Wissenschaftler am Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums haben eine Beschichtung erfunden, die die Reibung in üblichen tragenden Systemen mit beweglichen Teilen, von Fahrzeugantriebssträngen bis hin zu Wind- und Wasserkraftturbinen, drastisch reduzieren könnte. Es reduziert die Reibung von Stahl auf Stahl um mindestens das Hundertfache. Die neuartige ORNL-Beschichtung könnte dazu beitragen, eine US-Wirtschaft anzukurbeln, die jedes Jahr mehr als 1 Billion US-Dollar durch Reibung und Verschleiß verliert – das entspricht 5 % des Bruttosozialprodukts.
„Wenn Komponenten aneinander vorbeigleiten, kommt es zu Reibung und Verschleiß“, sagte Jun Qu, Leiter der ORNL-Gruppe für Oberflächentechnik und Tribologie. Tribologie, vom griechischen Wort für Reiben, ist die Wissenschaft und Technologie interagierender Oberflächen in relativer Bewegung, wie z. B. Zahnräder und Lager. „Wenn wir die Reibung reduzieren, können wir den Energieverbrauch senken. Wenn wir den Verschleiß reduzieren, können wir die Lebensdauer des Systems verlängern und so die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit verbessern.“
Zusammen mit den ORNL-Kollegen Chanaka Kumara und Michael Lance leitete Qu eine Studie, die in veröffentlicht wurde Materialien heute Nano Dabei handelt es sich um eine Beschichtung aus Kohlenstoffnanoröhren, die gleitenden Teilen eine Superschmierfähigkeit verleiht. 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.
„Unsere größte Errungenschaft besteht darin, dass wir Superschmierfähigkeit für die gängigsten Anwendungen möglich machen“, sagte Qu. „Früher konnte man es nur in nanoskaligen oder speziellen Umgebungen sehen.“
Für die Studie ließ Kumara Kohlenstoffnanoröhren auf Stahlplatten wachsen. Mit einer Maschine namens Tribometer ließen er und Qu die Platten 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.
Die Herstellung der Kohlenstoffnanoröhren ist ein mehrstufiger Prozess. „Erstens müssen wir die Stahloberfläche aktivieren, um winzige Strukturen in der Größenskala von Nanometern zu erzeugen. Zweitens müssen wir eine Kohlenstoffquelle bereitstellen, um die Kohlenstoffnanoröhren wachsen zu lassen“, sagte Kumara. Er erhitzte eine Edelstahlscheibe, um auf der Oberfläche Metalloxidpartikel zu bilden. Dann nutzte er die chemische Gasphasenabscheidung, um Kohlenstoff in Form von Ethanol einzubringen, sodass Metalloxidpartikel dort Kohlenstoff Atom für Atom in Form von Nanoröhren anheften können.
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“, sagte Qu. „Der entscheidende Teil ist, dass diese gebrochenen Kohlenstoffnanoröhren Graphenstücke sind. 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 etwas graphenreichem Material bedeckt.“ Beschichtung. 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 versucht; es hat nicht funktioniert“, sagte Qu. „Der Grund dafür ist, dass die Kohlenstoffnanoröhren ohne Öl durch Reibung zu aggressiv entfernt werden. Dann kann sich der Tribofilm nicht gut bilden und nicht lange überleben. Es ist wie ein Motor ohne Öl. Er raucht in wenigen Minuten, während einer 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. Kumara testete die Leistungen beim kontinuierlichen Gleiten über drei Stunden, dann einen Tag und später zwölf Tage. „Wir haben immer noch Superschmierfähigkeit“, sagte er. „Es ist stabil.“
Mittels Elektronenmikroskopie untersuchte Kumara die gemähten Fragmente, um nachzuweisen, dass tribologischer Verschleiß die Kohlenstoffnanoröhren durchtrennt hatte. Um unabhängig zu bestätigen, dass das Reiben die Nanoröhren verkürzt hat, verwendete ORNL-Mitautor Lance Raman-Spektroskopie, eine Technik, die Schwingungsenergie misst, die mit der Atombindung und der Kristallstruktur eines Materials zusammenhängt.
„Tribologie ist ein sehr altes Gebiet, aber moderne Wissenschaft und Technik lieferten einen neuen wissenschaftlichen Ansatz, um die Technologie in diesem Bereich voranzutreiben“, sagte Qu. „Das grundlegende Verständnis war bis vor etwa 20 Jahren, als die Tribologie ein neues Leben erhielt, oberflächlich. In jüngerer Zeit kamen Wissenschaftler und Ingenieure wirklich zusammen, um die fortschrittlicheren Technologien zur Materialcharakterisierung zu nutzen – das ist eine Stärke des ORNL. Die Tribologie ist sehr multidisziplinär. Nein.“ Man ist in allem Experte. Deshalb ist in der Tribologie die Zusammenarbeit der Schlüssel zum Erfolg.“
Er fügte hinzu: „Irgendwo findet man einen Wissenschaftler mit Fachwissen zu Kohlenstoffnanoröhren, einen Wissenschaftler mit Fachwissen in Tribologie, einen Wissenschaftler mit Fachwissen in der Materialcharakterisierung. Aber sie sind isoliert. Hier am ORNL sind wir zusammen.“
Die Tribologieteams des ORNL haben preisgekrönte Arbeit geleistet, die zu Industriepartnerschaften und Lizenzen geführt hat. Im Jahr 2014 gewann ein ionisches Verschleißschutzadditiv für kraftstoffeffiziente Motorschmierstoffe, das von ORNL, General Motors, Shell Global Solutions und Lubrizol entwickelt wurde, einen R&D 100 Award. Die Mitarbeiter des ORNL waren Qu, Huimin Luo, Sheng Dai, Peter Blau, Todd Toops, Brian West und Bruce Bunting.
Ebenso war die in der aktuellen Arbeit beschriebene Arbeit Finalist für den R&D 100 Award im Jahr 2020. Die Forscher haben ein Patent für ihre neuartige Superschmierfähigkeitsbeschichtung angemeldet.
„Als nächstes hoffen wir, mit der Industrie zusammenzuarbeiten, um einen gemeinsamen Vorschlag an das DOE zu verfassen, um die Technologie zu testen, zu reifen und zu lizenzieren“, sagte Qu. „In einem Jahrzehnt wünschen wir uns verbesserte Hochleistungsfahrzeuge und Kraftwerke mit weniger Energieverlusten durch Reibung und Verschleiß.“
Mehr Informationen:
Chanaka Kumara et al., Makroskalige Superschmierfähigkeit durch eine Opferbeschichtung aus Kohlenstoffnanoröhren, Materialien heute Nano (2022). DOI: 10.1016/j.mtnano.2022.100297