近日，研究人员成功开发并报道了一种新型高性能润滑添加剂，其研究成果以题为《a synergistic lubricating additive: diatomite@vertical graphene@mos2 for oil-based boundary lubrication》发表于知名期刊《Tribology International》2026年第218卷。该研究的共同第一作者为来自天津大学机械工程学院的Mohan Li和来自重庆大学材料科学与工程学院的Jiajun Li，通讯作者为重庆大学材料科学与工程学院的Yuxin Zhang。合作者还包括来自中国空间技术研究院（北京）的Hong Gao、兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室的Ying He以及中国人民解放军陆军工程大学（重庆）的Xiaoying Liu。
该研究属于摩擦学（Tribology）与先进材料科学交叉领域。在现代工业制造与加工中，润滑油及其添加剂至关重要。然而，传统的润滑添加剂通常难以同时兼顾高润滑效能和良好的环境兼容性。这促使学术界致力于开发兼具高性能与可持续性的新一代添加剂体系。在此背景下，二硫化钼（MoS2）、石墨烯等二维层状纳米材料因其独特的物理化学性质和优异的摩擦学潜力而受到广泛关注。然而，这些纳米材料在作为油添加剂单独使用时，存在易团聚、在油相中分散稳定性差、形成的摩擦保护膜耐久性不足以及对潮湿环境敏感等固有局限。
为应对这一挑战，本研究提出了一种创新的三元核壳结构设计，将硅藻土（Diatomite, De）、垂直石墨烯（Vertical Graphene, VG）和二硫化钼（MoS2）的优势整合到一个统一的层级结构中。该设计的核心目标是：利用多孔硅藻土作为核心支架锚定纳米材料并抑制其团聚；以垂直取向的石墨烯壳层提供机械支撑、连续的边缘润滑和良好的油润湿性；同时引入MoS2提供层间低剪切滑动能力。通过这种协同组合，旨在克服单一纳米材料在分散性、结构稳定性和润滑持久性方面的不足，开发出一种集结构支撑、协同润滑与封装稳定性于一体的高性能润滑添加剂。
本研究的工作流程系统且严谨，主要包含以下几个关键步骤：
1. 复合材料的制备 首先，采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术，在硅藻土微球表面均匀生长垂直取向的石墨烯纳米片，成功制备出硅藻土@垂直石墨烯（De@VG）中间体。随后，通过物理吸附辅助高温煅烧（550°C，1小时）的方法，将层状MoS2纳米片锚定在De@VG的表面，最终获得目标复合物De@VG@MoS2。此过程旨在利用VG的高比表面积和丰富边缘活性位点，增强MoS2的负载与界面结合力，从而形成稳定的层级核壳结构。
2. 复合材料的表征与稳定性评估 研究者对合成的De@VG@MoS2复合材料进行了全面的理化性质表征。利用扫描电子显微镜（SEM）观察了其微观形貌，证实了硅藻土表面成功包裹了VG的“纳米森林”结构以及层状MoS2的存在。通过能量色散X射线光谱（EDS）元素分析和拉曼光谱（Raman）分析，确认了复合材料中C、Mo、S等元素的存在以及VG和MoS2的特征峰。X射线光电子能谱（XPS）分析进一步揭示了MoS2与VG之间的界面相互作用，并且经过长时间超声处理后Mo-S键合峰位未发生显著偏移，证明了MoS2在VG表面的牢固锚定。
