近日，西南交通大学教授团队制备出一系列功能化石墨烯材料，解决了石墨烯在工业油品和有机基体中的应用难题、及其背后的表界面科学问题。研究中，他们成功实现石墨烯复合润滑添加剂的批量制备，这种复合润滑添加剂具有高密度修饰的特点。同时，他们还建立了基于石墨烯润滑剂的表界面润滑理论模型，借此打造了具有自主知识产权的多功能复合润滑添加剂，有望打破 、、 和 四大添加剂公司对于复合剂的技术垄断。同时，本次研究针对不同领域的机械部件服役工况条件，系统性地优化了石墨烯增强润滑剂，让其可以满足机械装备在服役工况、极端环境之下的润滑需求，解决了高速载运装备、及其关键运动部件在多场耦合作用之下的磨损问题。通过采用表面改性技术，他们还对石墨烯表界面的状态加以有效调控，解决了石墨烯在润滑应用上的分散稳定性瓶颈，借此研发的石墨烯类复合润滑添加剂，能被作为优质的润滑添加剂从而满足相关的工业应用。预计本次研制的石墨烯润滑剂，能给机械部件带来一系列的性能优势：比如高负荷下较低的机械应力、遇到双向摩擦也不会出现过早疲劳、确保机器部件拥有较长的使用周期等。这样一来不仅可以降低运行成本，而且还能助力“双碳”目标的实现。目前，这款润滑剂已经在土工机械场景中获得规模化的应用。具体来说，他们面向针对不同机械装备及其部件的石墨烯齿轮油、传动油、液压油等，和广西机械股份有限公司联合成立“工程机械润滑剂联合实验室”，目前已经建立专用于工程机械的石墨烯润滑剂的生产体系和评价体系。润滑剂的存在旨在解决摩擦和磨损的问题，这也是所有机械装备及其关键运动部件的共性问题。每年因为摩擦磨损消耗掉全球三分之一的一次性能源，约 80% 的机器零部件失效与之相关。世界各国每年因摩擦磨损造成的损失约占国民生产总值的 2-7%。假如可以很好地应用摩擦学知识，所能节约的费用大约是国民生产总值的 1.0-1.4 %。只要涉及到摩擦和磨损的地方，润滑就不可或缺。多年来，中国工业发展一直呈现出直线上升的趋势，风电、核电、冶炼、精密制造、轨道交通等多行业领域，对于润滑油脂的需求也在成倍增长。目前，中国已经是世界润滑油脂消耗量第一大国。“兵马未动、粮草先行”。作为一种至关重要的工业消耗品，润滑油脂的发展水平在某种程度上反映着一个国家的工业发展水平。《中国制造 2025》以及“交通强国”战略的实施，让以高速列车为典型代表的高速载运装备，在国民经济、国家安全和人民生活等方面发挥越来越重要的作用。作为中国一张靓丽名片的高速列车，在“走出去”时会面临广域多环境、工况极端等役场景，不可避免地会发生严重的磨损、疲劳和腐蚀等失效问题，难以满足其全寿命期内实现低能耗、高精度、高可靠等高服役性能要求。这些由于环境与工况耦合导致的问题，不仅会造成严重的能源、资源的消耗问题，更会存在严重的安全事故风险。要想实现高速载运装备在全寿命周期中的高功能服役，就必须确保其关键运动部件的“形面完整性和功能稳健性”。但是，如何保障核心机械表界面的完整性，已经成为制约高速载运装备发展的“卡脖子”问题之一。其中，高效的机械表面防护是核心技术。多年来，团队的研究聚焦于高速载运装备及关键部件，致力于解决它们在多环境和变工况服役下的磨损、疲劳和腐蚀等问题。在过去，他和课题组围绕高性能机械表面防护材料及其应用，开展了一系列的研究。其中涉及到研发基于二维纳米材料的复合添加剂，研发低摩擦、高承载、防腐蚀的润滑油脂，以及研发耐磨损、抗疲劳、防腐蚀的有机涂层等。众所周知，石墨烯以其典型的结构与性能优势，在众多行业有巨大的应用潜力。