Sürtünme işlemi sırasında ısı üretimi ve dağıtımı büyük miktarda enerji kaybına yol açabilmektedir. Sürtünmeden kaynaklanan aşınma, yüzeylerin hasarı, performansın azalması ve cihazların güvenilirliğinin azalması gibi ciddi sorunlara yol açabilmektedir. Taşıtlarda tüketilen enerjinin yaklaşık üçte biri sürtünme ve aşınma nedeniyle kayıp olmaktadır. Sürtünme ve aşınma, konvansiyonel yataklar, pistonlar ve dişlilerden mikro ölçekli cihazlara, dişler ve implantlar gibi biyo-ilişkili cihazlara kadar geniş bir uygulama yelpazesini önemli ölçüde etkilemektedir. Sürtünmeyi ve aşınmayı kontrol etmek için yağlama en etkili yoldur. Su, hayvansal ürünler ve bitkisel yağlar, Mısır’daki eski fresklerde anlatıldığı gibi 4000 yıl kadarki medeniyetlerde yağlayıcı olarak kullanılmıştır. Modern yağlama bilimi ile sürtünme ve aşınmayı kontrol edebilme yeteneğimiz arttırıcı yönde adımlar atılmaya devam edilmektedir.
Yüksek performanslı yağlayıcıların araştırılmasında her geçen gün kapsamlı araştırmalar yapılmaktadır, çünkü mevcut olan yağlayıcılar hala mükemmellikten çok uzaktır. Yağlayıcılarda katkı maddeleri kullanmak performansı iyileştirmek için etkili bir yoldur. Yağlara istenen bazı özellikleri kazandırmak, mevcut özellikleri geliştirmek, yağın istenmeyen bazı özelliklerini de yok etmek veya en aza indirmek amacıyla yağlara üretim sırasında eklenen ilave maddelere katkı maddesi denilmektedir. Mevcut gelişmiş yağlayıcılar tipik olarak hem baz yağ hem de katkı maddesi içermektedir. Yağlayıcının ana bileşeni olan baz yağ, yağın birincil özelliklerini belirler. Öte yandan katkı maddeleri yağ formülasyonun daha azını oluşturmasına rağmen, yeni özelliklerin sağlanmasında veya baz yağdaki dezavantajların telafisinde önemli bir rol oynar. Korozyon inhibitörleri, viskozite modifiye ediciler, sürtünme modifiye ediciler, aşınma önleyiciler, aşırı basınç ajanları, antioksidanlar ve köpük önleyici maddeler, diğer özel katkı maddeleri özel uygulamalara uyacak şekilde istenen özelliklere sahip yağlayıcılar üretmek için geliştirilmiştir. Mevcut enerji krizinin getirdiği zorluklar nedeniyle, daha iyi sürtünme azaltma ve aşınma önleme özelliklerine sahip yüksek performanslı yağlayıcı katkı maddelerine olan talep önemli ölçüde artmıştır.
Grafit ve MoS2 gibi tabakalı yapılara sahip malzemeler yaygın olarak katı yağlayıcılar olarak uygulanırlar. Bu yapıların iki bitişik tabakası, oldukça düşük kayma dayanımına neden olan zayıf van der Waals kuvveti ile birleşmektedir. Bu durum da bitişik tabakaların, kesme kuvveti altında birbiri üzerinde kolayca kayabilmesine izin vermektedir (yani, yağlama etkisi sağlamaktadır). Aynı atomik katmandaki atomlar, tek tabakalı yapıya yüksek kayma modülü ve yüksek mukavemeti veren kovalent bağ ile bağlanır. Ayrıca, diğer nano yapılı malzemeler ile karşılaştırıldığında, iki boyutlu (2D) nano malzemeler çok daha yüksek özgül yüzey alanına sahiptir. Bu durum ise alt tabaka yüzeyinde diğer nano malzemelerden daha fazla absorbe edildiğinde daha büyük bir yüzey alanını örtmelerini sağlamaktadır. Böylece sürtünme yüzeyleri ile doğrudan temas olasılığını düşürmekte ve aralarındaki sürtünme miktarını azaltmaktadır.
