數在2~3層時，石墨烯的潤滑性能非常
可觀，摩擦力幾乎為零。因此，多層石墨烯具有非常顯
著的潤滑作用。石墨烯的堆垛形式也是影響其潤滑性能
的重要因素，以非公度形式堆垛的石墨烯表現出的摩擦
力較小，而且這種摩擦力會產生變化，石墨烯層間距越
多，摩擦力就越小。以AB形式堆垛的石墨烯產生的摩擦
力不會隨著層間距的增多而減少，其摩擦力隨層間距的
減小而增加。理論上當石墨烯的層數多到一定地步，石
墨烯的摩擦力趨近于零，但是在實際運用的過程中，石
墨烯的摩擦力不可能為零。相關學者對石墨烯薄膜的潤
滑性能和失效機理進行研究，主要采取的研究方式為原
子模擬方法。上述研究表明，壓頭在較低的速率下滑動
時，石墨烯的化學鍵斷裂較少，摩擦相對較大，當增加
滑動速度時，石墨烯的化學鍵斷裂不斷增多，摩擦逐漸
減小。
3.石墨烯的潤滑機理
石墨烯相關領域的研究人員為了能夠更好的研究石
墨烯的潤滑機理，總結出一套較為有效的理論，被稱為
薄膜潤滑機理。薄膜潤滑機理的理論指出，將石墨烯添
加到潤滑油中，如果形成的油膜數比較多，石墨烯就會
表現出較為明顯的薄膜潤滑機理，如果形成的油膜層數
比較少，石墨烯就會表現出較為明顯的混合潤滑機理。
因此，在使用石墨烯材料時，石墨烯的使用量不斷增
加，使得摩擦物的表面被石墨烯覆蓋，使得粗糙程度發
生改變，形成更多油膜，上述應用流程可較為詳細的用
薄膜潤滑機理進行解釋，使得石墨烯的潤滑性能得到大
幅度的提升。石墨烯的添加量與潤滑程度并不是成正比
的，當在潤滑油中加入過量的石墨烯后，潤滑油中的石
墨烯會達到飽和狀態，導致石墨烯出現過剩現象，這些
多余的石墨烯會在摩擦物的表面層層堆積，導致原本潤
滑的油膜被破壞，潤滑機理由薄膜潤滑向混合潤滑轉
變，其根本潤滑性能呈現下降的狀態。對于混合潤滑機
理來說，在石墨烯體系中主要存在三種摩擦狀況，首先
是被石墨烯覆蓋形成油膜的兩種摩擦物的摩擦；其次是
被石墨烯覆蓋形成油膜的摩擦物與未形成油膜的摩擦物
摩擦；最后是兩種摩擦物表面均不存在油膜的摩擦。潤
滑油在添加石墨烯后，其潤滑性能與上述三種摩擦情況
具有非常緊密地聯系。根據上述分析可以得知，沒有添
加石墨烯的潤滑油，其潤滑機理為混合潤滑機理，這種
潤滑油的潤滑程度不夠規范；添加了適量石墨烯的潤滑
油，其潤滑機理為薄膜潤滑，該種潤滑模式是最合適的
潤滑模式；添加過量石墨烯的潤滑油，其潤滑機理為混
合潤滑。
二、石墨烯在潤滑油中的應用
石墨烯在潤滑油中的應用越來越廣泛，主要作為潤
滑劑添加在潤滑油中。但是在實際運用過程中，要考慮
石墨烯能否與潤滑油的基礎油進行很好的相容，保證石
墨烯和基礎油能夠形成潤滑油統一又穩定的分散體系。
市面上潤滑油的添加劑很多，石墨烯作為一種新型材
料，具有較為明顯的優勢。將石墨烯加入基礎油中，可
有顯著的提升潤滑油的潤滑性能和抗摩擦性能，這是石
墨烯的優勢所在。但是，石墨烯在潤滑油中的應用也存
在一定的限制，石墨烯表面存在大量的羥基、羧基等親
水基團，使得石墨烯在油溶性的基礎潤滑油中會出現團
聚、分散困難等情況，與基礎油的水溶性不夠，導致石
墨烯的潤滑性能難以充分發揮。除此之外，石墨烯在結
構完整的情況下，具有非常高的化學穩定性，很難與其
他介質進行相互作用、相互影響，而且石墨烯自身在層
