慧正資訊，近日，西南交通大學(xué)樊小強教授團隊制備出一系列功能化石墨烯材料，解決了石墨烯在工業(yè)油品和有機基體中的應(yīng)用難題、及其背后的表界面科學(xué)問題。
研究中，他們成功實現(xiàn)石墨烯復(fù)合潤滑添加劑的批量制備，這種復(fù)合潤滑添加劑具有高密度修飾的特點。
同時，他們還建立了基于石墨烯潤滑劑的表界面潤滑理論模型，借此打造了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多功能復(fù)合潤滑添加劑，有望打破 Lubrizol、Infineum、Chevron Oronite 和 Afton 四大添加劑公司對于復(fù)合劑的技術(shù)壟斷。
同時，本次研究針對不同領(lǐng)域的機械部件服役工況條件，系統(tǒng)性地優(yōu)化了石墨烯增強潤滑劑，讓其可以滿足機械裝備在服役工況、極端環(huán)境之下的潤滑需求，解決了高速載運裝備、及其關(guān)鍵運動部件在多場耦合作用之下的磨損問題。
通過采用表面改性技術(shù)，他們還對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)合潤滑添加劑，能被作為優(yōu)質(zhì)的潤滑添加劑從而滿足相關(guān)的工業(yè)應(yīng)用。
預(yù)計本次研制的石墨烯潤滑劑，能給機械部件帶來一系列的性能優(yōu)勢：比如高負荷下較低的機械應(yīng)力、遇到雙向摩擦也不會出現(xiàn)過早疲勞、確保機器部件擁有較長的使用周期等。
這樣一來不僅可以降低運行成本，
而且還能助力“雙碳”目標的實現(xiàn)。目前，這款潤滑劑已經(jīng)在土工機械場景中獲得規(guī)?；膽?yīng)用。
具體來說，他們面向針對不同機械裝備及其部件的石墨烯齒輪油、傳動油、液壓油等，和廣西柳工
機械股份有限公司聯(lián)合成立“工程機械潤滑劑聯(lián)合實驗室”，目前已經(jīng)建立專用于工程機械的石墨烯潤滑劑的生產(chǎn)體系和評價體系。
潤滑劑的存在旨在解決摩擦和磨損的問題，這也是所有機械裝備及其關(guān)鍵運動部件的共性問題。
每年因為摩擦磨損消耗掉全球三分之一的一次性能源，約 80% 的機器零部件失效與之相關(guān)。世界各國每年因摩擦磨損造成的損失約占國民生產(chǎn)總值的 2-7%。
假如可以很好地應(yīng)用摩擦學(xué)知識，所能節(jié)約的費用大約是國民生產(chǎn)總值的 1.0-1.4 %。
只要涉及到摩擦和磨損的地方，潤滑就不可或缺。多年來，中國工業(yè)發(fā)展一直呈現(xiàn)出直線上升的趨勢，風(fēng)電、核電、冶煉、精密制造、軌道交通等多行業(yè)領(lǐng)域，對于潤滑油脂的需求也在成倍增長。
目前，中國已經(jīng)是世界潤滑油脂消耗量第一大國?！氨R未動、糧草先行”。作為一種至關(guān)重要的工業(yè)消耗品，潤滑油脂的發(fā)展水平在某種程度上反映著一個國家的工業(yè)發(fā)展水平。
《中國制造 2025》以及“交通強國”戰(zhàn)略的實施，讓以高速列車為典型代表的高速載運裝備，在國民經(jīng)濟、國家安全和人民生活等方面發(fā)揮越來越重要的作用。
作為中國一張靚麗名片的高速列車，在“走出去”時會面臨廣域多環(huán)境、工況極端等役場景，不可避免地會發(fā)生嚴重的磨損、疲勞和腐蝕等失效問題，難以滿足其全壽命期內(nèi)實現(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)致的問題，不僅會造成嚴重的能源、資源的消耗問題，更會存在嚴重的安全事故風(fēng)險。
要想實現(xiàn)高速載運裝備在全壽命周期中的高功能服役，就必須確保其關(guān)鍵運動部件的“形面完整性和功能穩(wěn)健性”。
但是，如何保障核心機械表界面的完整性，已經(jīng)成為制約高速載運裝備發(fā)展的“卡脖子”問題之一。
其中，高效的機械表面防護是核心技術(shù)。多年來，樊小強
團隊的研究聚焦于高速載運裝備及關(guān)鍵部件，致力于解決它們在多環(huán)境和變工況服役下的磨損、疲勞和腐蝕等問題。
