慧正資訊，近日，西南交通大學(xué)樊小強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)制備出一系列功能化石墨烯材料，解決了石墨烯在工業(yè)油品和有機(jī)基體中的應(yīng)用難題、及其背后的表界面科學(xué)問(wèn)題。
樊小強(qiáng)（來(lái)源：樊小強(qiáng)）
研究中，他們成功實(shí)現(xiàn)石墨烯復(fù)合潤(rùn)滑添加劑的批量制備，這種復(fù)合潤(rùn)滑添加劑具有高密度修飾的特點(diǎn)。
同時(shí)，他們還建立了基于石墨烯潤(rùn)滑劑的表界面潤(rùn)滑理論模型，借此打造了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多功能復(fù)合潤(rùn)滑添加劑，有望打破 Lubrizol、Infineum、Chevron Oronite 和 Afton 四大添加劑公司對(duì)于復(fù)合劑的技術(shù)壟斷。
同時(shí)，本次研究針對(duì)不同領(lǐng)域的機(jī)械部件服役工況條件，系統(tǒng)性地優(yōu)化了石墨烯增強(qiáng)潤(rùn)滑劑，讓其可以滿足機(jī)械裝備在服役工況、極端環(huán)境之下的潤(rùn)滑需求，解決了高速載運(yùn)裝備、及其關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件在多場(chǎng)耦合作用之下的磨損問(wèn)題。
通過(guò)采用表面改性技術(shù)，他們還對(duì)石墨烯表界面的狀態(tài)加以有效調(diào)控，解決了石墨烯在潤(rùn)滑應(yīng)用上的分散穩(wěn)定性瓶頸，借此研發(fā)的石墨烯類復(fù)合潤(rùn)滑添加劑，能被作為優(yōu)質(zhì)的潤(rùn)滑添加劑從而滿足相關(guān)的工業(yè)應(yīng)用。
預(yù)計(jì)本次研制的石墨烯潤(rùn)滑劑，能給機(jī)械部件帶來(lái)一系列的性能優(yōu)勢(shì)：比如高負(fù)荷下較低的機(jī)械應(yīng)力、遇到雙向摩擦也不會(huì)出現(xiàn)過(guò)早疲勞、確保機(jī)器部件擁有較長(zhǎng)的使用周期等。
這樣一來(lái)不僅可以降低運(yùn)行成本，
而且還能助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。目前，這款潤(rùn)滑劑已經(jīng)在土工機(jī)械場(chǎng)景中獲得規(guī)模化的應(yīng)用。
具體來(lái)說(shuō)，他們面向針對(duì)不同機(jī)械裝備及其部件的石墨烯齒輪油、傳動(dòng)油、液壓油等，和廣西柳工
機(jī)械股份有限公司聯(lián)合成立“工程機(jī)械潤(rùn)滑劑聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”，目前已經(jīng)建立專用于工程機(jī)械的石墨烯潤(rùn)滑劑的生產(chǎn)體系和評(píng)價(jià)體系。
潤(rùn)滑劑的存在旨在解決摩擦和磨損的問(wèn)題，這也是所有機(jī)械裝備及其關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件的共性問(wèn)題。
每年因?yàn)槟Σ聊p消耗掉全球三分之一的一次性能源，約 80% 的機(jī)器零部件失效與之相關(guān)。世界各國(guó)每年因摩擦磨損造成的損失約占國(guó)民生產(chǎn)總值的 2-7%。
假如可以很好地應(yīng)用摩擦學(xué)知識(shí)，所能節(jié)約的費(fèi)用大約是國(guó)民生產(chǎn)總值的 1.0-1.4 %。
只要涉及到摩擦和磨損的地方，潤(rùn)滑就不可或缺。多年來(lái)，中國(guó)工業(yè)發(fā)展一直呈現(xiàn)出直線上升的趨勢(shì)，風(fēng)電、核電、冶煉、精密制造、軌道交通等多行業(yè)領(lǐng)域，對(duì)于潤(rùn)滑油脂的需求也在成倍增長(zhǎng)。
