Beschermlagen van grafeen zijn de dunste lagen die op een substraat kunnen worden aangebracht. De ultradunne trekvaste beschermlagen tegen slijtage zijn vooral interessant voor de microsysteemtechniek. Hiervoor is het noodzakelijk om de processen, die bij aanraking en wrijving in contact met grafeen ontstaan, goed worden begrepen. Het Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM) in Freiburg is het gelukt om met behulp van simulaties met atomen het gedrag weer te geven van een beschermlaag van grafeen op platina (111) op atomair niveau bij diverse drukbelastingen.
Grafeen is een veelbelovende grondstof met het oog op bescherming tegen slijtage. In principe bestaat het materiaal uit één laag koolstofatomen en is zodoende de dunste laag die op een substraat kan worden aangebracht. Voor de microsysteemtechniek, die met steeds kleiner wordende onderdelen werkt, zijn ultradunne slijtage beschermingslagen interessant. Grafeen is bovendien het materiaal met de hoogst bekende trekvastheid.
Begrip van processen
Het is noodzakelijk om de processen die bij aanraking en wrijving in contact met grafeen ontstaan, te begrijpen. Dat is van fundamenteel belang om grafeen als beschermlaag te kunnen gebruiken. Alleen dan kunnen de mogelijkheden en grenzen van het materiaal precies worden bepaald en kan men zinvolle en winstgevende toepassingen verkrijgen.
Bij het Fraunhofer IWM in Freiburg is het gelukt om met behulp van simulaties met atomen het gedrag nauwkeurig weer te geven van een beschermlaag van grafeen op platina (111) op atomair niveau bij diverse drukbelastingen. Bij de ontwikkeling waren ook het Institut für Angewandte Materialien van het Karlsruher Institut für Technologie (KIT), de vakgroep natuurkunde aan de Universität des Saarlandes en het instituut voor natuurkunde van de Universität Freiburg betrokken. Tijdens experimenten kon het Leibniz-Institut für neue Materialien in Saarbrücken al veel overeenkomsten met de simulatieresultaten vaststellen.
Vlaktedruk
Het is al bekend dat grafeen wrijving vermindert. De onderzoekers van IWM hebben met hun simulaties het gedrag van grafeen nog beter in beeld gekregen. Ze kozen als substraat het eenvoudig te modelleren platina 111 (Pt-111). Ze brachten een diamantpunt in contact met de grafeenlaag op het materiaal. De weerstand bij een coating van het materiaal met grafeen bleek duidelijk verbeterd.
De resultaten waren in detail echter verrassend. Bij een lage druk konden de onderzoekers een minuscule wrijving vaststellen en een aanzienlijk verbeterd weerstandsvermogen van de materiaalcompositie. Bij een gemiddelde druk was de wrijvingscoëfficiënt nog steeds lager dan op niet door grafeen beschermend platina. Als de druk echter aanzienlijk hoger wordt, laat de grafeenlaag het afweten en scheurt. In dat geval is de laag ook niet meer in staat om zichzelf te repareren, iets wat bij andere materialen zeker mogelijk is. Hiermee is duidelijk dat, als in een bepaald wrijvingssysteem de vlaktedruk boven een bepaalde waarde uitkomt, het geen zin heeft om met coatings van grafeen te werken.
Grafeen oplossen in smeermiddel
Grafeen kan op diverse manieren op een substraat worden aangebracht. Er is een composietproces waarbij het grafeen in de oppervlakte van het dragermateriaal wordt ingebed. Een tweede methode is chemische damp depositie (CVP), waarbij het grafeen groeit op een substraat. De derde mogelijkheid is het dispergeren van grafeen in een smeermiddel. Vooral dit proces om grafeen in smeermiddel op te lossen, vormt een veelbelovende aanpak.
Als het oppervlak glad is, zoals bij microsystemen, heeft een coating zeker zin. Bij bewegende systemen met minder gladde vlakken, zoals in motoren, komt grafeen als laag al snel aan zijn grenzen. Motoren moeten bovendien steeds efficiënter draaien. Ontwikkelaars werken daarom met smeermiddelen met steeds lagere viscositeit, waarbij de afstanden tussen de bewegende onderdelen steeds kleiner worden. De industrie is daarom op zoek naar additieven, die wrijving en slijtage ook onder deze verzwaarde omstandigheden minimaliseren.
Met hun werk kunnen de onderzoekers aantonen dat grafeen, opgelost in smeermiddel, als werkzame beschermingslaag op de tribologische vlakken de slijtage kan verminderen. Als het grafeen plaatselijk defect raakt, kan nieuw grafeen uit het smeermiddel de beschadigde plaats weer sluiten, wat betekent dat het zelf reparerend werkt, iets dat bij een traditionele coating van grafeen niet gebeurt.
Toepassingen
Met de nieuwe simulatiemogelijkheden van het IWM kunnen totaal verschillende toepassingsmogelijkheden van grafeen als beschermingslagen worden weergegeven. Hierdoor wordt het materiaal voor een veelheid van branches interessant.
Behalve als smeermiddeltoevoeging voor motorische toepassingen zou grafeen als groeilaag in de toekomst een belangrijke rol kunnen spelen bij een microsysteem met zeer kleine spelingen. In de nabije toekomst zal bijvoorbeeld de afstand tussen de schrijf/leeskop en de harde schijf bij magnetische data opslag kleiner zijn dan 3 nm. In deze nauwe spleet zouden een dunne laag smeermiddel en twee beschermingslagen tegen slijtage moeten passen, een taak waarvoor grafeen is voorbestemd.
