研究人员基于Marangoni效应制备了大面积石墨烯薄膜并将其应用于宏观尺度的石墨烯摩擦学研究，包括薄膜厚度、施加正向载荷及退火过程对石墨烯摩擦性能的影响。

　　石墨烯因具有高机械强度、超薄的厚度、原子级光滑表面及较低的层间剪切阻力，在固体润滑领域受到了广泛的关注。此外，石墨烯具有化学惰性，对水和空气防渗透，因此可以保护滑动表面免受腐蚀和氧化。

　　在宏观尺度上的石墨烯润滑研究更具实际意义，因为可以为摩擦磨损产生大量能量耗散和材料损耗的工业提供理想的解决方案。为了满足实际需求，如何制备大面积、高质量、易于转移与低成本的石墨烯，并将其作为固体润滑剂用于建造低摩擦和低磨损的润滑系统，是石墨烯摩擦学研究面临的挑战。

　　有研究人员基于Marangoni效应制备了大面积石墨烯薄膜并将其应用于宏观尺度的石墨烯摩擦学研究，包括薄膜厚度、施加正向载荷及退火过程对石墨烯摩擦性能的影响。此工作中石墨烯薄膜同时转移至球-盘摩擦副表面，并在宏观尺度下实现了石墨烯相对石墨烯的相对滑动，并获得了最低为0.05的摩擦系数。

　　此研究中的石墨烯片层是用电化学剥离法从天然石墨片制备而得。首先将装满石墨片的容器置于硫酸和氢氧化钾的电解液中，施加1 A电流让系统开始插层/剥离反应。几小时后，由于寡层石墨烯的产生，电解液的颜色变成黑色。

　　通过过滤和洗涤的方式收集石墨烯样品，再将其重新分散在乙醇中。将石墨烯-乙醇溶液注射于去离子水表面上，由于Marangoni效应和π−π相互作用，石墨烯片层会互相粘合，在去离子水表面形成大面积的、具有结构均匀性和良好转移性的自组装石墨烯薄膜，可以较好地转移到摩擦副氮化硅球(直径4 mm，平均粗糙度20 nm)与硅片(10 mm*10 mm，平均粗糙度2 nm)上。

图1 转移的自组装石墨烯薄膜

　　转移到氮化硅球和硅片后，自组装石墨烯薄膜的表面形貌和结构性能主要用光学显微镜、原子力显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等进行研究，同时用拉曼光谱和X-射线光电子谱来研究其化学组分。结果表明：自组装过程中，由于Marangoni效应和π−π相互作用，石墨烯片层间互相联结。转移后的石墨烯薄膜在基底上分布良好，厚度约为2 nm(2~3层石墨烯)。

图2 自组装石墨烯的转移及性能表征

　　为了研究自组装石墨烯薄膜在宏观尺度接触时的摩擦性能，摩擦测试实验中使用了三对摩擦副，每组测试在相同实验条件下至少进行5次。施加的正向载荷为5-300 mN，最大接触压力为0.15-0.56 GPa。滑动长度为2 mm，滑动速度为0.4 mm/s。

　　结果表明：有石墨烯包覆的摩擦副，摩擦系数为0.09，反之，摩擦系数达到0.56，这主要是由于氮化硅和硅的润滑性能较差。不仅能减少摩擦，自组装石墨烯薄膜在滑动表面上也能提供良好的耐磨性。

图3 自组装石墨烯薄膜的摩擦系数和润滑性

　　为了进一步研究薄膜厚度对摩擦系数的影响，研究人员对自组装石墨烯薄膜转移到摩擦副的次数进行调节(1-6次)，从而改变摩擦副上石墨烯薄膜的厚度。研究结果表明：在润滑系统中，摩擦系数随着转移次数的增加逐渐降低，当转移次数超过4时，摩擦系数几乎相等。摩擦系数的饱和值约为0.07，比单次转移的数值低22%。 

图4 石墨烯转移次数对摩擦系数的影响

　　除了厚度影响摩擦系数外，改变施加载荷也会影响系统的摩擦性能。对没经退火处理的摩擦副系统，在5-10 mN的载荷下，摩擦系数最低(~0.07)。当载荷增加为10-15 mN时，摩擦系数从0.07升为0.09。进一步增加载荷到20-25 mN，摩擦系数显著增加为0.13。

　　若对自组装石墨烯薄膜进行退火处理，系统的摩擦系数随载荷的变化趋势和上述情况相似。但最低摩擦系数从0.07将为0.05。这是因为在较低的载荷下，球-盘接触区始终存在石墨烯薄膜，从而阻止了摩擦副基底的磨损，同时石墨烯相对石墨烯滑动的低剪切阻力也使摩擦系数始终稳定在较低的水平。

图5 石墨烯含量对铝基复合材料力学性能的影响

　　该工作基于石墨烯薄膜自组装制备了一套新颖的宏观固体润滑系统，表现出显著的耐磨性和减阻性能(摩擦系数低至0.05)。该润滑系统的摩擦系数随着膜厚的增加而降低，随着正向载荷的增加而增加，退火处理能显著提高石墨烯薄膜的摩擦性能。同时该系统也有望在其他固体润滑领域中得到广泛应用。

来源：环球新碳