Eine Superschmierfähigkeitsbeschichtung mit Kohlenstoffnanoröhren könnte wirtschaftliche Verluste durch Reibung und Verschleiß reduzieren

07. Juni 2023 (Nanowerk-Neuigkeiten) 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 verringern, können wir den Energieverbrauch senken. Wenn wir den Verschleiß reduzieren, können wir die Lebensdauer des Systems verlängern und so zu mehr Haltbarkeit und Zuverlässigkeit führen.“ Zusammen mit den ORNL-Kollegen Chanaka Kumara und Michael Lance leitete Qu eine Studie, die in veröffentlicht wurde Materialien heute Nano („Makroskalige Superschmierfähigkeit durch eine Opferbeschichtung aus Kohlenstoffnanoröhren“) über eine Beschichtung bestehend aus Kohlenstoff-Nanoröhren das den 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. Die vertikal ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhren von ORNL reduzieren die Reibung auf nahezu Null und verbessern so die Energieeffizienz. (Bild: Chanaka Kumara, ORNL) „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 gerollten Schichten Graphen, eine atomar dünne 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. „Zuerst 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 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 sich jetzt aneinander reiben, ist es Graphen auf Graphen.“ Eine Edelstahlscheibe wurde erhitzt, um auf ihrer Oberfläche Eisen- und Nickeloxidpartikel zu erzeugen. (Bild: Carlos Jones, ORNL) 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 oder lange überleben. Es ist wie ein Motor ohne Öl. Es raucht in wenigen Minuten, während eines 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 12 Jahren, als die Tribologie zu neuem Leben erwachte, oberflächlich. In jüngerer Zeit haben sich Wissenschaftler und Ingenieure wirklich zusammengefunden, um die fortschrittlicheren Technologien zur Materialcharakterisierung zu nutzen – das ist eine Stärke des ORNL. Die Tribologie ist sehr multidisziplinär. Niemand ist Experte für alles. Deshalb liegt in der Tribologie der Schlüssel zum Erfolg in der Zusammenarbeit.“ 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 bei ORNL sind wir zusammen.“ Die Tribologieteams des ORNL haben preisgekrönte Arbeit geleistet, die zu Industriepartnerschaften und Lizenzen geführt hat. Im Jahr 20 gewann ein ionisches Verschleißschutzadditiv für kraftstoffeffiziente Motorschmierstoffe, das von ORNL, General Motors, Shell Global Solutions und Lubrizol entwickelt wurde, einen R&D 2014 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 100. Und die Forscher haben ein Patent für ihre neuartige Superlubricity-Beschichtung 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.“

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• Quelle: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63138.php