Пользователь
0,0
рейтинг
19 мая 2014 в 14:17

Графен: тончайшая твердая смазка

Обычно, когда заходит речь о графене, сразу возникают ассоциации с чем-то микроскопическим, невидимым невооруженным взглядом, и, пока что, не имеющим какого-либо практического применения за пределами лабораторий. Такое впечатление усиливается после прочтения новостей о последних «прикладных» открытиях — будь то «самый тонкий двигатель», или «самый тонкий и гибкий транзистор». Однако, помимо таких хоть и полезных, но (пока) далеких от реальной жизни применений, есть области, где графен может применяться прямо сейчас, причем в макроскопическом масштабе. Одна из них — трибология.

Сначала — несколько слов о трибологии вообще, и об измерении трибологических свойств, в частности. Если официально, то трибология — это наука о трении и износе, объект исследования которой — пара тел, находящихся в механическом контакте, и двигающихся относительно друг друга. Вообще, если задуматься, то трение — это, наверное, второе по важности физическое явление, после гравитации. Попробуйте посидеть на стуле без трения. Нет, вы сначала до него дойдите!

Два основных осязаемых трибологических параметра — это коэффициенты трения и износа. С коэффициентом трения все просто — это отношение силы трения к силе, с которой тела прижимаются друг к другу. Впервые я познакомился с этой величиной классе, наверное, в седьмом, на лабораторках по физике. Помните, с помощью пружинного динамометра тянули один деревянный брусок по другому и мерили эту самую силу трения? Про износ тогда никто не упоминал по понятным причинам — измерять его было несколько проблематично. Коэффициент износа — это соотношение объема вещества, которое безвозвратно отделилось от тела в процессе трения, к расстоянию скольжения. Простейший пример — кирпич царапается гвоздем. Отношение объема образовавшейся крошки к длине царапины и будет коэффициентом износа.

В современной лаборатории принцип измерения трибологических характеристик практически не отличается от школьной лабораторки. Простенький прибор для измерения трения может выглядеть вот так:

Цветными рамками обведены основные компоненты: 1) Вертикальный актуатор, служит для перемещения измерительной головки вверх-вниз (нужно для контроля нормальной силы) 2) Измерительная головка (датчик силы трения) к ней прикреплена пружинная балка с шариком на конце (3). Исследуемый образец (4) приклеен к столику, который установлен на датчике нормальной силы. Все это ездит туда-сюда вдоль оси X по рельсу, который стоит на тумбочке стоящей возле моего стола))) В правом верхнем углу виден модуль АЦП от National Instruments, который обрабатывает сигнал с датчиков. Оба актуатора на шаговых двигателях. Управляется все самописным софтом под Windows.

Белый шарик на конце балки имеет диаметр 1 мм, сделан из оксида циркония. Образец, в данном случае, кремниевая пластина 10×10 мм2. Если начать двигать измерительную головку вниз, то шарик прикоснется к поверхности образца, а при дальнейшем движении начнет давить на нее с силой, которая зависит от упругости подвеса и степени его деформации. Обычно, 1 мм соответствует 10 миллиньютонам. Точная величина измеряется нижним датчиком.

Если задать возвратно-поступательное движение нижней каретки, и подождать, скажем, 10 минут, то на поверхности нашего образца мы увидим такую картину (слева — вид сверху, справа — трехмерное изображение центральной части; длина трека — 2 мм):

«О боже, все пропало!» Ну или «мы его протерли!».
При этом зависимость коэффициента трения от количества циклов будет выглядеть так:


А теперь возвращаемся к графену. Если каким-либо образом нанести на кремний графен, то картина изменится кардинально!
При тех же самых параметрах теста, мы не увидим никаких следов износа на поверхности образца, при этом кривая коэффициента трения будет выглядеть так:

Т.е. не смотря на то, что слой графена имеет толщину меньше нанометра, и мы елозим по нему миллиметровым шариком, он все равно не рвется. Вот это прочность!
«Стоп!» скажет внимательный читатель. Обещали же практическое применение! А где вы видели плоский кремниевый подшипник? Правильно, нигде. Но, к счастью, на кремнии свет клином не сошелся. Более того, графен на кремнии — это результат переноса его с меди, на которой он выращивается, и это уже более интересно.

Существует два основных способа производства графена. Первый — механическая эксфолиация. Нам она не интересна, поскольку не позволяет получить покрытие большой площади (более нескольких миллиметров). Второй способ — химическое нанесение из газовой фазы (Chemical Vapour Deposition, CVD). В этом методе, медная подложка помещается в печь и нагревается до температуры около 1000 градусов цельсия. Затем печь продувается чистым водородом для восстановления поверхностных окислов, и заполняется метаном. При высокой температуре метан разлагается, образуя углеродную (графеновую) пленку на поверхности меди, которая выступает в роли катализатора. Количество слоев графена зависит от концентрации метана и времени выдержки, обчно это 5–20 минут. После этого подложку медленно охлаждают в инертной атмосфере. В результате мы получаем кусок меди, равномерно покрытый графеном. И как же у него обстоят дела с трением? Да замечательно!