目前，中國(guó)已經(jīng)是世界潤(rùn)滑油脂消耗量第一大國(guó)?！氨R未動(dòng)、糧草先行”。作為一種至關(guān)重要的工業(yè)消耗品，潤(rùn)滑油脂的發(fā)展水平在某種程度上反映著一個(gè)國(guó)家的工業(yè)發(fā)展水平。
《中國(guó)制造 2025》以及“交通強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的實(shí)施，讓以高速列車為典型代表的高速載運(yùn)裝備，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)家安全和人民生活等方面發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
作為中國(guó)一張靚麗名片的高速列車，在“走出去”時(shí)會(huì)面臨廣域多環(huán)境、工況極端等役場(chǎng)景，不可避免地會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的磨損、疲勞和腐蝕等失效問(wèn)題，難以滿足其全壽命期內(nèi)實(shí)現(xiàn)低能耗、高精度、高可靠等高服役性能要求。
這些由于環(huán)境與工況耦合導(dǎo)致的問(wèn)題，不僅會(huì)造成嚴(yán)重的能源、資源的消耗問(wèn)題，更會(huì)存在嚴(yán)重的安全事故風(fēng)險(xiǎn)。
要想實(shí)現(xiàn)高速載運(yùn)裝備在全壽命周期中的高功能服役，就必須確保其關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件的“形面完整性和功能穩(wěn)健性”。
但是，如何保障核心機(jī)械表界面的完整性，已經(jīng)成為制約高速載運(yùn)裝備發(fā)展的“卡脖子”問(wèn)題之一。
其中，高效的機(jī)械表面防護(hù)是核心技術(shù)。多年來(lái)，樊小強(qiáng)
團(tuán)隊(duì)的研究聚焦于高速載運(yùn)裝備及關(guān)鍵部件，致力于解決它們?cè)诙喹h(huán)境和變工況服役下的磨損、疲勞和腐蝕等問(wèn)題。
在過(guò)去，他和課題組圍繞高性能機(jī)械表面防護(hù)材料及其應(yīng)用，開(kāi)展了一系列的研究。
其中涉及到研發(fā)基于二維納米材料的復(fù)合添加劑，研發(fā)低摩擦、高承載、防腐蝕的潤(rùn)滑油脂，以及研發(fā)耐磨損、抗疲勞、防腐蝕的有機(jī)涂層等。
眾所周知，石墨烯以其典型的結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)勢(shì)，在眾多行業(yè)有巨大的應(yīng)用潛力。憑借出色的力學(xué)性能、較高的載流子遷移率、高溫條件下的化學(xué)穩(wěn)定性、公度與非公度調(diào)控等優(yōu)勢(shì)，人們非常熱衷于使用石墨烯來(lái)研發(fā)高性能潤(rùn)滑材料或潤(rùn)滑添加劑。
然而，石墨烯的化學(xué)惰性、層間 π-π 作用等特點(diǎn)，嚴(yán)重影響著它的潤(rùn)滑功能。
考慮到無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化的界面問(wèn)題、以及原子摻雜和引入缺陷，會(huì)嚴(yán)重改變石墨烯的本征結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。因此該團(tuán)隊(duì)采用外場(chǎng)輔助濕法，研發(fā)出了這種功能化石墨烯。
他們還圍繞工業(yè)基礎(chǔ)油的基本屬性和分子結(jié)構(gòu)，篩選出不同類型的親油性修飾劑，借助石墨烯基面或邊緣的基團(tuán)和懸鍵，利用修飾劑官能團(tuán)與其發(fā)生化學(xué)作用，實(shí)現(xiàn)了石墨烯的功能化、以及與不同基礎(chǔ)油的匹配性設(shè)計(jì)。
而這一系列的成果離不開(kāi)他們的辛勤付出。尤其是 2018 年中秋節(jié)那天晚上，成都開(kāi)始下起大雨傾盆，樊小強(qiáng)
