Graphen gegen Reibung und Verschleiss

(Nanowerk News) Die Kohlenstoffverbindung Graphen ist mit Blick auf Verschleissschutzschichten ein wahrhaft vielversprechender Werkstoff. Er besteht lediglich aus einer Lage Kohlenstoffatome und ist damit die d√ľnnste Schicht, die auf ein Substrat aufgebracht werden kann. Vor allem f√ľr die Mikrosystemtechnik, die mit immer kleiner werdenden Bauteilen operiert, sind ultrad√ľnne Verschleissschutzschichten interessant. Gleichzeitig ist Graphen das Material mit der h√∂chsten bekannten Zugfestigkeit. Um Graphen als Verschleissschutzschicht sinnvoll nutzbar zu machen ist es notwendig, die Prozesse, die bei Indentation und Reibung im Kontakt mit Graphen ablaufen, grundlegend zu verstehen. Nur dann k√∂nnen M√∂glichkeiten und Grenzen des Werkstoffs genau eingesch√§tzt werden und man kann zu sinnvollen und gewinnbringenden Anwendungen gelangen.
Mit atomistischen Simulationen ist es am Fraunhofer IWM in Freiburg gelungen, das Verhalten einer Graphenschutzschicht auf Platin (111) unter verschiedenen Anpressdr√ľcken auf atomarer Ebene pr√§zise abzubilden. Beteiligt waren das Institut f√ľr Angewandte Materialien am KIT Karlsruhe, die Abteilung f√ľr Physik an der Universit√§t Saarbr√ľcken und das Institut f√ľr Physik der Universit√§t Freiburg. In Experimenten konnte das Leibniz-Institut f√ľr neue Materialien in Saarbr√ľcken bereits viele √úbereinstimmungen mit den Simulationsergebnissen feststellen. Die neuen Erkenntnisse werden in der aktuellen Ausgabe von Nano Letters vorgestellt ("Atomic Scale Mechanisms of Friction Reduction and Wear Protection by Graphene").
Eine Rauheitsspitze (weisse Atome) reibt √ľber das mit Graphen (graue Atome) bedeckte Platin (gelbe Atome)
Eine Rauheitsspitze (weisse Atome) reibt √ľber das mit Graphen (graue Atome) bedeckte Platin (gelbe Atome). (Bild: Fraunhofer IWM)
Bei hohem Anpressdruck kapituliert das Graphen
Dass sich mit Graphen Reibung reduzieren lässt, ist schon länger bekannt. Mit ihren Simulationen sind die Forscher am IWM Freiburg dem Verhalten des Graphen nun genauer auf die Spur gekommen. Als Substrat wählten sie das leicht modellierbare Platin (111). Nun liessen sie eine Diamantspitze auf das mit Graphen beschichtete Material treffen. Insgesamt zeigte sich, dass sich die Widerstandsfähigkeit bei einer Bedeckung des Materials mit Graphen deutlich verbessert.
Im Detail waren die Ergebnisse aber √ľberraschend. Bei niedrigem Anpressdruck stellten die Forscher ultrakleine Reibung und eine erheblich verbesserte Widerstandsf√§higkeit des Materialverbundes fest. Bei mittlerem Anpressdruck war der Reibungskoeffizient immer noch geringer, wie auf dem nicht durch Graphen gesch√ľtzten Platin. Wird der Anpressdruck allerdings zu stark, dann kapituliert das Graphen und zerreisst.
"In diesem Fall ist die Schicht auch nicht mehr in der Lage, sich selbst zu reparieren, was bei anderen Materialen durchaus m√∂glich ist", sagt Michael Moseler vom Fraunhofer IWM. Eine wichtige Erkenntnis - denn nun ist klar: wenn in einem Reibungssystem der Anpressdruck einen bestimmten Wert √ľbersteigt, dann macht es keinen Sinn, mit Graphenbeschichtungen zu arbeiten.
Vielversprechend: Graphen im Schmierstoff lösen
Graphen kann in unterschiedlicher Art und Weise auf ein Substrat aufgebracht werden. Möglich ist ein Kompositverfahren, bei dem das Graphen in die Oberfläche des Trägermaterials eingearbeitet wird.
Eine zweite Möglichkeit besteht in der chemischen Dampfdeposition, bei der Graphen auf einem Substrat aufgewachsen wird. Die dritte Möglichkeit ist, das Graphen in einem Schmierstoff zu dispergieren.
"Vor allem das Verfahren, Graphen im Schmierstoff zu l√∂sen ist ein vielversprechender Ansatz", sagt Michael Moseler. Wenn die Oberfl√§chentopographie sehr glatt ist, wie das in Mikrosystemen der Fall ist, dann macht eine Beschichtung durchaus Sinn. In bewegten Systemen mit weniger glatten Fl√§chen, zum Beispiel in Motoren, kommt das Graphen als Schicht aber sehr schnell an seine Grenzen. Da die Motoren zudem immer effizienter laufen sollen, arbeiten die Entwickler hier mit immer d√ľnnfl√ľssigeren Schmierstoffen, die den Abstand zwischen den Reibungsk√∂rpern immer geringer werden lassen. Deshalb ist die Industrie auf der Suche nach Additiven, die Reibung und Verschleiss auch unter diesen erschwerten Bedingungen minimieren.
"Mit unserer Arbeit konnten wir zeigen, dass das im Schmierstoff gelöste Graphen als wirksame Schutzschicht auf den tribologischen Flächen den Verschleiss mindern kann", erklärt Michael Moseler.
Der grosse Pluspunkt: Geht die Graphenschicht punktuell kaputt, so kann neues Graphen aus dem Schmierstoff die schadhafte Stelle wieder schliessen - das heisst, man erreicht die Selbstreparatur, die bei einer herkömmlichen Graphenbeschichtung nicht erfolgt.
Mit den neuen Simulationsm√∂glichkeiten des IWM k√∂nnen ganz unterschiedliche Anwendungsm√∂glichkeiten von Graphen als Schutzschicht abgebildet werden - das macht sie f√ľr eine Vielzahl von Branchen interessant. Abgesehen von Graphen als Schmierstoffadditiv f√ľr motorische Anwendungen, k√∂nnte Graphen als gewachsene Schicht in Zukunft eine wichtige Rolle bei Mikrosystemen mit sehr kleinen Schmierspalten spielen. Beispielsweise wird in naher Zukunft der Abstand zwischen Schreiblesekopf und Festplatte in magnetischen Datenspeichern kleiner als 3 Nanometern sein. In diesen engen Spalt m√ľssen eine d√ľnne Lage Schmierstoff und zwei Verschleissschutzschichten passen ‚Äď eine Aufgabe f√ľr die Graphen geradezu pr√§destiniert ist.
Source: Fraunhofer-Institut f√ľr Werkstoffmechanik
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