Der Durchbruch: grüne Supraschmierung von Si3N4 durch graphenartige Kohlenstoffnitrid-Tribofilme
Experimentelle Tribologen des »Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systémes« (LTDS am École Centrale de Lyon) und theoretische Tribologen der Gruppe »Multiskalenmodellierung und Tribosimulation« am Fraunhofer IWM MikroTribologie Centrum haben sich zusammengeschlossen, um zu zeigen, dass die in-situ-Bildung von subnanometerdicken Graphennitriden bei Grenzschmierung mit Glycerin über einen weiten Temperaturbereich zur Superschmierung von selbstgepaartem Si3N4 führt [1].
Eine Kombination aus modernen Oberflächenanalysen (Röntgen-Photoelektronenspektroskopie und Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie), Schmierstoff-Isotopenmarkierung und hochauflösender Massenspektrometrie des gebrauchten Schmierstoffs zeigt, dass tribochemische Reaktionen von Glycerinmolekülen auf den Si3N4-Oberflächen nanometerdicke Tribofilme erzeugen, die aus in Ringstrukturen organisierten C-N-Bindungen bestehen. Quantenmechanische Simulationen deuten darauf hin, dass tribochemische Reaktionen von Glycerin mit Si3N4 bevorzugt zwei getrennte Phasen bilden: amorphes Siliziumoxid und Kohlenstoffnitride (Abbildung 1). Siliziumoxid-/Hydroxidfilme werden wahrscheinlich durch Scherung von der Kontaktfläche entfernt, während Kohlenstoffnitride durch Scherung induzierte Phasenübergänge durchlaufen, die 2D-Graphen-Nitrid-artige Tribolagen erzeugen (Abbildung 2).
Diese Erkenntnisse ebnen den Weg für die Nutzung der tribochemischen Synthese von graphenähnlichen Strukturen auf Keramiken auf Siliziumbasis, um grüne Superschmierfähigkeit zu erreichen. Darüber hinaus regen sie weitere Forschungen an, um den Einsatz anderer Bioschmierstoffe und die Schmierungsbedingungen zu untersuchen, die die Struktur der aromatischen Tribolagen und ihre Bildung an anderen Keramikgrenzflächen (z.B. trockene Si3N4/DLC-Grenzflächen) steuerbar machen.
Förderung und Rechenzeit
Diese Forschung wurde gefördert durch das BMWi (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie) im Rahmen des Projektes Poseidon II, die Agence Nationale de la Recherche (ANR), das TOTAL Research Centre Solaize, das österreichische COMET-Programm (K2-Projekt InTribologie, Nr. 872176). Die Rechenzeit wurde vom John von Neumann-Institut für Computing (NIC) bewilligt und auf dem Supercomputer JUWELS am Jülich Supercomputing Centre (JSC) im Rahmen des Projekts HFR09 zur Verfügung gestellt. Weitere Rechenzeit wurde vom Land Baden-Württemberg über das bwHPC und die DFG zur Verfügung gestellt (Bewilligungsnummer INST 39/963-1 FUGG, bwForCluster NEMO).
[1] Long, Y.; Kuwahara, T.; De Barros Bouchet, M.-I.; Ristić, A.; Dörr, N.; Lubrecht, T.; Dupuy, L.; Moras, G.; Martin, J. M.; Moseler, M., In situ synthesis of graphene nitride nanolayers on glycerol-lubricated Si3N4 for superlubricity applications, ACS Applied Nano Materials (2021) Link
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