ORNL-Team entwickelt Kohlenstoff

Dec 21, 2023

Wissenschaftler am Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums haben eine Beschichtung aus Kohlenstoffnanoröhren entwickelt, die gleitenden Teilen eine Superschmierfähigkeit verleiht. Es reduziert die Reibung von Stahl auf Stahl um mindestens das Hundertfache. Ein Artikel über die Beschichtung ist in der Zeitschrift Materials Today Nano veröffentlicht.

Superschmierfähigkeit ist die Eigenschaft, praktisch keinen Gleitwiderstand zu zeigen; Sein Markenzeichen ist ein Reibungskoeffizient von weniger als 0,01. Wenn trockene Metalle im Vergleich aneinander vorbeigleiten, liegt der Reibungskoeffizient bei etwa 0,5. Bei einem Ölschmierstoff sinkt der Reibungskoeffizient auf etwa 0,1. Allerdings reduzierte die ORNL-Beschichtung den Reibungskoeffizienten weit unter den Grenzwert für Superschmierfähigkeit, nämlich auf bis zu 0,001.

Für die Studie züchteten die Forscher Kohlenstoffnanoröhren auf Stahlplatten und ließen die Platten dann mit einer Maschine namens Tribometer aneinander reiben, um Kohlenstoffnanoröhrenspäne zu erzeugen.

Die mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren beschichten den Stahl, weisen korrosive Feuchtigkeit ab und fungieren als Schmiermittelreservoir. Bei der ersten Ablagerung stehen die vertikal ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhren wie Grashalme auf der Oberfläche. Wenn Stahlteile aneinander vorbeigleiten, „schneiden sie quasi das Gras“. Jede Klinge ist hohl, besteht aber aus mehreren Schichten gewalztem Graphen, einer atomar dünnen Kohlenstoffschicht, die wie Hühnerdraht in benachbarten Sechsecken angeordnet ist. Die zerbrochenen Kohlenstoff-Nanoröhren-Trümmer aus der Rasur lagern sich wieder auf der Kontaktfläche ab und bilden einen graphenreichen Tribofilm, der die Reibung auf nahezu Null reduziert.

Kumara et al.

Die neuen Nanoröhren sorgen erst dann für Superschmierfähigkeit, wenn sie beschädigt sind.

Die Kohlenstoffnanoröhren werden durch das Reiben zerstört, werden aber zu einem neuen Ding. Der entscheidende Teil ist, dass es sich bei den gebrochenen Kohlenstoffnanoröhren um Graphenstücke handelt. Diese Graphenstücke werden verschmiert und mit der Kontaktfläche verbunden, wodurch sie zu dem werden, was wir Tribofilm nennen, einer Beschichtung, die sich während des Prozesses bildet. Dann werden beide Kontaktflächen mit einer graphenreichen Beschichtung bedeckt. Wenn sie nun aneinander reiben, ist es Graphen auf Graphen.

Das Vorhandensein auch nur eines Tropfens Öl ist entscheidend für die Erzielung einer Superschmierfähigkeit.

Wir haben es ohne Öl probiert; es hat nicht funktioniert. Der Grund dafür ist, dass die Kohlenstoffnanoröhren ohne Öl durch Reibung zu aggressiv entfernt werden. Dann kann sich der Tribofilm nicht gut bilden oder lange überleben. Es ist wie ein Motor ohne Öl. Es raucht in wenigen Minuten, wohingegen ein Gerät mit Öl problemlos jahrelang laufen kann.

Die hervorragende Rutschfestigkeit der ORNL-Beschichtung sorgt für Ausdauer. Die Superschmierfähigkeit blieb in Tests mit mehr als 500.000 Reibzyklen bestehen.

Die Forscher haben ihre neuartige Superlubricity-Beschichtung zum Patent angemeldet.

Das laborgesteuerte Forschungs- und Entwicklungs-Seed-Programm des ORNL lieferte die erste Unterstützung für die Machbarkeitsnachweis-Arbeit. Anschließend unterstützten das Solar Energy Technologies Office und das Vehicle Technologies Office im EERE des DOE die Folgeforschung.

Ressourcen

Chanaka Kumara, Michael J. Lance, Jun Qu (2023) „Makroskalige Superschmierfähigkeit durch eine Opferbeschichtung aus Kohlenstoffnanoröhren“, Materials Today Nano doi: 10.1016/j.mtnano.2022.100297.

Gepostet am 08. Juni 2023 in Reibung, Graphen, Markthintergrund, Nanotechnologie | Permalink | Kommentare (2)