На этом рисунке показаны коэффициенты трения для чистой меди, а также двух кусков меди, покрытых графеном разной толщины (время выдержки в метане 5 и 20 минут):

Как видно, чистая медь сдается сразу. А вот «толстый» графен (5 слоев) увеличивает время жизни в десять раз! При этом поверхность меди все-же деформируется, и образуется «канал», повторяющий форму шарика (слева чистая медь, справа графен):

Но не смотря на деформацию поверхности, графен препятствует формированию задиров, что удерживает коэффициент трения на низком уровне.

Тем не менее, под давлением все разрушается, и графен не исключение. На предыдущем рисунке этот момент обозначен как «critical failure point». После определенного количества циклов, коэффициент трения начинает расти, хотя и остается ниже, чем для чистой меди. И вызвано это не отслоением графена и обнажением поверхности меди, как можно было бы подумать («надо же, протерли насквозь»). Нет, графен остается на месте, но меняет свою структуру. Верхние слои разрушаются, становясь аморфными, а аморфный углерод имеет более высокий коэффициент трения. Тем не менее, графен продолжает служить, защищая поверхность меди от окисления.

Осталось сделать медный вкладыш для подшипника, покрыть его графеном, и вуалая! Сухая наносмазка готова. Кстати, если нанести графен еще и на сами шарики, то результат будет феноменальным. Но об этом — в следующий раз.

Ссылки:
[1] M.S. Won, O.V. Penkov, D.E. Kim. Durability and degradation mechanism of graphene coatings deposited on Cu substrates under dry contact sliding. Carbon 54, pp. 472–481, 2013.
[2] O.V. Penkov, H.J. Kim, H.J. Kim, D.E. Kim. Tribology of Graphene: A Review. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing 15, pp. 1–9, 2014.

______________________
Текст подготовлен в Редакторе Блогов от © SoftCoder.ru
Алексей Пеньков @koreec
карма
48,0
рейтинг 0,0
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (34)

  • +1
    Кстати, пружинящая балка (№3 на первом рисунке) — важная составляющая устройства, имеющегося практически в каждом ПК. Кто угадает, что это такое — тому пирожок.
    • +5
      Головка жесткого диска?
      Насколько я понял поверхность при покрытии графеном не абсолютно плоская?
      Какая тогда структура у графена? Насколько измениться коэффициент трения если предварительно выровнять «подложку»?
      • 0
        Именно! Точнее, не сама головка, а ее подвес, но сути это не меняет.
      • 0
        Да, шероховатая, и равнять ее бесполезно. Нагрев до предплавильной температуры приводит к росту зерен и увеличению шероховатости. На другой, более ровной подложке трение будет ниже. Если перенести этот же графен на кремний, коэффициент трения упадет раза в два.
  • 0
    Что такое COF?
    • +2
      Коэффициент трения (coefficient of friction)
      • 0
        Спасибо. А площади петли Гистерезиса не сравнивали?
        Они пропорциональными должны быть — просто удобно видеть эффект за много циклов одним числом.
        • 0
          Принято считать, что наиболее идеологически правильное значение коэффициента трения — пиковое в каждом цикле, и именно его этот график отражает. А площадь петли никогда не учитывается.
  • 0
    Это такая нанографитовая смазка получается что ли?

    И можно поподробнее о технологии получения графена описанной? Метан в раскаленной печи каким образом разлагается? Без метровой воронки, надеюсь? Просто сгорает? И являются ли получаемые слои графена цельными? Насколько помню, проблемы его получения именно в том, что нужны относительно крупные «идеальные» листы, а получается иначе.
    • +1
      Графен — это все-таки не графит. Графитовая смазка работает за счет того, что чешуйки графита скользят друг по другу. Слои графена же не сдвигаются.

