《Progress in Surface Science》：Tribology improvement of graphene and its derivatives on metal-based coatings: a review
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降低能耗需求推动先进润滑涂层研究，石墨烯增强金属基复合涂层（GMBCCs）通过优化结构致密化与功能化改性显著提升摩擦学性能，其机理包括增强基体硬度、自润滑效应及多尺度协同作用。本文系统梳理了GMBCCs的制备工艺、性能调控关键因素及未来发展方向，强调AI辅助设计在工业化应用中的重要性。
Jiahao Li|Bo Liu|Lichun Bai
长沙理工大学机械与车辆工程学院，中国长沙410114
摘要
降低机械系统的能耗推动了人们对先进润滑涂层的需求。将石墨烯融入金属基涂层（MBCs）是一种极具前景的策略，这得益于石墨烯出色的机械、热学和化学性能。关键在于，通过合理设计针对特定改进机制的新型石墨烯衍生物，可以显著提升石墨烯/金属基复合涂层（GMBCCs）的摩擦学性能。该领域的快速发展需要及时整合最新的研究成果，以针对性地设计出具有更优润滑性能的下一代GMBCCs。本文综述了相关内容，首先探讨了石墨烯及其衍生物改善MBCs摩擦学性能的基本机制，随后讨论了实现GMBCCs高结构致密化的关键策略——这是提升摩擦学性能的重要前提。同时分析了影响GMBCCs摩擦学性能的主要因素，从而为充分发挥石墨烯的潜力提供了框架。最后，指出了当前存在的挑战及未来发展方向，包括人工智能辅助设计，这对于推动GMBCCs满足现代工业应用的高要求至关重要。
引言
摩擦是接触表面之间传递力的基本机制。然而，在机械系统中，摩擦通常是不利的，因为它会缩短使用寿命、增加振动和噪音，并影响可靠性。这些负面效应共同导致了大量的能源消耗和经济损失。据报道，2017年全球约23%的一次能源被摩擦耗散[1]，而在大多数发达国家，磨损和摩擦造成的经济成本占其GDP的2-7%[2]。为了解决这些问题，人们开发了表面工程技术，以多尺度定制材料的表面组成、结构和性能，从而提供有效的摩擦和磨损保护。
在各种表面工程技术中，金属基涂层（MBCs）——包括含有Ti、Co、Fe、Ce、Cu、Al、Cr、Zr、Zn、Sn、Ni及其合金的涂层——被广泛用作润滑膜，如图1所示。它们之所以得到广泛应用，是因为具有高强度、良好的塑性、自润滑特性以及优异的高温稳定性和耐磨性[3]。然而，在恶劣的工作条件下（如重载、高真空、高温和腐蚀性环境），这些传统MBCs的性能往往会显著下降，这限制了它们在现代机械工业中的应用[4]。因此，迫切需要创新设计和开发具有增强摩擦学性能的新型MBCs，以在日益苛刻的工况下实现可靠的润滑。
纳米技术的最新进展为满足这一需求提供了可行的途径。将纳米颗粒掺入MBCs基体中，可以在保持涂层基体原有优点的同时提升其摩擦学性能。在各种纳米颗粒中，石墨烯——一种由sp2杂化碳原子构成的二维（2D）晶格[5]——作为MBCs的增强材料表现出色。其卓越的性能包括约1 TPa的超高弹性模量和约130 GPa的断裂强度[6]、实现超润滑的潜力[7]、约5 × 103 W/(m·K)的优异导热性[8]以及高化学惰性[9]，使其成为适用于恶劣环境的下一代MBCs的理想候选材料。
