Der Präsident des SUNY Polytechnic Institute (SUNY Poly), Dr. Winston „Wole“ Soboyejo, und der Postdoktorand Dr. Tabiri Kwayie Asumadu haben eine Arbeit mit dem Titel „Robuste makroskalige Superschmierfähigkeit auf kohlenstoffbeschichteten Metalloberflächen“ veröffentlicht. Diese Arbeit untersucht einen innovativen Ansatz zur Reduzierung der Reibung auf Metalloberflächen – ein bedeutender Fortschritt, der in der Praxis große Auswirkungen haben könnte.
Die Forschung ist veröffentlicht im Journal Angewandte Materialien heute.
Die Studie zeigt, dass Supraschmierung – ein Zustand nahezu keiner Reibung, von dem man früher glaubte, dass er nur im Nanomaßstab erreichbar sei – nun durch den Einsatz nachhaltig produzierter Kohlenstoffbeschichtungen aus Bioabfällen im Makromaßstab unter normalen atmosphärischen Bedingungen über längere Zeiträume aufrechterhalten werden kann.
Diese Erkenntnisse sind aus mehreren praktischen Gründen von Bedeutung. In der Automobilindustrie werden mehr als 30 % des Kraftstoffs in Personenkraftwagen zur Überwindung von Reibung verbraucht, sodass diese neuartigen Beschichtungen dazu beitragen können, die Kraftstoffeffizienz drastisch zu verbessern. In der Fertigung und bei Industriemaschinen könnten sie dazu beitragen, den Verschleiß zu verringern, was zu massiven Kosteneinsparungen führt und die 1–4 % des BIP eines Landes verringert, die für reibungsbedingte Geräteprobleme ausgegeben werden. In elektronischen Geräten kann Reibung in winzigem Maßstab große Herausforderungen darstellen, die durch Beschichtungen gemildert werden könnten.
„Diese Forschung könnte tatsächlich die meisten Branchen betreffen“, sagte Dr. Asumadu. „Von der Biomedizin über den Energiesektor bis hin zu nahezu jeder Art von Fertigung könnte dieser Ansatz dazu beitragen, die Lebensdauer von Maschinenteilen zu verlängern, Wartungs- und Ersatzkosten zu senken und eine nachhaltigere industrielle Zukunft zu schaffen.“
In diesem Artikel werden experimentelle und rechnerische Ergebnisse zur ultraniedrigen (nahezu Null) Reibung von kohlenstoffbeschichteten Metallablagerungen auf Substraten aus Baustählen, Titan- und Nickellegierungen erörtert. Die makroskalige Supraschmierfähigkeit wurde durch strukturell fehlorientierte Kohlenstoffbeschichtungen auf den Metalloberflächen nachgewiesen und über mehrere Zyklen aufrechterhalten.
Auf diesen Metalloberflächen wurden Kohlenstoffnanokristalle mit Varianten von Graphenabdrücken mithilfe eines neuartigen Hochtemperatur-Bioabfallbehandlungsverfahrens abgelagert. Die Kohlenstoffnanokristalle verformen sich, verflachen und verschmelzen in den Verschleißspuren zu Graphitfilmen, was zu einem superschmierenden Reibungskoeffizienten von ~0,003 führt.
Auf Ni- und Stahlsubstraten wurde eine Beschichtungslebensdauer von ~150.000 Zyklen mit reduzierten Verschleißraten erreicht. Die Experimente wurden mit atomistischen Simulationen validiert, die mechanistische Einblicke in die Auswirkungen der Graphenvarianten auf die beobachteten reibungslosen Bedingungen lieferten.
Die zugrunde liegenden Mechanismen der Wechselwirkungen zwischen Beschichtung und Substrat, die zur makroskaligen Supraschmierung beitragen, werden aufgeklärt. Die Auswirkungen der aktuellen Ergebnisse werden für die Entwicklung robuster und kostengünstiger makroskaliger supraschmierender Kohlenstoffbeschichtungen auf metallischen Substraten untersucht. Bioabfälle sind eine Kohlenstoffquelle in einer Kreislaufwirtschaft, die Materialrecycling nutzt, um den globalen CO2-Fußabdruck zu reduzieren.
Die Arbeit wurde von einer Gruppe von acht Materialwissenschaftlern veröffentlicht, die in Afrika und im Nordosten der Vereinigten Staaten zusammenarbeiten, darunter Mobin Vandadi, Desmond Edem Primus Klenam, Kwadwo Mensah-Darkwa, Emmanuel Gikunoo, Samuel Kwofie und Nima Rahbar.
„Meine Kollegen und ich sind sehr stolz auf diese Arbeit, insbesondere wegen der möglichen ökologischen und wirtschaftlichen Auswirkungen“, sagte Dr. Soboyejo. „Wir freuen uns auf die Durchbrüche bei Reibungsmanagementtechnologien, die sich ergeben werden, wenn Forscher diese Ansätze in die Praxis umsetzen.“
Mehr Informationen:
Tabiri Kwayie Asumadu et al., Robuste makroskalige Supraschmierung auf kohlenstoffbeschichteten Metalloberflächen, Angewandte Materialien heute (2024). DOI: 10.1016/j.apmt.2024.102140
Zur Verfügung gestellt vom SUNY Polytechnic Institute