在過去，他和課題組圍繞高性能機械表面防護材料及其應(yīng)用，開展了一系列的研究。
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、防腐蝕的潤滑油脂，以及研發(fā)耐磨損、抗疲勞、防腐蝕的有機涂層等。
眾所周知，石墨烯以其典型的結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)勢，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，人們非常熱衷于使用石墨烯來研發(fā)高性能潤滑材料或潤滑添加劑。
然而，石墨烯的化學(xué)惰性、層間 π-π 作用等特點，嚴重影響著它的潤滑功能。
考慮到無機-有機雜化的界面問題、以及原子摻雜和引入缺陷，會嚴重改變石墨烯的本征結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。因此該團隊采用外場輔助濕法，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和懸鍵，利用修飾劑官能團與其發(fā)生化學(xué)作用，實現(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。
而這一系列的成果離不開他們的辛勤付出。尤其是 2018 年中秋節(jié)那天晚上，成都開始下起大雨傾盆，樊小強
與三名學(xué)生緊羅密布地開展項目申報書的最后修訂和答辯 PPT 的制作。
直到黎明時分他們終于忙完工作，天氣好轉(zhuǎn)一片萬里晴空。“忙完之后，我在早上吃了一碗香辣牛肉面，這讓我又回想起在中科院蘭化所讀研時做完實驗吃牛肉面的場景。努力的過程是最美妙的，此情此景非常值得回味。”樊小強
說。
最終，相關(guān)論文以《平行排列氧化石墨烯雜化環(huán)氧復(fù)合涂層耐磨性的實驗與理論評價》（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
教授和黃銀
副教授擔(dān)任共同通訊作者 。
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)國家發(fā)明專利 7 項。
另據(jù)悉，憑借針對高鐵、地鐵的鋼軌損失維護上的貢獻，樊小強
曾獲得“全國鐵路青年科技創(chuàng)新獎”。
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，會產(chǎn)生波磨、擦傷、剝落、裂紋、磨耗等，這會嚴重影響列車的平順性、穩(wěn)定性和安全性。
樊小
強
表示：“針對我國高速被動打磨磨石技術(shù)依然嚴重落后于法國、德國等軌道交通發(fā)達國家，特別是最重要耗材的高速打磨磨石完全被 Vossloh
、Saint-Gobain
等外企壟斷的問題，我們采用正交試驗的方法，成功研制了鋼軌高速打磨的高性能磨石?！?/span>
同時，他和團隊還開展了磨石綜合性能考評，目前這款磨石的打磨功效已經(jīng)達到國際先進水平?！斑@項成果為高鐵后時代軌道交通的運行維護提供了材料技術(shù)與理論支撐，對于‘交通強國’的建設(shè)起著重要支撐作用。”他說。
未來，
樊小
強
團隊將更加聚焦于研究磨損與腐蝕防護技術(shù)，尤其將重點研究緊固件。
緊固件，素有“工業(yè)之米”之稱。它能發(fā)揮傳遞力/力矩、運動或密封等功能，保障高速載運裝備及其機械結(jié)構(gòu)執(zhí)行關(guān)鍵程序。
但是，緊固件的接觸面承受動載荷、以及苛刻服役環(huán)境的強烈耦合作用，不可避免會讓其發(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、服役性能衰退等問題，并會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，課題組將進一步研究以緊固件為代表的零部件，力爭及時研發(fā)出來相應(yīng)的防護材料，更好地助力“交通強國”的建設(shè)。