更重要的是，石墨烯在摩擦学性能提升方面的潜力还得到了多种石墨烯衍生物的进一步增强，这些衍生物的结构和性能可以精确调控，以实现更好的摩擦学效果。这种提升通常源于一些明确的机制；例如，有研究表明，石墨烯/金属基复合涂层（GMBCCs）的耐磨性增强主要源于应力从MBCs基体高效传递到石墨烯增强层[10]。这种机制理解使得石墨烯衍生物的合理设计成为可能，Ward等人的工作就是一个例证[11]，他们通过顺序氧化和还原在石墨烯上引入含氧基团，从而最大化了NiAl基体间的应力传递率。结果表明，制备的还原氧化石墨烯（rGO）/NiAl复合涂层表现出超高的硬度和耐磨性，在高压海洋环境中表现出优异的润滑性能，优于石墨烯/NiAl复合涂层。这一案例体现了更广泛的趋势：通过氟化[12]、表面修饰[13]、缺陷/掺杂[14]、氧化/还原[15]和结构调控[16]等方法成功开发出多种新型石墨烯衍生物，显著提升了MBCs的摩擦学性能（见图1）。
在过去二十年里，石墨烯及其衍生物在MBCs上的摩擦学性能改进受到了广泛关注，旨在降低机械系统的能耗和经济损失。尽管文献中报道了这些有前景的发展[17],[18]，但控制这些改进机制、特定石墨烯衍生物的合成、所得GMBCCs的结构致密化以及最终摩擦学性能之间的关联尚未系统建立。此外，随着实验和模拟技术的快速发展，新型涂层结构和石墨烯衍生物的不断探索正在扩展GMBCCs的润滑应用范围。因此，亟需一篇全面且及时的综述来整合这些方面，以指导下一代GMBCCs的合理设计，并加速其从实验室向工业应用的转化。
为此，本文首先探讨了石墨烯及其衍生物在MBCs上的基本摩擦学改进机制，然后强调了实现GMBCCs高结构致密化的关键制备策略——这是提升摩擦学性能的重要前提。此外，分析了影响GMBCCs摩擦学性能的主要因素，为充分发挥石墨烯及其衍生物的潜力提供了框架。最后，讨论了高性能GMBCCs发展的当前挑战和未来前景。
章节摘录
石墨烯及其衍生物在金属基涂层上的摩擦学性能改进机制
将石墨烯及其衍生物掺入MBCs基体已被验证为一种有效提升其摩擦学性能的策略。本节总结了导致这种改进的基本机制，主要分为三个方面：(i) 提升MBCs基体性能；(ii) 石墨烯及其衍生物的自润滑特性；(iii) 石墨烯/石墨烯衍生物与其他颗粒之间的协同效应。
制备具有高密度结构的石墨烯/金属基复合涂层以实现出色的摩擦学性能
为了持续发挥石墨烯及其衍生物带来的出色摩擦学性能，GMBCCs的高结构致密化至关重要。在涂层制备过程中引入的微孔会显著降低摩擦学性能，因为微孔会聚集应力，降低裂纹萌生能垒，加快裂纹扩展速度，并促进裂纹网络的互联。
石墨烯/金属基复合涂层摩擦学性能的调控
石墨烯及其衍生物在MBCs上的摩擦学性能改进对多个关键因素非常敏感，包括石墨烯含量、法向载荷、滑动速度、温度和湿度。为了评估在优化条件下可实现的改进程度，表2总结了过去五年中各种MBCs的最大摩擦系数（COF）和磨损率（WR）降低情况。这些数据凸显了GMBCCs在恶劣摩擦条件下的优异润滑性能。
总结与展望
由于可用性强、成本低、承载能力高和良好的环境适应性，MBCs在工业润滑系统中得到了广泛应用。然而，它们有限的润滑性能以及在日益恶劣的工作条件下的易失效问题带来了巨大挑战。石墨烯及其衍生物在提升MBCs摩擦学性能方面展现出巨大潜力，这得益于它们出色的机械和热学性能。
作者贡献声明
Jiahao Li：撰写——初稿撰写、研究开展、资金申请。Bo Liu：撰写——审稿与编辑、监督。Lichun Bai：撰写——审稿与编辑、验证。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
我们感谢湖南省自然科学基金（编号：2024JJ6060）和国家自然科学基金（编号：52405173）的财政支持。