Son zamanlarda, 2D nano malzemeler kapsamlı bir şekilde yeni yağlayıcı katkı maddeleri olarak araştırılmaktadır. Yüzey modifikasyon teknolojilerindeki gelişmeler, baz sıvı ortamlarda homojen olarak dağınık tabakalı yapılara yeni yaklaşımlar sunmuştur. Ayrıca, tek tabakalı yapının sentezlenmesi ve çok tabakalı yapılardan tek bir tabakanın izole edilmesine yönelik teknikler, nanotabaka yüzeyler ile diğer malzemeler arasındaki etkileşimlerin daha anlaşılmasını sağlamaktadırlar. Bu gelişmeler, 2 boyutlu nano malzemelerin yağlayıcı katkı maddeleri olarak tribolojik performansları hakkında daha fazla araştırma yapılmasını desteklemiştir.
Molibden ditiyokarbamat (MoDTC), çinko dialkidithiofosfat (ZnDTP) ve çinko dialkildithofosfat (ZDDP) gibi geleneksel organik yağlayıcı katkı maddelerine kıyasla, 2D nano malzemeler iki açıdan üstündür. İlk olarak, sürtünme azaltma ve aşınma önleyici davranışı açısından daha iyi performans sergilemektedirler. İkincisi, kimyasal stabilitelerinin artması, daha az zararlı emisyonlara ve organik katkı maddelerinden daha az toksisiteye neden olmakta, bu da çevresel sürdürülebilirlik açısından çekici hale getirmektedir.
Yağlayıcı katkı maddeleri olarak incelenen 2D nano malzemeler kabaca üç kategoriye ayrılabilir: Grafen ailesi, metal dikalkojenitler ve diğerleri. Grafen, üstün mekanik, kimyasal ve elektriksel özellikleri nedeniyle hem teorik hem de deneysel olarak geniş bir şekilde araştırılmaktadır. Grafen ve türevlerinin yağlayıcı katkı maddeleri olarak tribolojik özellikleri ilk kez 2011 yılında yayınlamıştır. Yağlayıcı katkı maddesi fonksiyonuna ek olarak, grafen bazlı nano malzemeler, su bazlı ortamlarda ve yağda yararlı bir katkı maddesidir. Temas ayırma ve yüzeyde koruyucu bir film oluşturma yetenekleri nedeniyle grafen aile nano malzemelerini ekleyerek çeşitli baz ortamlarda yağlama performansında etkili bir gelişme sağlanabilmektedir.
Metal dikalkikojenitler, MX2 stokiyometri ve rombohedral yapılarla karakterize edilir. En yaygın metal dikalkojenitler, MoS2 ve WS2, uzun zamandır mükemmel katı yağlayıcılar ve yağlayıcı katkı maddeleri olarak kabul edilmiştir. TiSe2 ve NbSe2 gibi diğer metal dikalkojenitler daha yakın zamanlarda katkı maddeleri olarak tatmin edici performans gösterdikleri bildirilmiştir.
Tabakalı yapıya sahip diğer malzemeler de son zamanlarda yağlayıcı katkı maddeleri olarak kullanılmaktadır. Yeni araştırılan 2D nano malzemeler arasında katmanlı yapıya sahip fosfat, silikat ve oksit tabakaları bulunmaktadır. Su, yağ ve gres gibi çeşitli yağlama ortamlarında, yağlayıcı katkı maddesi olarak α-ZrP, Y2O3 ve türevlerinin tribolojik performansı kapsamlı bir şekilde incelenmektedir. Katkı maddeleri olarak, bu materyallerin viskoziteyi düşürdüğü ve baz yağlama maddelerinin performansını geliştirdiği deneysel olarak kanıtlanmıştır. Grafen benzeri nano malzemelerin ve MoS2‘nin aksine, bu nano malzemeler herhangi iki bitişik tabaka arasında oldukça yüksek van der Waals kuvveti sergilemektedir ve bu tabakalı yapıların pul pul dökülmesi (soyulması) daha az düşük bir olasılıktır. 2D nano malzemeler, sürtünmeyi ve aşınmayı azaltabilen bu yeni mekanizma ile yağ akışını modifiye ederek sürtünmeyi azaltabilmektedirler.
Bu derlemede, 2 boyutlu nano malzemelerin kayganlaştırıcı katkı maddeleri tanıtımı ve tribolojik performansları, sürtünme azaltma ve aşınmayı önleme özellikleri ve yağlama performansı iyileştirme mekanizmaları hakkında özet bir bilgi verilmiştir. Bu derleme “Xiao, H., Liu, S., 2D Nanomaterials as Lubricant Additive: A Review, Materials and Design 135 (2017) 319–332, https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.09.029” yayının giriş bölümünden yapılmıştır.