凭借出色的力学性能、较高的载流子迁移率、高温条件下的化学稳定性、公度与非公度调控等优势，人们非常热衷于使用石墨烯来研发高性能润滑材料或润滑添加剂。然而，石墨烯的化学惰性、层间 π-π 作用等特点，严重影响着它的润滑功能。考虑到无机-有机杂化的界面问题、以及原子掺杂和引入缺陷，会严重改变石墨烯的本征结构和性质。因此该团队采用外场辅助湿法，研发出了这种功能化石墨烯。他们还围绕工业基础油的基本属性和分子结构，筛选出不同类型的亲油性修饰剂，借助石墨烯基面或边缘的基团和悬键，利用修饰剂官能团与其发生化学作用，实现了石墨烯的功能化、以及与不同基础油的匹配性设计。而这一系列的成果离不开他们的辛勤付出。尤其是 2018 年中秋节那天晚上，成都开始下起大雨倾盆，与三名学生紧罗密布地开展项目申报书的最后修订和答辩 PPT 的制作。直到黎明时分他们终于忙完工作，天气好转一片万里晴空。“忙完之后，我在早上吃了一碗香辣牛肉面，这让我又回想起在中科院兰化所读研时做完实验吃牛肉面的场景。努力的过程是最美妙的，此情此景非常值得回味。”说。最终，相关论文以《平行排列氧化石墨烯杂化环氧复合涂层耐磨性的实验与理论评价》（）为题发在 Carbon。西南交通大学硕士生何玉姗是第一作者，西南交通大学教授和副教授担任共同通讯作者 [1]。除了本次论文之外，课题组的其他相关论文分别发表在 Chemical Engineering Journal、Applied Surface Science、Friction 和 Tribology International 等期刊。此外，目前其已授权国家发明专利 7 项。另据悉，凭借针对高铁、地铁的钢轨损失维护上的贡献，曾获得“全国铁路青年科技创新奖”。作为轨道交通的重要承载部件，钢轨在服役环境和工况耦合作用之下，会产生波磨、擦伤、剥落、裂纹、磨耗等，这会严重影响列车的平顺性、稳定性和安全性。表示：“针对我国高速被动打磨磨石技术依然严重落后于法国、德国等轨道交通发达国家，特别是最重要耗材的高速打磨磨石完全被 、 等外企垄断的问题，我们采用正交试验的方法，成功研制了钢轨高速打磨的高性能磨石。”
同时，他和团队还开展了磨石综合性能考评，目前这款磨石的打磨功效已经达到国际先进水平。“这项成果为高铁后时代轨道交通的运行维护提供了材料技术与理论支撑，对于‘交通强国’的建设起着重要支撑作用。”他说。未来，团队将更加聚焦于研究磨损与腐蚀防护技术，尤其将重点研究紧固件。紧固件，素有“工业之米”之称。它能发挥传递力/力矩、运动或密封等功能，保障高速载运装备及其机械结构执行关键程序。但是，紧固件的接触面承受动载荷、以及苛刻服役环境的强烈耦合作用，不可避免会让其发生磨损、疲劳和腐蚀等损伤，导致连接界面变形、表面状态变化、应力分布改变、服役性能衰退等问题，并会威胁到装备在全寿命周期之内的可靠性、安全性和舒适性。基于此，课题组将进一步研究以紧固件为代表的零部件，力争及时研发出来相应的防护材料，更好地助力“交通强国”的建设。
参考资料：
1.He, Y., Fan, X., Huang, Y., Liu, C., Zhao, Z., & Zhu, M. (2023). Experimental and theoretical evaluations on the parallel-aligned graphene oxide hybrid epoxy composite coating toward wear resistance.Carbon, 118629.