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Superschmierung von Graphit- und hexagonalen Bornitrid-Heteroübergängen im Mikrometerbereich

Aug 28, 2019

Reibung und Verschleiß sind zwei Hauptursachen für Energieverlust und Bauteilversagen in mechanischen Systemen. Zu den herkömmlichen Methoden zur Reibungsreduzierung gehören flüssige Schmiermittel, die unter starken Einschränkungen und unter extremen äußeren Bedingungen (hohe Temperaturen, chemische Verschmutzung, Vakuum usw.) versagen. Die strukturelle Superschmierung bietet eine praktikable Methode zur Reduzierung von Reibung und Verschleiß, die hauptsächlich von der wirksamen Reduzierung der Seitenkräfte bei asymmetrischem starrem Kristallkontakt abhängt. Vor zehn Jahren entdeckten Wissenschaftler erstmals Nanostrukturen in homogenem Graphit. Nach Jahren der Forschung ist das Haupthindernis für die breite Anwendung der strukturellen Superschmierung die Anisotropie der homogenen harten Grenzfläche. Selbst in einem asymmetrischen Zustand extrem geringer Reibung tendieren sie dazu, sich durch Rotation in einen gleichmäßigen Zustand hoher Reibung zu bewegen. Der Schweregrad dieses Problems hängt von der Kontaktgröße ab.

Kürzlich hat Professor Zheng Quanshui von der Tsinghua-Universität eine strukturelle Überschmierung in mikrokristallinen Heteroübergängen realisiert, die die Grundlage für eine weitere makroskopische Überschmierung bildet. Die experimentellen Ergebnisse der Grenzfläche zwischen Graphit und hexagonalem Bornitrid zeigen, dass der Kontakt zwischen Graphit und hexagonalem Bornitrid unter äußeren Belastungen konsistent ist und die strukturelle Superschmierung vorliegt. Die im Heteroübergang beobachtete Reibungsanisotropie ist einige Größenordnungen kleiner als die im homogenen Teil des Heteroübergangs gemessene. Die Atomsimulation zeigt auch, dass der Reibungsmechanismus in diesen beiden Fällen aus zwei völlig unterschiedlichen dynamischen Zuständen stammt.

Abbildung 1. Experimentelles Gerät

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(a) Eine experimentelle Vorrichtung zum Messen der Reibung zwischen Graphit und hexagonalem Bornitrid ist dargestellt.

(b) Herstellung von Graphit / hexagonalem Bornitrid-Heteroübergängen

Figure 2. Rotationsanisotropie der Reibung in Graphit / hexagonalem Bornitrid-Heteroübergang

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Figure 3. Simulation der Anisotropie der Reibungsrotation von Graphit / hexagonalem Bornitrid-Heteroübergang

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(ein). Grafische Simulationsmodellierung

(b). Simulierte Reibung von Graphit / hexagonalem Bornitrid-Heteroübergang und homogenem Teil

(c, d). Einfluss des Winkels auf den Reibungsdruck in Graphen COM Motion

(e). Winkelabhängigkeit der Reibung vom Graphit / hexagonalen Bornitrid-Heteroübergang

Figure 4. Einfluss der äußeren Umgebung auf die Oberflächenreibung von Graphit / hexagonalem Bornitrid-Heteroübergang

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(ein). Die Wirkung der Belastung auf die Reibungskraft an der Grenzfläche von Graphit / hexagonalem Bornitrid heterogenen Knötchen bei unterschiedlichen Gleitgeschwindigkeiten

(b). Die Wirkung der Grenzflächenreibung auf die Gleitgeschwindigkeit von heterogenen Graphit / hexagonalen Bornitrid-Knötchen unter verschiedenen Belastungen