为了评估其在润滑油中的实际应用潜力，研究者将不同浓度的De@VG@MoS2分散在三种具有代表性的基础油中：极性较强的聚酯油（Polyol Ester, POE）、非极性的聚α-烯烃（Polyalphaolefin, PAO）以及弱极性的聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）。通过长时间静置观察、测量其在POE中的Zeta电位（从纯油的+6.4 mV变为添加后的-18.5 mV，静电排斥增强），以及在酸、碱、盐溶液中进行为期7天的浸泡测试，系统评估了其在不同油品和环境中的分散稳定性与化学稳定性。结果显示，在适当的添加量下（<0.5 wt%），复合材料在三种油中均表现出良好的相容性和稳定性。
3. 摩擦学性能的系统测试 摩擦学性能是本研究评估的核心。测试使用多功能摩擦磨损试验机（MFT-5000），采用球-盘往复摩擦副（Gcr15钢球 vs Cr12钢盘）。研究设定了两种润滑工况以模拟实际应用中的不同状态：充分供油工况（模拟正常润滑状态）和贫油工况（模拟油量接近耗尽的边界润滑状态）。在贫油条件下，更能有效评估添加剂在苛刻条件下的润滑与抗磨性能。实验在室温下进行，载荷为3 N，频率为0.5 Hz，行程3 mm，持续40分钟。对于每种油品（POE、PAO、PDMS）和每种添加浓度（0 wt%、0.1 wt%、0.3 wt%、0.5 wt%），都进行了系统的测试。主要测量和记录平均摩擦系数（Coefficient of Friction, COF）、钢盘的磨损体积（通过白光干涉仪测量）以及摩擦副表面的磨损形貌（通过SEM和EDS分析）。
4. 润滑机理的探究 在获得摩擦学性能数据的基础上，研究者通过对磨痕表面的微观形貌、元素组成进行深入分析（SEM/EDS），并结合复合材料的独特结构，提出了De@VG@MoS2的协同润滑机制模型。这部分工作旨在将宏观性能提升与微观结构、界面行为关联起来，从机理上解释其优异表现的原因。
1. 复合材料的成功构建与表征结果： SEM图像清晰显示了De@VG@MoS2的层级结构：尺寸约30-40微米的硅藻土为核心，表面均匀覆盖着高度为50-400纳米、形似“纳米森林”的垂直石墨烯层，而片层状的MoS2则附着在VG之上。Raman光谱中观察到VG的特征D、G、2D峰（1341， 1579， 2688 cm⁻¹）以及MoS2的特征峰（374， 399， 441 cm⁻¹）。TGA和EDS分析初步估算了各组分的含量。更重要的是，XPS分析证明MoS2与VG之间存在强界面结合，经超声处理后峰位稳定，表明其结构牢固。
2. 摩擦学性能评估结果： 在充分供油工况下，润滑系统处于流体润滑状态，油膜厚度远大于摩擦副表面粗糙度，因此添加De@VG@MoS2对三种基础油的摩擦系数影响甚微（变化在±3%左右），其主要作用是维持基础油粘度的基本稳定，这符合流体润滑下添加剂的基本要求。
在更关键、更能体现添加剂作用的贫油工况（边界润滑） 下，De@VG@MoS2展现出优异的摩擦学性能，且效果受基础油极性影响显著： * 在极性POE油中：添加剂表现出显著的减摩抗磨双重功效。添加0.3 wt%时效果最佳，平均摩擦系数（COF）比纯POE降低了33.2%，钢盘磨损体积降低了52.7%。磨痕表面浅且平滑，SEM/EDS分析显示钢球表面形成了连续、均匀且富含C、Mo、S、Si等元素的复合摩擦保护膜，表明添加剂与极性油协同作用，有效转移并形成了稳定的润滑膜。 * 在弱极性PDMS油中：添加剂同样表现出优异的减摩效果。添加0.3 wt%时，平均COF比纯PDMS降低了39.8%，磨损体积降低了33.7%。添加剂延长了PDMS维持低摩擦状态的时间。 * 在非极性PAO油中：添加剂的减摩效果有限（0.5 wt%时COF仅降低5.2%），但抗磨性能非常突出。添加0.5 wt%时，磨损体积比纯PAO降低了55.1%。然而，EDS分析发现PAO润滑下的钢球表面几乎检测不到Mo、S、Si等添加剂特征元素，说明在非极性油中，De@VG@MoS2难以有效吸附并转移至摩擦界面形成完整的摩擦保护膜，其抗磨作用可能更多源于分散在油中的颗粒对磨损区域的物理填补或“滚珠轴承”效应。
