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Antriebstechnik

Reibung von Graphen

| Redakteur: Beate Christmann

Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM und aus China und den USA haben dank atomistischer Simulationen herausgefunden, warum die Reibung bei einschichtigem Graphen stärker ist als bei mehrschichtigem und weshalb die Reibungskraft bei fortwährendem Gleiten steigt. Ihren Erkenntnissen zu Folge spielt nicht nur die echte Kontaktfläche eine Rolle, sondern auch die sich entwickelnde Kontaktqualität.

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Einschichtiges Graphen, über das eine Siliziumspitze gleitet. Die verschiedenen Farben zeigen die unterschiedlichen Werte der Reibungskraft in der Kontaktfläche.
Einschichtiges Graphen, über das eine Siliziumspitze gleitet. Die verschiedenen Farben zeigen die unterschiedlichen Werte der Reibungskraft in der Kontaktfläche.
(Bild: Suzhi Li/KIT)

Dass bei Kontakt mit einschichtigem Graphen eine stärkere Reibung auftritt als bei mehrschichtigem Graphen oder Graphit, war bereits bekannt. Auch die Tatsache, dass die Reibungskraft bei fortwährendem Gleiten steigt. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM, der Xi’an Jiaotong University (China), der Tsinghua University in Beijing (China), dem Massachusetts Institute of Technology (USA) und der University of Pennsylvania (USA) haben nun die Gründe für diese Eigenschaften ausgemacht. Sie erklären die Effekte mit der echten Kontaktfläche sowie der sich entwickelnden Kontaktqualität und berichteten über ihre Ergebnisse zuletzt in der Zeitschrift Nature.

Graphen als Bestandteil von Schmiermitteln

Wenn Grenzflächen von Festkörpern sich berühren und gegeneinander bewegen, tritt Reibung auf. Energie wird dabei in Wärme umgewandelt, die ungenutzt verloren geht. Außerdem kommt es durch Reibung zu Abrieb und Verschleiß. Um die Reibung bei metallischen Gleitelementen und hohen Kontaktdrücken zu vermindern, beispielsweise in Automobilen oder Industriemaschinen, werden als Festschmierstoffe häufig Stoffe mit lamellarer Struktur eingesetzt, deren Partikel leicht aufeinander gleiten.

Einer der gängigsten Festschmierstoffe ist Graphit, eine natürliche Erscheinungsform des Kohlenstoffs mit dreidimensionaler, geschichteter Struktur. Graphit besteht theoretisch aus mehreren, leicht versetzt übereinandergelegten Schichten von Graphen. Bei Graphen handelt es sich um eine Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur: Es besteht aus nur einer Lage von Kohlenstoffatomen, die in Sechsecken wie Bienenwaben angeordnet sind. Graphen kommt in der Natur als isoliertes einschichtiges Material nicht vor, lässt sich aber über verschiedene Verfahren herstellen.

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