A grafén hozhat áttörést a kerámiák kopásállóságának javításában

A műszaki kerámiák kiváló mechanikai tulajdonságaik miatt egyre fontosabb szerephez jutnak az ipari alkalmazások területén, például vágószerszámok, kopásálló csapágyak, robbanómotor-alkatrészek vagy szelepek anyagaként, melyek esetében kivétel nélkül alapvető fontosságú a súrlódás során fellépő veszteségek és a mozgó alkatrészek kopásának A teljes publikáció itt érhető elcsökkentése.

Ennek egy lehetséges megoldása a kerámiaalapú kompozitok alkalmazása, amelynek során az alapkerámiához egy súrlódást csökkentő fázist társítanak. A grafit az egyik legjobb száraz kenőanyag, mely kiválóan csökkenti a súrlódási folyamatok okozta károkat, azonban adalék formájában eddig nem hozta el a kerámiák tribológiai (vagyis súrlódási és kopásállósági) tulajdonságainak várt javulását.

Az eddigi kutatások során grafitnanopikkelyek (graphite nanoplatelets, GNP) adalékolásával 50-70%-os javulást sikerült elérni a szilícium-nitrid kerámiák kopásállóságában, viszont súrlódási együtthatójuk gyakorlatilag nem csökkent.

Kevesebb réteg – kisebb súrlódás

Az MTA Energiatudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézetében Tapasztó Orsolya és munkatársai azzal az ötlettel álltak elő, hogy a grafitnanopikkelyek vastagságának (rétegszámának) csökkentésével a súrlódási folyamatokat sokkal hatékonyabban lehet javítani. A kompozitokban eddig adalékként alkalmazott grafitnanopikkelyek vastagsága tipikusan 50 grafénréteg feletti (> 15 nm). Ennek oka, hogy nem állt rendelkezésre olyan eljárás, amellyel ennél vékonyabb grafitnanopikkelyek állíthatók elő nagy mennyiségben. Erre dolgoztak ki egy egyszerű és hatékony módszert az MTA EK kutatói.

A módszer lényege, hogy a hagyományosan bolygómalmos őrléssel előállított grafitnanopikkelyek előállítása során, az őrlési folyamathoz melamint adva, a grafitlemezek vastagsága (a rétegek száma) hatékonyan csökkenthető. A melaminnak azt a tulajdonságát használták ki, hogy molekulái beékelődnek a grafit kristálysíkjai közé, gyengítve a rétegeket összetartó van der Waals-erőket, lehetővé téve könnyebb szétválásukat a mechanikai őrlés során.

Grafitsíkok szétválasztása melaminmolekulák segítségével Forrás: Chem. Commun., 47, 10936 (2011)

Transzmissziós elektronmikroszkópos vizsgálatok segítségével megállapították, hogy a melamin hozzáadásával őrölt grafitnanopikkelyek vastagsága csupán néhány (1–3) nanométer, azaz kevesebb mint 10 grafénrétegből épülnek fel. Ezeket így már néhány rétegű grafénnanopikkelyeknek (few-layer graphene nanoplatelets, FL-GNP) nevezhetjük.

Ilyen ultravékony, néhány rétegű grafénnanopikkelyeket adalékoltak a szilícium-nitrid kerámiához, amelyből ívplazmás szinterelési eljárás során kompozitokat állítottak elő, majd megvizsgálták e kompozitok tribológiai és mechanikai tulajdonságait.

Azt találták, hogy a néhány rétegű grafénnal adalékolt Si₃N₄-kompozitok súrlódási együtthatója közel a felére csökkent, szemben a hagyományos (vastagabb) grafitnanopikkelyekkel adalékolt kompozitokkal, amelyek súrlódási együtthatója nem változott a tiszta (szénadaléktól mentes) kerámiához képest.

Kerámiák súrlódási együtthatójának csökkenése néhány rétegű grafén adalékolásával Forrás: MTA EK/Tapasztó Orsolya

A súrlódási tulajdonságok mellett megvizsgálták az anyag kopásállóságát is. Már az optikai mikroszkópos felvételek is egyértelműen mutatják, hogy míg az adalékanyag-mentes kompozit kopási lenyomata marási nyomokkal van teli, addig a néhány rétegű grafénlemezeket tartalmazó kompozit szinte teljesen mentes a hasonló anyagveszteség nyomaitól.

Forrás: MTA EK/Tapasztó Orsolya

A kopás értékét számszerűsítve: a néhány rétegű grafént tartalmazó kompozit esetében 20-szor kisebb a kikopott anyag mennyisége, mint az adalékmentes szilícium-nitrid kerámia esetében. A javulás fő oka egy grafénalapú önkenő filmréteg kialakulása, amely alacsony súrlódású védőbevonatot alkot a kerámia felületén. Mivel a grafénrétegek a kerámia teljes térfogatában megtalálhatók, ez a grafénfilm is folyamatosan pótlódik a felületen, így védve azt a károsodástól.

Az anyag tribológiai optimalizálásának az ipari alkalmazhatóság szempontjából csak akkor van igazán nagy jelentősége, ha ez nem rontja jelentősen az egyéb mechanikai tulajdonságait. A kutatók azt találták, hogy előállítási módszerük tovább javította az anyag hajlítószilárdságát, szívósságát és keménységét.

Az így előállított grafén/kerámia kompozitokból készült mozgó alkatrészekben jelentősen csökkenthetők a működés során a súrlódás miatt fellépő veszteségek, a kopásállóság drasztikus javítása pedig az alkatrészek élettartamát növelheti a mostani sokszorosára.

Az itt bemutatott eredményeket a Nature lapcsalád open access folyóirata, a Scientific Reports közölte, itt érhető el.