简介

调节摩擦的最有效方法之一是使用液体润滑剂，液体润滑剂通过防止滑动接触表面发生严重或更频繁的金属与金属接触，或在摩擦表面上形成低剪切、高耐久性的边界膜，几乎消除了摩擦，例如，根据滑动速度和其他操作条件，发动机油可以通过减少金属与金属直接接触的频率来有效地分离环和衬套的接触面，从而减少摩擦和磨损。

在金属与金属接触的情况下，这些油中的任何添加剂都可能形成低剪切、高度保护的边界膜，提供额外的安全性，简而言之，低摩擦意味着节省燃料，而减少磨损意味着更长的耐用性，由于这些固体和液体润滑剂，当今发动机和其他机械系统的部件可以长时间安全平稳地运行。

在这种情况下，石墨烯及其衍生物可以作为理想的固体或胶体液体润滑剂添加剂，因为它们具有完善的润滑性、热稳定性、非凡的电气和机械性能以及对湿度和氧气的不渗透性。

石墨烯基材料通过增强传统润滑剂的性能来提供表面保护，防止摩擦和磨料磨损，当作为添加剂加入时，主要来自两个因素，一方面，弱范德华力的存在与薄片之间的温度相关过渡和旋转运动协同作用，有助于彼此之间的滑动，从而降低剪切阻力。

另一方面，石墨烯基材料在润滑油的其他添加剂的辅助下钝化摩擦表面，在均匀降解的情况下（光滑表面）通过在滑动表面上形成连续的保护层，或者在降解粗糙的情况下通过岛形涂层的生长，这两个因素都有助于显著降低摩擦系数（COF），而石墨烯衍生物独特的机械强度可以极大地保护表面免受磨损和腐蚀。

最近的摩擦学研究广泛报道了这种能力，揭示了石墨烯能够在边界润滑条件下非常有效地润滑宏观尺度钢对钢滑动触点。

尽管在润滑油中掺入纳米添加剂被认为是提高润滑油效率的重要一步，但在发动机油中随机添加纳米材料可能会导致薄片聚集;这种附聚物甚至可能因重力而沉淀，每当纳米材料之间的范德华力比排斥力强并且布朗运动无法克服吸引力时，就会发生聚集。

当纳米材料的分散体中发生团聚时，沉降会加速，而摩擦性能会受到负面影响]，因此，对于高效可靠的纳米润滑剂的配方，长期稳定性仍然具有挑战性，以便在长时间储存后不会沉降，确保磨损表面之间的机械故障（磨损）可以忽略不计。

为此，我们首次展示了壳牌通过添加不同含量的rGO（在超声波辅助下）在5，40至0，2重量的范围内改善了传统全合成发动机油0W-01的摩擦学行为，rGO是一种原子薄的碳原子片，通过氧化石墨烯（GO）的还原处理，通过各种方法还原氧官能团，并在各种新兴应用中被广泛研究。

试剂和耗材

石墨粉，硝酸钠，高锰酸钾，过氧化氢30%，氢碘酸（HI）55%，碳酸氢钠和丙酮从Sigma-Aldrich购买，硫酸95-98%和冰醋酸分别从霍尼韦尔先进材料公司（美国新泽西州）和默克公司（德国达姆施塔特）购买，5W-40合成多级发动机油，由壳牌公司（土耳其伊斯坦布尔）提供（表1），是完全合成的。

富含非常低含量（机密）的一些化学元素，如Ca，Zn，P，S和Mg，其规格符合APISN/CF;ACEAA3/B3，A3/B4;宝马LL-01;MB229，5，226，5;大众502，00/505，00;保时捷A40;雷诺RN0700，RN0710;PSAB712296，法拉利;菲亚特9，55535-Z2和克莱斯勒MS-10725。

Uddeholm（英国西米德兰兹郡奥尔德伯里）提供了与钼和钒合金的高碳、高铬工具钢试样（Sverker21-AISID2，尺寸：13毫米×10毫米×10毫米，硬度：210HB球，100CrMn6钢球，d=8毫米，硬度：60-66HRC）。

材料准备程序

在典型的程序中，将发动机油（20mL/10g）添加到干净的小瓶（22mL）中，然后，以不同的质量比（0，2–0，01%）掺入rGO，并使用超声探头辅助过程将混合物均质化30分钟，表2总结了含有不同浓度rGO的机油样品的制备参数，将所有样品以2rpm（16×g）离心（Sigma4500-1856P）30分钟，以去除任何聚集体/沉积物并提高其长期稳定性（图1），尽管离心过程中没有发生沉淀。

摩擦学表征

根据正式、完善的测试参数评估了壳牌40W-2000发动机油参考油的摩擦学性能，并与制备的分散体（0，2–0，01wt%rGO含量）进行了比较，如表2，利用定制的往复式摩擦计设置，如图2，摩擦计由伺服电机驱动，使用直接连接到监视器的数据记录器从称重传感器收集每秒800个数据（值）。

每个冲程持续0，8秒（每秒640个数据），通过这种方式估计测量过程中磨损轨迹的平均COF，所有测试均在100°C的边界润滑条件下进行，摩擦测量期间的法向载荷设置为60，5N，滑动速度或往复速度和行程分别为0，055m/s和8mm，使用先进的加热器将模块的温度设置为100°C，该加热器配备了安装在设置上的数字控制器。

为了进行21分钟的摩擦测试测量，将每个样品中的三滴在钢块的表面上，然后，100CrMn6钢球在边界润滑条件下在其上摩擦，如图3，数据采集由使用MATLAB（R2020b，MathWorks，MA，USA）开发的特定软件完成，该软件用于过滤任何振动噪声并通过绘制最终COF曲线作为时间的函数来计算平均COF。

