Reibungsreduktion auf SiC-Oberflächen durch Graphen

22.3.2019

© Fraunhofer IWM

Reibkräfte bei verschiedenen Anpresskräften

Die Beschichtung von tribologischen Oberflächen mit Graphen oder auch der Zusatz von Graphen als Additiv zu Schmierstoffen bietet die Möglichkeit zur extremen Reibreduktion. Leider sind nicht alle zugrunde liegenden Mechanismen verstanden, weshalb eine Optimierung für technische Anwendungen schwierig ist. Hier können nanotribologische Experimente mit einem Reibkraftmikroskopie interessante Einblicke liefern.     

In der Reibkraftmikroskopie ist es im Allgemeinen nicht möglich, eine Reibmessung durchzuführen und gleichzeitig den tribologischen Kontakt zu beobachten. Die korrekte Interpretation der gemessenen Daten ist daher häufig schwierig. An dieser Stelle können atomistische Simulationen wertvolle Informationen zur Aufklärung der Prozesse im Reibkontakt liefern. 

 

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Sehr geringe Anpresskräfte erlauben nahezu reibungsfreies Gleiten auf der Oberfläche

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Wird die Schwelle zur Bildung kovalenter Bindungen zwischen Graphen und Transferschicht überschritten, erhöhen sich die Reibkräfte

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Sehr hohe Anpresskräfte führen schließlich zur Zerstörung des Graphens

Ein typisches Beispiel für einen derartigen Fall stellt die Reibung auf einer graphenbedeckten Siliziumcarbidoberfläche dar. Während bei geringen Anpresskräften nahezu reibungsfreies Gleiten auf den Oberflächen möglich ist, steigen die Reibkräfte ab einer gewissen Anpresskraft plötzlich an. In der Literatur wird dieser Effekt üblicherweise mit dem Übergang vom kontinuierlichen Gleiten zu Stick-Slip-Verhalten erklärt, wobei allerdings der Übergang bei höheren Anpresskräften, als vom Prandtl-Tomlinson-Modell vorhergesagt, zu beobachten ist. Die Nachbildung eines derartigen Experiments in einer atomistischen Simulation ermöglicht nun eine andere Deutung: überschreitet die Anpresskraft eine gewisse Schwelle, so können sich zwischen dem Graphen und der darunterliegenden Transferschicht auf der SiC-Oberfläche kovalente Bindungen ausbilden.
Die Energie, die zu deren Bildung aufgewendet werden muss, äußert sich in einem Anstieg des Reibkoeffizienten. Da diese Bindungen bei Raumtemperatur Lebensdauern von lediglich einigen Microsekunden haben, haben sie zwar einen großen Einfluss auf den Reibkoeffizienten, können im Experiment jedoch praktisch nicht beobachtet werden. In einer atomistischen Simulation hingegen können auch Vorgänge auf diesen kurzen Zeitskalen problemlos studiert werden und der beschriebene Effekt ist klar sichtbar.


Diese Arbeiten wurden im Rahmen des Projekts Ceraphene vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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