石墨潤滑

機理

石墨是具有六方晶系的晶體結構。因為與基礎面平行的面間結合力弱，所以這些晶體在其面間都很容易剪下，亦即摩擦力小，同時能夠支持垂直於基礎面的負荷，所以承載能力強，摩擦係數小，具有作為固體潤滑劑的最佳性質。

石墨的摩擦磨損受吸附氣體的支配。石墨的磨損速度隨水蒸氣壓的上升而下降，當壓力增大到466Pa以上時，瞎損就觀察不到了，表明石墨的潤滑特性受吸附氣體的影響，見下圖。

石墨的磨損特性依賴於氣體吸附的原因在於：石墨棱面（側部面）的表面能比基礎面的高100倍，因此在真空中棱面比基礎面更容易粘著在底金屬表面上。即使切向力增大，在容易滑移的基礎面間也不會發生剪下。這就導致摩擦係數升高，磨損也增多。石墨在真空中的摩擦係數為其在空氣中的2倍，磨損甚至高達100倍。

如果存在氣體，則棱面首先吸附氣體並達到飽和，那么它向金屬表面的粘著發生在基礎面上，在剪下力的作用下，基礎面間的滑移就變得容易。

石墨的結晶程度越高，它就越能保護被潤滑材料不受磨損。另外，雜質的含量必須控制在1%以下，否則就容易出現明顯的磨粒磨損。然而，這種作用實際上是隨著雜質種類的不同而不同的。

利用石墨容易吸附氣體的特性，可以在其層間引入氟、金屬或金屬化合物等製成層間化合物，或者通過電解氧化、還原將其製成蜂窩狀結構的物質。下圖為金屬和金屬氯化物對石墨層間化合物塗層膜壽命影響的關係示圖。作為引入層間的物質，金屬氯化物比金屬的效果好，而且包入量越多效果越明顯。可以看出，提高耐密壽命最有效的是氯化鈷（CoCl₂），可使壽命延長到原石墨的5倍以上。這樣的新材料在滑動條件變化的情況下也能保持良好的潤滑特性。