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西南交大團隊研發石墨烯添加劑 解決高速載運裝備的腐蝕難題

2023年12月04日10:33 來源：DeepTech

慧正資訊，近日，西南交通大學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油品和有機基體中的應用難題、及其背后的表界面科學問題。

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樊小強（來源：樊小強）
研究中，他們成功實現石墨烯復合潤滑添加劑的批量制備，這種復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權的多功能復合潤滑添加劑，有望打破 Lubrizol、Infineum、Chevron Oronite 和 Afton 四大添加劑公司對于復合劑的技術壟斷。
同時，本次研究針對不同領域的機械部件服役工況條件，系統性地優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、極端環境之下的潤滑需求，解決了高速載運裝備、及其關鍵運動部件在多場耦合作用之下的磨損問題。

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來源：Carbon

通過采用表面改性技術，他們還對石墨烯表界面的狀態加以有效調控，解決了石墨烯在潤滑應用上的分散穩定性瓶頸，借此研發的石墨烯類復合潤滑添加劑，能被作為優質的潤滑添加劑從而滿足相關的工業應用。
預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勢：比如高負荷下較低的機械應力、遇到雙向摩擦也不會出現過早疲勞、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。目前，這款潤滑劑已經在土工機械場景中獲得規模化的應用。
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合成立“工程機械潤滑劑聯合實驗室”，目前已經建立專用于工程機械的石墨烯潤滑劑的生產體系和評價體系。

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來源：Carbon


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。世界各國每年因摩擦磨損造成的損失約占國民生產總值的 2-7%。
假如可以很好地應用摩擦學知識，所能節約的費用大約是國民生產總值的 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，中國工業發展一直呈現出直線上升的趨勢，風電、核電、冶煉、精密制造、軌道交通等多行業領域，對于潤滑油脂的需求也在成倍增長。
目前，中國已經是世界潤滑油脂消耗量第一大國?！氨R未動、糧草先行”。作為一種至關重要的工業消耗品，潤滑油脂的發展水平在某種程度上反映著一個國家的工業發展水平。
《中國制造 2025》以及“交通強國”戰略的實施，讓以高速列車為典型代表的高速載運裝備，在國民經濟、國家安全和人民生活等方面發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”時會面臨廣域多環境、工況極端等役場景，不可避免地會發生嚴重的磨損、疲勞和腐蝕等失效問題，難以滿足其全壽命期內實現低能耗、高精度、高可靠等高服役性能要求。
這些由于環境與工況耦合導致的問題，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險。
要想實現高速載運裝備在全壽命周期中的高功能服役，就必須確保其關鍵運動部件的“形面完整性和功能穩健性”。
但是，如何保障核心機械表界面的完整性，已經成為制約高速載運裝備發展的“卡脖子”問題之一。
其中，高效的機械表面防護是核心技術。多年來，樊小強 團隊的研究聚焦于高速載運裝備及關鍵部件，致力于解決它們在多環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用，開展了一系列的研究。
其中涉及到研發基于二維納米材料的復合添加劑，研發低摩擦、高承載、防腐蝕的潤滑油脂，以及研發耐磨損、抗疲勞、防腐蝕的有機涂層等。

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來源：Carbon
眾所周知，石墨烯以其典型的結構與性能優勢，在眾多行業有巨大的應用潛力。憑借出色的力學性能、較高的載流子遷移率、高溫條件下的化學穩定性、公度與非公度調控等優勢，人們非常熱衷于使用石墨烯來研發高性能潤滑材料或潤滑添加劑。
然而，石墨烯的化學惰性、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構和性質。因此該團隊采用外場輔助濕法，研發出了這種功能化石墨烯。
他們還圍繞工業基礎油的基本屬性和分子結構，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生化學作用，實現了石墨烯的功能化、以及與不同基礎油的匹配性設計。
而這一系列的成果離不開他們的辛勤付出。尤其是 2018 年中秋節那天晚上，成都開始下起大雨傾盆，樊小強 與三名學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，天氣好轉一片萬里晴空?！懊ν曛?，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?！?/span>樊小強 說。

最終，相關論文以《平行排列氧化石墨烯雜化環氧復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）為題發在 Carbon。
西南交通大學碩士生何玉姍是第一作者，西南交通大學樊小強 教授和黃銀 副教授擔任共同通訊作者 。

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相關論文（來源：Carbon）
除了本次論文之外，課題組的其他相關論文分別發表在  Chemical Engineering Journal 、 Applied Surface Science 、 Friction  和  Tribology International  等期刊。此外，目前其已授權國家發明專利 7 項。

另據悉，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新獎”。
作為軌道交通的重要承載部件，鋼軌在服役環境和工況耦合作用之下，會產生波磨、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依然嚴重落后于法國、德國等軌道交通發達國家，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與理論支撐，對于‘交通強國’的建設起著重要支撐作用。”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，尤其將重點研究緊固件。
緊固件，素有“工業之米”之稱。它能發揮傳遞力/力矩、運動或密封等功能，保障高速載運裝備及其機械結構執行關鍵程序。
但是，緊固件的接觸面承受動載荷、以及苛刻服役環境的強烈耦合作用，不可避免會讓其發生磨損、疲勞和腐蝕等損傷，導致連接界面變形、表面狀態變化、應力分布改變、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，力爭及時研發出來相應的防護材料，更好地助力“交通強國”的建設。

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