羧基化石墨烯量子点：坚固耐用的超润滑

摘  要

利用水性绿色润滑剂在工程钢上实现宏观超润滑已经引起了越来越多的兴趣，因为它具有降低能耗和碳足迹的巨大潜力。然而，在各种滑动条件下长时间保持超润滑性是实际应用的主要障碍。在本文中，我们报道了一种坚固耐用的摩擦膜，这种摩擦膜是由基于羧基化石墨烯量子点(CGQDs)的独特润滑机制在甘油水溶液中形成的，可以触发自配钢触点的宏观超润滑。设计了一个专门的间歇测试，以显示超润滑的鲁棒性和摩擦膜适应各种相关滑动条件的能力。

此外，与基础润滑剂相比，边界膜的平均摩擦系数约为0.007，磨损减少69%，从而在123 MPa的实际最终接触压力下保持超润滑，与目前的水润滑钢接触相比，这增加了接触压力的上限。这种新的超润滑机制是通过CGQDs在磨损金属表面的化学吸附，再加上摩擦引起的结构降解和CGQDs转变成层状石墨结构，从而产生适应性低剪切界面而实现的。该研究为CGQDs的化学吸附和结构转化在实现超润滑中的作用提供了新的认识，是实现节能和绿色润滑技术的重要一步。

图文详情

图1所示。CGQDs的表征:(a) TEM图像(插图HR TEM图像)，(b) TEM确定的粒度分布，(c) AFM分析，(d) ATR-FTIR光谱，(e) HR c 1s XPS光谱，(f) CGQDs的UV – vis光谱，其中插图显示0.025 wt% CGQDsaq在(i)白光下的照片，(ii)超声后的紫外光，(iii)静置6个月后的照片。

图2。CGQDsaq的摩擦学特性:(a)分别用纯水、Gaq和0.1 wt% CGQDsaq润滑时，COF随时间的演变(测试条件:3.5 N和0.1 m/s)。(b)用0.1 wt% CGQDsaq润滑的自配a- c:H和钢触点(3.5 N, 0.1 m/s)的摩擦性能比较。(c)不同正常载荷(2-10 N, 0.1 m/s)下的COFs随时间的变化，以及(d)用0.1 wt% CGQDsaq润滑的不同滑动速度(0.05-0.15 m/s, 3.5 N)下的COFs。

图3。(a)不同浓度CGQD (3.5 N, 0.1 m/s)超润滑过程中的平均COFs和相应的最终接触压力(FCP)。(b)在不同负载和滑动速度下的超润滑状态下对应的FCP。为0.1 wt%)，其中FCP通过将正常施加的载荷除以球上磨损区域的接触面积来计算。

图4。Gaq和0.1 wt% CGQDsaq (3.5 N, 0.1 m/s)摩擦试验后的磨损表面表征:(a)用(i) Gaq和(ii) CGQDsaq润滑的球和磨损盘表面的三维表面形貌。(b)经(i) Gaq和(ii) CGQDsaq润滑的磨损表面形貌的SEM图像。

图5。用0.1 wt% CGQDsaq进行摩擦试验后磨损盘表面的拉曼分析;(a)磨损区域的光学图像，(b) 1490-1720 cm¶1光谱范围内G波段的拉曼强度图，(c)在二维拉曼图中标记的位置获得的相应拉曼光谱。

图6。用0.1 wt% CGQDsaq润滑(试验条件:3.5 N, 0.1 m/s)，磨损轨迹内(a, C)和磨损轨迹外(b,d)的c15和o15的高分辨率(HR) XPS光谱。磨损轨迹内测量的分析光斑直径为55 μm。

图7。(a) ToF-SIMS深度剖面和(b)在COO和FeO2的负极性下获得的3D ToF-SIMS图像¶。使用5.0 kev的Ar1900 +在500 × 500 μm的面积上进行GCIB溅射，在300 × 300 μm的面积上进行分析。这些图像在z方向上的高度与x和y方向上的比例不成比例。

图8。用0.1 wt% CGQDsaq (3.5 N, 0.1 m/s)润滑磨损钢表面形成的摩擦膜的STEM截面研究。(a -b)摩擦膜片层截面的BF-STEM图像表明在致密Cr层和钢基体之间存在摩擦膜，(c)摩擦膜的BF-STEM图像表明在滑动方向上存在层状石墨结构(插入的是晶体特征的FFT，对应于一个11 – 20石墨平面)，(d)摩擦膜内部在图8b中标记为“d”的区域获得的c – k边缘的EELS频谱，显示摩擦膜内部存在sp2键合碳。(e)图8a中“e”所选区域的摩擦膜横截面上的EDS元素映射和线扫描分析。

图9。通过不同滑动速度和加载条件下的现场启停试验，评价了超润滑的鲁棒性和稳定性。使用0.1 wt% CGQDsaq在不改变摩擦副水平位置的情况下进行试验。步骤x使用纯水。

图10。长时间的摩擦试验证明了超润滑的寿命。在不改变摩擦副水平位置的情况下，使用50 μL 0.1 wt% CGQDsaq液滴进行试验;荷载为3.5 N，滑动速度为0.1 m/s。

图11。本研究超润滑状态下的最终接触压力(FCP)与其他含水润滑剂润滑的自配钢系统的比较。FCP通过将正常施加的载荷除以球上磨损区域的接触面积来计算。(请注意，此对比图仅适用于引脚-磁盘系统)

图12。提出的CGQDsaq在钢/钢接触中的超润滑机理示意图。(a)磨损钢表面CGQDs的吸附;(b) CGQDs内石墨烯片的摩擦剪切和剥落;(c) CGQDs结构转变为层状石墨结构的摩擦膜。

结  论

在各种摩擦学参数下，作为添加剂的CGQDs在自配钢触点之间提供了强大的超润滑，COF在0.005至0.0095之间，与不添加任何纳米添加剂的水甘油相比，摩擦减少了72 – 78%。同时，极大地抑制了表面磨损，使得超润滑状态下的最终接触压力高达123 MPa，提高了水润滑钢接触在边界润滑条件下的接触压力上限。

这种润滑性能的增强归因于CGQDs在磨损表面的强大吸附能力，加上滑动引起的结构降解和CGQDs转变为层状石墨结构，导致低剪切界面的产生。结构改变的CGQDsaq一旦形成摩擦膜，无需额外的CGQDsaq供给，即可保持其超润滑状态，适应不同的滑动条件。这项研究是研究钢接触超润滑的一个重大进展，因为我们能够阐明化学吸附和CGQDs的结构转变在水润滑条件下实现超润滑的作用。

文献信息

Robust and durable superlubricity enabled by carboxylated graphene quantum dots in lubricated steel contacts

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119226

通讯单位：卢布尔雅那大学机械工程学院摩擦学与界面纳米技术实验室