用于摩擦学应用的石墨烯增强聚合物基涂层：从基础理论到多功能设计

《Progress in Organic Coatings》：Graphene reinforced polymer-based coatings for tribological applications: From fundamentals to multifunctional design

　　

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  建立了一种适用于摩擦学聚合物涂层的完整结构-性能关联框架，整合了石墨烯分散、界面工程、取向控制和层级设计。
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  从摩擦膜形成、层间滑移和多尺度机械增强角度，系统总结了石墨烯填料的润滑机理。
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  全面分析了石墨烯复合涂层在多场严苛服役环境下的摩擦学性能演变和失效规律。

引言

有机涂层在机械设备、交通运输和航空航天等现代工业领域中占据着关键地位，这主要得益于对运行可靠性、能源效率和经济可持续性需求的迫切要求[1], [2], [3], [4]。聚合物基涂层体系，尤其是环氧、聚氨酯和聚酰亚胺，因其优良的加工性能、成本效益和化学稳定性而成为普遍的表面保护解决方案，广泛应用于船体、汽车部件和电子设备[5], [6], [7], [8], [9]。然而，这些原始有机涂层固有的承载能力不足和耐磨性较差。在滑动或磨损条件下，这些机械缺陷必然导致过早磨损、开裂、分层和最终失效[10], [11]。传统的增强方法，包括掺入微米级填料、陶瓷颗粒或纤维，仅在减摩和延长使用寿命方面提供有限的提升，这主要归因于分散不良、界面粘附力弱和应力集中[12], [13], [14]。因此，产生了一个重大的技术差距：对同时具有低摩擦、高耐磨性和长期稳定性的有机涂层的需求日益增长，超越了传统改性技术的效果，促使研究范式向基于纳米材料的策略转变，以从根本上解决聚合物的固有局限性[15]。

自石墨烯的发现以来[16]，它激发了材料科学领域的变革性研究动力，其独特的原子级结构使其成为一种极具前景的纳米材料，用于增强有机涂层的摩擦学性能[17], [18], [19]。与其他二维（2D）材料（如MXenes、无机硅酸盐、PTFE和二硫化物）相比，石墨烯在润滑涂层领域引起了大量研究兴趣[20]，这得益于其成熟的制备工艺、优异的化学稳定性和成本效益。具体而言，其超高面内杨氏模量（约1 TPa）和固有强度使石墨烯能够作为坚固的承载增强体，有效地耗散接触应力并抑制聚合物基体中的塑性变形[21]。其次，相邻石墨烯层之间弱的面外范德华力促进了低剪切层间滑移，在宏观尺度上通过促进滑动界面的易于剪切而降低摩擦系数[22], [23]。第三，石墨烯的高比表面积和不可渗透性产生了一种"迷宫"屏障效应，不仅能够保护聚合物免受磨损渗透，还能通过抑制腐蚀性物质的扩散来延长涂层的使用寿命[24], [25]。除了原始石墨烯外，其衍生物——如氧化石墨烯（GO）、还原氧化石墨烯（RGO）和氟化石墨烯（FG）——提供了可调节的表面化学和增强的分散性。这些特性促进了与各种聚合物基体的定制界面相互作用，从而为设计优化的多功能涂层创造了新的机遇[26]。总体而言，这些固有的结构和机械属性使石墨烯基材料成为实现有机涂层体系中卓越润滑和耐磨性的理想纳米增强体。

将石墨烯基材料集成到有机涂层中是克服纯聚合物固有摩擦学局限性的一个有前景的方法。通过利用石墨烯出色的机械强度、固有层间润滑性和优异的屏障性能，可以构建一个协同的复合体系。在该体系中，石墨烯提供固体润滑和承载增强，而聚合物基体则提供粘附和成膜能力[19]。然而，如图1所示，这种潜力从根本上受到石墨烯固有物理化学特性的阻碍。高比表面积和强层间范德华相互作用促进了石墨烯纳米片的严重团聚[15], [17], [27]，而原始石墨烯固有的疏水性则与大多数聚合物基体的极性本质（如环氧、水性聚氨酯）形成鲜明对比，导致界面相容性差和粘附力弱，从而削弱了应力传递和涂层完整性[28], [29]。石墨烯合成过程中产生的晶界和空位等缺陷在摩擦接触下会遭受过早的机械退化，加速材料磨损。这些相互关联的问题——团聚、分散不良、缺陷和弱的石墨烯-基体界面结合——构成了充分发挥石墨烯多功能摩擦学潜力的主要障碍。因此，开发有效的策略来应对这些挑战，包括共价和非共价功能化、精确取向控制和层级结构设计，已成为当代研究的中心焦点，并将在本综述中进行系统探讨。