表征方法

分散样品由J，P，SELECTAS，A，（西班牙巴塞罗那）（型号CY500，超声能量为20Hz）通过超声均质机制备。

衰减全反射傅里叶变换红外（ATRFTIR）测量（吸光度）是使用布鲁克（美国马萨诸塞州比勒里卡）顶点70vFTIR真空光谱仪进行的，该真空光谱仪配备了带有单反射金刚石晶体的A225/Q铂金ATR单元，可通过全反射测量对形状不均匀的固体样品和液体进行红外分析，光谱范围为4000-700cm-1。

拉曼测量是在室温（RT）下进行的，使用堀场（日本京都）LabRAMHREvolution共聚焦显微光谱仪，具有反向散射几何形状（180°），配备风冷固态激光器，工作波长为532nm，输出功率为100mW，使用10×奥林巴斯显微镜物镜（数值孔径为0，25）将激光束聚焦在样品上，为每个样品提供55mW的功率。

使用墨尔文（英国马尔文）纳米ZS（纳米ZS90）仪器对rGO分散体进行平均粒径和zeta电位测量，XRD图谱是在布鲁克（美国马萨诸塞州比勒里卡）D8高级X射线衍射仪上使用CuKα辐射（λ=1，5406A）收集的。

通过全数字光学显微镜进行形态学表征，使用Nanobender3DHR光学轮廓仪，分辨率为6400/旋转，配备-P-CAMn相机（2MP和5MP），通过JEOLJSM-7000F（日本东京）场发射扫描电子显微镜拍摄SEM图像，通过JEOLJSM2010（日本东京）在200kV加速电压下运行的透射电子显微镜提取TEM图像。

浊度法测量使用HI93703微处理器汉纳仪器（美国罗德岛州温索基特）浊度计进行，使用上面讨论的定制往复摩擦计评估样品的摩擦学特性。

结果和讨论

很明显，低rGO浓度的油样浊度增加迅速，而高浓度的油样的浊度增加较弱，这一事实意味着由于rGO薄片的聚集而存在更大尺寸的颗粒[37]，因此，rGO5–rGO1样品在3-4个月后观察到轻度沉降，而rGO7–rGO6样品表现出长期稳定性（>6个月）。

钢块滑动对的表面分析（参见图3）也通过全数字光学显微镜进行，以比较测试参考样品和rGO6样品时发生的变形程度，而2D/3D粗糙度参数则通过3D高分辨率光学轮廓仪测量，根据执行的第一次测量，如图5，在测试样品rGO6（b，d）后，球和块上的磨损疤痕完全小于相应的磨损疤痕，对应于参考（a，c），球的磨损疤痕直径减少了3%。

更具体地说，球上的磨损疤痕直径水平从262，17μm减小到255，53μm，垂直方向从250减小到247，81μm，而块的磨损轨迹宽度也从292，92μm减小到253，91μm，此外，在测试rGO6时，钢滑副的表面表现出平均粗糙度（R一个）球为3，256μm，钢块为0，648μm，与参考对应的较粗糙的钢块相比，其显示R一个分别为6，129μm和0，762μm，相应的原始数据也如图S3所示。

还应该注意的是，与第二次和第三次测量相对应的球和块上的磨损疤痕遵循与第一次相同的趋势，如图S4a，b所示，特别是，球上的磨损疤痕直径水平从269，92μm减小到259，96μm，垂直方向从258，85减小到247，79μm，而在第二次测量的情况下，块的磨损轨迹宽度从243，35μm下降到236，73μm。

根据第三次测量，球上的磨损疤痕直径从水平方向的276，90减小到266，88μm，垂直方向从264，38减小到250，36μm，而块的磨损轨迹宽度也从268，81减小到232，23μm，需要注意的是，为了比较球表面的磨损轨迹，对应于参考和rGO6样品测试，我们比较了它们各自的垂直和水平直径（浅绿色割线）。

另一方面，为了比较砌块表面的磨损轨迹，我们选择了两个砌块磨损疤痕的相似区域，在砌块摩擦区域的不同位置绘制四条浅绿色直线，通过这种方式，我们比较了每个块的最高宽度值。

扫描电镜图像在参考和rGO5样品的能量色散X射线光谱（EDS）的支持下，研究了摩擦表面的变形程度，以及通过EDS映射产生的rGO碳的扩展存在，很明显，与6W-5发动机油相比，测试rGO40样品后球和块部件的表面变形明显较低，这一事实归因于rGO的自润滑行为。

另一方面，根据元素分析，与6W-5样品相比，rGO40样品的摩擦表面的碳含量几乎翻了一番，而铁含量降低了，这一结果证实了摩擦表面上存在保护涂层，这是由于rGO添加剂，它在滑动部件之间提供了更有效的润滑，因此，很明显，rGO在减少摩擦和减少磨损轨道方面起着关键作用，有助于通过分层效应防止表面剪切应力。

结论

在添加rGO后，对七种不同浓度的rGO进行了全面评估商业化的全合成发动机油（Shell5W-40）的摩擦学特性，范围从0，01%到0，2wt%，通过浊度法和zeta电位测量法评估制备样品的稳定性，我们得出的结论是，与对照样品相比，使用rGO6样品（0，02wt%rGO含量）时，磨损表面上形成了保护涂层，有助于良好的表面钝化，因为COF降低了5%，而球的磨损疤痕直径减少了3%。

总而言之，我们的研究强调了HI辅助rGO作为润滑剂添加剂的潜力，通过消除磨损和摩擦来充分保护摩擦表面免受降解，从而节省燃料能量，这些非常有希望的结果使我们热衷于在未来几个月内在真实发动机中进行rGO6样品的受控试运行。