      Да, просто разлагается на углерод и водород за счет поверхностного катализа. Расход там небольшой — для 40 мм печи (это диаметр) — примерно 50 куб. см. в минуту. Покрытие получается сплошным, но толщина несколько неоднородна. Впрочем, чем больше средняя толщина — тем более однородная пленка. Для 20 минут — разброс 1-2 слоя.
      • +1
        Спасибо, уже яснее. А корректно ли в таком случае называть графен смазкой? Я слабо знаком с темой, но казалось, что смазкой обычно считают материал, подвижный относительно трущихся тел и себя самого (как чешуйки графита). А тут выходит что-то вроде уменьшения коэффициента трения бетонного блока с чем-либо путем приклеивания, например, стекла к этому блоку (очень преувеличенно и, возможно, некорректно, да, но это первый пример, пришедший в голову).
        • 0
          Графит и пр. — это уже подвид твердой смазки, которая включает в себя и «чешуйки», и твердые покрытия с низким трением, и твердые вещества, такие как тефлон.
          Важно, что это дополнительный слой между трущимися телами, который снижает трение и износ. А каким образом это происходит — это уже другой вопрос.
  • 0
    А чем все же обусловлены такие замечательные свойства графена? Исключительно его двумерностью?
    • +2
      Фактически, да, двумерностью. Важно так же то, что даже на площади в квадратный сантиметр, пленка сплошная. Если же взять мелкие графеновые хлопья, и просто размазать по поверхности — то такого эффекта уже не будет.
      • 0
        А какова на настоящий момент максимальная площадь, которую можно покрыть сплошной пленкой?
        • +1
          За всю планету не скажу, своими глазами видел 5 x 5 см. Но где-то месяц назад проскакивала новость на Хабре, что Самсунг разработал технологию покрытия для 300 мм пластины.
        • +1
          Недавно корейские учёные совместно с, кажется, самсунгом хвастались что научились получать монокристаллические плёнки графена размером с кремниевые пластины (на которых выращивают традиционную электронику). Точных размеров в из сообщении я не нашёл, но полагаю что это несколько дюймов в диаметре.
          • 0
            Я выше написал — пластина 300 мм. Но они подробности не раскрывают.
  • 0
    Есть ещё один способ получения графеновых плёнок — химическая эксфолиация графита кислотами, растворение полученной суспензии чешуек оксида графена в воде, выделение нужной фазы в центрифуге, нанесение состава на субстрат (практически любой, хоть металл, хоть диэлектрик), высушивание и восстановление оксида графена до графена. Не так давно была статья про получение графена с помощью миксера, там как раз упоминается вариант такой методики. Самый распространённый способ восстановления — термический, причём восстановление начинается уже на 170 градусах (но идёт медленно), а на 500-600 можно восстановить практически полностью за небольшое время. Есть ещё разные оптические и электронные методы, но они либо малоэффективны, либо требуют условий высокого вакуума.
    Конечно таким методом не получится получить монокристаллическую плёнку, поверхность будет состоять из множества перекрывающихся чешуек. Однако по сравнению с прочими методами этот самый дешёвый и простой по технологическим требованиям.
    Интересно, как себя поведёт такая плёнка в исследованиях коэффициента износа…
    • +1
      Да это известный способ. Конкретно в такой реализации, трибологические свойства не очень из-за плохой адгезии как с подложкой, так и между чешуйками. Мы сейчас работаем с чешуйками, нанесенными electro-spray (не уверен, как по-русски правильно назвать). Вот там, в сочетании со специальной обработкой поверхности, результат феноменальный.
      • 0
        Интересно было бы почитать! Пишите ещё!
        Кстати, а ваши образцы каких размеров? Интересно каков графен на ощупь, отличается ли от графита или нет?
        • +1
          Спасибо.
          Мы обычно используем 10х10 (так исторически сложилось, хех).
          На ощупь — не знаю. За отпечатки пальцев на образцах студенты убиваются на месте, так что никто не успевает рассказать )))
          Продолжение обязательно напишу, как только опубликуем результаты.
          • 0
            А невооружённым глазом образец графена виден?
            • 0
              Да. Один слой графена поглощает 3% света, поэтому его глазом видно очень хорошо, и хорошо видно как толщина меняется.
  • 0
    А что с электрическим сопротивлением всего этого бутерброда (медь-графен-шарик), не измеряли? Интересен хотя бы порядок сопротивления?
    • 0
      Как-то измеряли. Если брать стальной шарик — фактически, получается удельное сопротивление стали умноженная на площадь пятна контакта. Но особо не копали, это не наша область. Если же судить по структуре — то графен получается неплохой, но и не идеальный.
  • +1
    Насколько корректно в вашем случае говорить о графене? Графен же однослойный материал, а у вас тут слоёв несколько — разве это уже не графит?
    • 0
      Ага, это вопрос интересный. Графен перестает быть графеном, когда перестает демонстрировать графеновые свойства ))) А если серьезно, по общепринятой классификации, графит — это больше 9 слоев. Все что меньше — многослойный графен.
  • +1
    А есть ли сравнение коэффициента трения «медь+графен» с коэффициентом у закалённых металлов современных подшипников? Ведь медь сама по себе относительно мягкий металл на прогиб (а значит априори трение тут гораздо выше), будет ли выигрыш? Или графеновая плёнка делает поверхность значительно более твёрдой на силовой прогиб?
    • 0
      Коэффициент для стального подшипника определяется, прежде всего, смазкой. Без смазки это будет около 1, со смазкой — 0.01~0.03. Особого упрочнения поверхности меди нет, поэтому по максимальной нагрузке медный вкладыш с графеном конечно проиграет полностью стальному подшипнику, и в обычных условиях такая замена смысла не имеет. Но в случаях, когда обычную смазку, в т.ч. твердую графитовую, применять нельзя — особо чистые производства, вакуум и т.п. — будет заметный выигрыш по эффективности.
      Еще можно вместо меди использовать никель, оно будет лучше меди по твердости, при этом графен будет практически таким же.
  • –3
    «Отношение образовавшейся крошки к длине царапины и будет коэффициентом износа.»
    А отношение возгласов «что и зачем я только что прочел» к степени лексических ошибок будет коэффициентом маразма?
    • 0
      Отношение объема образовавшейся крошки.
      Спасибо, исправил.
  • 0
    Глупый вопрос: а если покрытый медный шарик катать по покрытой медной поверхности?
    • 0
      Это имеет смысл. Нужно только толщину каждого покрытия в два раза уменьшить.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.