众多综合性的综述已广泛记录了石墨烯增强聚合物复合材料在摩擦学应用方面的进展，特别关注不同的基体体系，或聚焦于合成、分散性和一般润滑机理等方面[20], [32], [33]。然而，一个系统整合分散策略、界面工程、取向控制和层级架构设计的连贯框架，并明确将这些结构参数与复杂或耦合服役条件（如高/低温、腐蚀性介质和导电环境）下摩擦学性能的演变相关联，在现有文献中仍然明显缺乏。此外，关于石墨烯的摩擦学机理如何在有机涂层中从纳米尺度润滑性转变为宏观尺度耐磨性，以及如何通过多尺度结构设计来战略性地调控这一转变这一关键问题，也尚未得到充分研究。在本综述中，如图2所示，我们寻求通过提供跨越材料化学、结构工程和以应用为导向设计的多维分析来解决这些差距。因此，本综述首先系统地考察了石墨烯/聚合物复合涂层在各种基体体系（包括环氧、聚氨酯、聚酰亚胺和其他工程聚合物）中的摩擦学性能。随后，我们研究了关键的促成技术和基本机理，重点关注分散和界面相容性策略、取向控制和多级结构设计，以及石墨烯基材料的底层润滑和防磨机理。接下来，我们分析了恶劣服役环境下的性能演变和应用潜力，包括极端温度、腐蚀性介质、固-液复合润滑系统以及导电摩擦和航空航天部件等专门应用。最后，我们提供了对持续存在的挑战的见解——从可规模化制造和长期耐久性到多场耦合退化机理——并阐述了这一快速发展领域的未来研究方向。

章节摘要

不同石墨烯衍生物/复合涂层的磨损行为

石墨烯片层之间的弱范德华相互作用使其在外力作用下容易进行层间滑动，从而提供低剪切界面。然而，不同的石墨烯衍生物，包括原始石墨烯、GO、RGO和FG，具有不同种类和数量的表面官能团。这导致它们在聚合物基体中的分散行为、界面相互作用和摩擦界面的成膜机制方面存在显著差异，最终导致

石墨烯的分散策略和界面相容性

由于石墨烯的高比表面积，强烈的层间范德华力导致其不可逆的团聚倾向，这代表了将其有效利用为有机涂层中功能性增强体的主要障碍。这种分散不良直接阻碍了稳定润滑膜的形成，并降低了预期的摩擦学增强效果[20], [32]。因此，表面功能化和界面工程已被确立为

复杂服役和运行场景中的应用

随着航空航天、电力、能源系统和生物医学等领域先进设备的不断发展，摩擦副面临的服役环境变得越来越恶劣和复杂。在宽温范围波动、腐蚀性介质、导电摩擦和极端重载的耦合条件下，传统的单体润滑材料通常遭受

结论与展望

本综述系统地考察了涂层组分——即石墨烯、聚合物和填料——对涂层润滑性能的作用和影响，以及改善石墨烯分散和相容性的方法及其底层润滑和失效机理。随后详细介绍了石墨烯基润滑涂层在各领域的应用，从而建立了系统的材料-结构-性能-机理-应用

CRediT作者贡献声明

戴磊：撰写——初稿、资源、调查、形式分析。陈浩翔：撰写——初稿、方法学、数据管理。曹云佳：撰写——审阅与编辑、调查、数据管理。朱佳伟：可视化、调查、数据管理。袁鑫：可视化、调查、形式分析。顾林：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、项目管理、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能会影响本论文所报告的工作。

致谢

我们的工作得到了国家自然科学基金委（52373065和51973231）、广东省基础与应用基础研究基金-海上风电联合基金项目（编号2024A1515240029）和南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）（编号311024020）的财政支持。

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