與層之間存在較大的范德華引力，同樣會導致石墨烯在
基礎油中難以分散，使得石墨烯在潤滑油中的運用受到
了一定的局限。為了能夠充分發揮石墨烯添加劑的潤滑
性能，解決其分散難、易團聚的問題，使用化學修飾和
物理吸附兩種辦法來提高石墨烯在基礎潤滑油中的分散
能力。當前相關學者對石墨烯的研究主要體現在兩個方
面，一方面是為了提升石墨烯的潤滑性能，研究石墨烯
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技術應用與研究
特點結構、層數的制備。相關學者制備了氧化石墨烯，
使用超聲比分散法將石墨烯的氧化物分散在礦物潤滑油
中，對氧化石墨烯礦物潤滑油從邊界潤滑、混合潤滑向
彈性流體動力潤滑領域的摩擦磨損的變化進行研究，結
果表明，全潤滑氧化石墨烯可降低基礎油的摩擦系數，
降低磨損率。另一方面，為了提升石墨烯與潤滑基礎油
的相容性，對石墨烯的表面進行改性。相關學者使用硬
脂酸作為石墨烯材料的改性劑，應該化學改性法制備了
硬脂酸接枝石墨烯，石墨烯在經過化學制備法改性后，
表面產生的長鏈烷烴減少了石墨烯本身的親水基團，使
其能夠與潤滑基礎油更好的融合，抗磨損能力和抗摩擦
能力有顯著提升。
與天然石墨片相比，石墨烯具有更為優質的特性，
石墨烯改性后體積較小，薄層結構，使其更容易進入摩
擦接觸面，形成較為連續的物理吸附摩擦膜，將零件的
摩擦面與摩擦物隔離開來，有效地提升了潤滑油的抗摩
擦能力。石墨烯不僅可以單獨作為潤滑油的添加劑來使
用，還可以與其他添加劑共同作用，從而進一步提升潤
滑油的潤滑性能。相關學者將氧化石墨烯同二硫化鉬復
合，并用作潤滑油的添加劑，效果更為明顯。
三、結語
石墨烯具有超薄的納米片層結構、自潤滑性能、優
秀的導熱性能以及良好的化學穩定性，在潤滑油添加劑
的使用過程中具有非常大的優勢，應用價值極高。石墨
烯作為添加劑加入潤滑油中，其固有的特性使其可以非
常容易的進入摩擦表面，形成穩定的物理摩擦隔離膜，
將零件的摩擦面隔離起來，可有效地增強潤滑油的抗摩
擦能力。但是石墨烯在作為添加劑的使用過程中也存在
一定的缺陷，石墨烯表面積較大，碳層之間的相互作用
較為明顯，溶水性較強，易團聚，為其應用帶來諸多限
制。為了提升石墨烯的應用性能，可以從以下幾個方面
入手研究：首先，對石墨烯與無機納米粒子的協同潤滑
作用進行研究，主要研究內容為協同潤滑機理、結構設
計等；其次，對石墨烯如何更好的與基礎油相容的問題
進行研究。主要的研究內容為石墨烯的改性技術與工業
化生產的結合程度，達成石墨烯低成本化應用的目的。
最后，對石墨烯潤滑油中的摩擦化學機理進行研究。主
要研究石墨烯作為添加劑在摩擦過程中與不同摩擦材料
表面產生的化學變化和物理變化，為石墨烯表面改性研
究提供理論支持。
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作者簡介：吳鳳廣（1973—），男，漢，山東省費縣，
大專，研究方向：礦物型冷凍機油、合成型冷凍機油、
汽車用油、金屬加工油、工業設備用油等各種高端潤滑
油產品的研發生產及銷售。

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