與三名學(xué)生緊羅密布地開(kāi)展項(xiàng)目申報(bào)書的最后修訂和答辯 PPT 的制作。
直到黎明時(shí)分他們終于忙完工作，天氣好轉(zhuǎn)一片萬(wàn)里晴空?！懊ν曛螅以谠缟铣粤艘煌胂憷迸Ｈ饷?，這讓我又回想起在中科院蘭化所讀研時(shí)做完實(shí)驗(yàn)吃牛肉面的場(chǎng)景。努力的過(guò)程是最美妙的，此情此景非常值得回味?！?/span>樊小強(qiáng)
說(shuō)。
最終，相關(guān)論文以《平行排列氧化石墨烯雜化環(huán)氧復(fù)合涂層耐磨性的實(shí)驗(yàn)與理論評(píng)價(jià)》（Experimental and theoretical evaluations on the parallel-aligned graphene oxide hybrid epoxy composite coating toward wear resistance）為題發(fā)在 Carbon。
西南交通大學(xué)碩士生何玉姍是第一作者，西南交通大學(xué)樊小強(qiáng)
教授和黃銀
副教授擔(dān)任共同通訊作者 。
相關(guān)論文（來(lái)源：Carbon）
除了本次論文之外，課題組的其他相關(guān)論文分別發(fā)表在
Chemical Engineering Journal
、
Applied Surface Science
、
Friction
和
Tribology International
等期刊。此外，目前其已授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利 7 項(xiàng)。
另?yè)?jù)悉，憑借針對(duì)高鐵、地鐵的鋼軌損失維護(hù)上的貢獻(xiàn)，樊小強(qiáng)
曾獲得“全國(guó)鐵路青年科技創(chuàng)新獎(jiǎng)”。
作為軌道交通的重要承載部件，鋼軌在服役環(huán)境和工況耦合作用之下，會(huì)產(chǎn)生波磨、擦傷、剝落、裂紋、磨耗等，這會(huì)嚴(yán)重影響列車的平順性、穩(wěn)定性和安全性。
樊小
強(qiáng)
表示：“針對(duì)我國(guó)高速被動(dòng)打磨磨石技術(shù)依然嚴(yán)重落后于法國(guó)、德國(guó)等軌道交通發(fā)達(dá)國(guó)家，特別是最重要耗材的高速打磨磨石完全被 Vossloh
、Saint-Gobain
等外企壟斷的問(wèn)題，我們采用正交試驗(yàn)的方法，成功研制了鋼軌高速打磨的高性能磨石?！?/span>
同時(shí)，他和團(tuán)隊(duì)還開(kāi)展了磨石綜合性能考評(píng)，目前這款磨石的打磨功效已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平?！斑@項(xiàng)成果為高鐵后時(shí)代軌道交通的運(yùn)行維護(hù)提供了材料技術(shù)與理論支撐，對(duì)于‘交通強(qiáng)國(guó)’的建設(shè)起著重要支撐作用?！彼f(shuō)。
未來(lái)，
樊小
強(qiáng)
團(tuán)隊(duì)將更加聚焦于研究磨損與腐蝕防護(hù)技術(shù)，尤其將重點(diǎn)研究緊固件。
緊固件，素有“工業(yè)之米”之稱。它能發(fā)揮傳遞力/力矩、運(yùn)動(dòng)或密封等功能，保障高速載運(yùn)裝備及其機(jī)械結(jié)構(gòu)執(zhí)行關(guān)鍵程序。
但是，緊固件的接觸面承受動(dòng)載荷、以及苛刻服役環(huán)境的強(qiáng)烈耦合作用，不可避免會(huì)讓其發(fā)生磨損、疲勞和腐蝕等損傷，導(dǎo)致連接界面變形、表面狀態(tài)變化、應(yīng)力分布改變、服役性能衰退等問(wèn)題，并會(huì)威脅到裝備在全壽命周期之內(nèi)的可靠性、安全性和舒適性。
基于此，課題組將進(jìn)一步研究以緊固件為代表的零部件，力爭(zhēng)及時(shí)研發(fā)出來(lái)相應(yīng)的防護(hù)材料，更好地助力“交通強(qiáng)國(guó)”的建設(shè)。