3. 磨损表面分析与机理阐明结果： 对不同油品和浓度下摩擦副表面的系统分析，揭示了性能差异的根源。在POE和PAO中，磨损表面主要表现为浅而平行的磨痕，属于典型的轻微磨粒磨损。随着添加剂含量增加，磨痕变浅变细。而在PDMS中，磨损机制是磨粒磨损和粘着磨损的混合模式。最重要的是，EDS元素面分布图直观地证实了在不同极性油中摩擦保护膜形成的差异：POE中形成了富含添加剂元素的连续薄膜；PAO中则几乎没有；PDMS中则观察到稀疏、不均匀的添加剂颗粒残留。这些结果直接支持了“基础油极性是影响De@VG@MoS2形成有效摩擦保护膜的关键因素”这一推断。
基于以上结果，研究提出了De@VG@MoS2在摩擦界面的协同润滑机制（见图10示意）： 1. 一级防线（MoS2）：分散的MoS2纳米片通过其层间低剪切滑动，在接触表面提供直接的减摩作用。 2. 二级防线（垂直石墨烯VG）：VG的垂直“纳米森林”结构起到机械支撑和结构增强的作用。其丰富的边缘提供了持续的接触点，有助于维持润滑连续性，并为摩擦保护膜的形成提供骨架。 3. 三级防线（自修复行为与硅藻土核心）：当表面的MoS2在滑动过程中逐渐消耗时，下层的VG边缘可以持续暴露并参与界面接触，提供自修复的润滑行为。而硅藻土核心不仅作为VG和MoS2的稳定载体，抑制其团聚，还因其微米级尺寸有助于在油中均匀分散。
本研究的主要结论可总结如下： 1. 成功设计并制备了具有层级核壳结构的De@VG@MoS2三元复合润滑添加剂。 2. 该添加剂在具有不同粘度和极性的三种基础油（POE、PAO、PDMS）中均表现出良好的相容性和分散稳定性。 3. 在边界润滑或接近边界润滑的条件下，De@VG@MoS2在POE和PDMS中能有效发挥减摩抗磨双重功能，在PAO中主要发挥优异的抗磨功能。 4. 添加剂的润滑性能受基础油极性的影响大于粘度。极性/弱极性油更有利于添加剂通过界面相互作用形成稳定的摩擦保护膜。 5. 三个组分协同作用：硅藻土作为结构支架抑制团聚；MoS2和VG协同贡献，形成稳定的固体润滑层并具备自修复潜力。
科学价值与应用价值：本研究从材料结构设计出发，为解决纳米润滑添加剂易团聚、分散差、耐久性不足等共性难题提供了一种创新思路。所提出的“核壳”与“垂直取向”协同设计理念，对未来开发高性能、长寿命、环境友好的复合润滑材料具有重要的指导意义。该添加剂在多种基础油中展现的普适性，特别是在苛刻的贫油条件下仍能保持良好的减摩抗磨性能，为其在高端装备、航空航天、精密机械等领域的潜在应用提供了实验依据。
研究亮点： 1. 新颖的结构设计：首次将天然多孔硅藻土、垂直取向石墨烯和经典固体润滑剂MoS2三者有机结合，构建了一种独特的“微胶囊”式层级复合结构，巧妙整合了各组分优势并弥补了其各自缺点。 2. 深入的机理探究：不仅系统评价了宏观摩擦学性能，还通过详尽的表面分析（SEM、EDS、白光干涉等）将性能差异与摩擦保护膜的形成状态、元素分布直接关联，并提出了清晰的、分层次的协同润滑机制，将宏观性能提升归因于微观结构与界面行为。 3. 全面的性能评估体系：研究不仅考察了添加剂在单一油品中的表现，还选取了三种具有不同极性和粘度的代表性合成基础油进行对比，系统揭示了基础油性质（尤其是极性）对添加剂功效的关键影响，结论更具普适性和指导性。 4. 模拟实际工况：通过设置“充分供油”和“贫油”两种润滑条件，更真实地模拟了添加剂从正常到极端工况下的性能表现，评估更为全面和贴近实际应用。
研究还对复合材料的环境耐受性进行了初步评估，其在酸、碱、盐溶液中浸泡7天后仍能保持较好的形态稳定性，这为其在可能存在的腐蚀性工作环境中应用提供了支持。此外，文中提及的Zeta电位测量结果，为理解添加剂在极性油中分散稳定的电化学机制提供了线索。这些细节进一步丰富了该复合材料的性能图谱，展现了其作为实用型润滑添加剂的潜力。