Atomistische Simulation von Graphit in Reibkontakten

05. März 2020

© Fraunhofer IWM
Abbildung 1: Atomistische Simulation eines Kontakts zwischen zwei Graphitkristallen. In einer trockenen Umgebung kommt es umgehend zur Kaltverschweißung und Amorphisierung des Graphits (a). Bereits eine geringe Menge Wasser genügt um diesen Effekt zu unterdrücken und die Reibung drastisch zu reduzieren (b).

Dr. Andreas Klemenz

Graphit ist einer der ältesten technisch eingesetzten Trockenschmierstoffe. Nachdem gezeigt wurde, dass Graphitkristalle aus Stapeln aus Graphenlamellen aufgebaut sind, kam die Vorstellung auf, dass sich diese Lamellen unter dem Einfluss einer Scherspannung gegeneinander verschieben könnten, ähnlich den Karten in einem Kartenspiel. Dieses „deck-of-cards“-Modell liefert eine anschauliche Erklärung für die Schmiereigenschaften, kann jedoch nicht alle Eigenschaften von Graphit in tribologischen Systemen erklären. Bereits in den 1930er Jahren wurde nachgewiesen, dass eine gewisse Luftfeuchtigkeit erforderlich ist, um Graphit als Schmiermittel einsetzen zu können. In trockenen Umgebungen verliert Graphit seine guten Schmiereigenschaften und graphitgeschmierte Kontakte zeigen hohe Reibung und hohen Verschleiß. Seither kamen unterschiedliche Vermutungen über die grundlegenden Reibmechanismen auf, von denen jedoch keine ein vollständiges Bild ergibt. Daher sind bis heute die Effekte, die den Schmiereigenschaften des Graphits zugrunde liegen, weitgehend unverstanden.

Seit Kurzem verfolgt das Fraunhofer IWM hier einen neuen Ansatz. Wird Graphit als Schmiermittel auf eine technische Oberfläche aufgebracht, so hat die Graphitschicht zwangsläufig eine polykristalline Struktur. Reibt ein Gegenkörper über diese Oberfläche, so kommt es zum Gleiten von Graphitkristallen gegeneinander. Da die Atome an den Rändern von Graphenlamellen hochreaktive ungesättigte Bindungen aufweisen können, wird es in diesem Bereich zu Rekonstruktionen und zu chemischen Reaktionen mit der Umwelt kommen, insbesondere mit umgebenden Wassermolekülen. Atomistische Simulationen legen nahe, dass die Anwesenheit von Wasser drastischen Einfluss auf das Gleiten der Graphitkristalle gegeneinander hat (Abb. 1). In trockenen Umgebungen kommt es zu Kaltverschweißungen der Oberflächen mit nachfolgender Amorphisierung des Graphits. Bereits eine geringe Anzahl Wassermoleküle im Reibkontakt kann dies unterdrücken und die Reibung um mehrere Größenordnungen reduzieren.

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