Grafenoxid – ett nytt smörjmedel i industriella tillämpningar (avslutat)

Komposit i närbild där man ser sintrade Ag-partiklar och mörkare partier av grafenoxidflak (GO).

Friktionskoefficient som en funktion av fram- och återgående operationer i en pin-on-disc-set-up vid 5 N belastning och mot en Ag motyta: rent Ag-prov (svart), Ag:GO komposit med obehandlad GO (blå) och Ag:GO-komposit med GO renggjord med en med rengöringsprocess som utvecklats inom projektet (röd). Det rena Ag-provet stannade efter ca 500 varv på grund av att friktionsgränsen hos provningsutrustningen passerades.

Komposit i närbild där man ser sintrade Ag-partiklar och mörkare partier av grafenoxidflak (GO).

Friktionskoefficient som en funktion av fram- och återgående operationer i en pin-on-disc-set-up vid 5 N belastning och mot en Ag motyta: rent Ag-prov (svart), Ag:GO komposit med obehandlad GO (blå) och Ag:GO-komposit med GO renggjord med en med rengöringsprocess som utvecklats inom projektet (röd). Det rena Ag-provet stannade efter ca 500 varv på grund av att friktionsgränsen hos provningsutrustningen passerades.

Syfte och mål

Projektet syftade till att utveckla nya smörjningskoncept baserade på grafenoxid för industriella tillämpningar. Det har visats i litteraturen att grafen kan fungera som ett torrt smörjmedel som dramatiskt sänker friktionstal av två metallytor som glider mot varandra. Grafen är dock fortfarande för dyrt för många industriella tillämpningar. Nyligen har vi visat att grafenoxid (GO) kan uppvisa samma smörjningsegenskaper som ren grafen vid högre laster ( >1N). GO kan enkelt produceras genom oxidering av grafit och det finns potential att kunna tillverka GO i stora kvantiteter till en låg kostnad.


Planerat upplägg och genomförande

Projektet gjordes i ett nära samarbete mellan ABB och Institutionen för Kemi, Ångströmlaboratoriet och Biomedicinskt centrum (BMC), samt Institutionen för Teknikvetenskaper (Tribomaterial) vid Uppsala universitet. I projektet har följande genomförts:

– Utvärderat grafenbaserade material specifikt GO, som smörjande additiv i smörjfetter
– Utvärderat GO, som smörjande additiv i Ag-baserade elektriska kontakter
– Utvärderat möjligheten att modifiera GO för att ytterligare förstärka smörjande egenskaper i olika applikationer


Effekter och resultat

Arbetspaket 1: Grafenoxid-modifierade smörjfetter och smörjpastor
Grafenoxid (GO), reducerad grafenoxid (rGO) och en specifik gelégrafenoxid (jGO) som utvecklades utvärderades som additiv i litiumkomplex (LiX) och polypropylen (PP) förtjockade fetter. Olika basoljor testades för att optimera dispersionen av GO inom fetterna. En ny basolja (olja A) identifierades, vilken gav väldigt bra GO-dispersion jämfört med nafteniska standardoljor. Fetternas nötningsbeteende vid små vibrationsamplituder (50-200 µm) visade inga signifikanta förbättringar i friktion, kontaktmotstånd eller nötning, jämfört med referensfetterna. Utvärderingen i en fram- och återgående ”kula-skiva” (stål mot stål och Ag mot Cu) konfiguration (10 mm strykning), igen, visade ingen skillnad i friktionsuppförande mellan fetter med additiv och fetter utan additiv. Ingen signifikant termisk effekt upptäcktes vid de studerade koncentrationerna.

Det är tydligt i detta fall att vi inte lyckades med att försöka förbättra den tribologiska prestandan med GO. En mer grundläggande undersökning behövs för att förstå funktionen hos grafenrelaterade material i smörjoljor och fetter, speciellt i råa och mixade smörjningsregimer och vid olika koncentrationer av GO.

Arbetspaket 2: Ag-grafenoxidkompositer för glidande kontaktapplikationer
Målet var att utveckla nya elektriska kontaktmaterial med förbättrade tribologiska egenskaper (låg friktion och högt nötningsmotstånd) genom att förstärka silver (Ag) med GO-flagor. Utmaningen var att kombinera två vanligtvis motverkande egenskaper: bra tribologiska kombinerat med goda elektriska egenskaper.

En effektiv rengöringsmetod, såväl som ett våtmixingsprotokoll utvecklades för att förbättra dispersionen av GO-flakes i Ag-matrisen. Ag:GO-kompositer preparerades med en pulvermetallurgimetod, antingen genom att pressa eller genom pressning och sintring. De tribologiska egenskaperna hos Ag:GO-kompositerna mot ren Ag motyta utvärderades. Testerna visade att inom ett visst koncentrationsintervall kan Ag:GO-kompositer ge upphov till en ovanligt låg torrfriktionskoefficient på cirka 0,07 och samtidigt upprätthålla ett kontaktmotstånd mycket likt ren Ag (figur 1).

Friktionssiffrorna kan jämföras med cirka 1.5 för det torra Ag/Ag kontaktparet och cirka 0.2-0.3 för densamma i smort tillstånd. Nötningstakten för Ag:GO-kompositer var signifikant lägre än för ren Ag. Resultaten visar att syftet att åstadkomma en kombination av utomordentligt bra tribologiska och elektriska egenskaper faktiskt uppnåddes. Materialet sintrades också i kontaktdiskar och löddes på Cu-ledare och testades i verkliga applikationer (en transformatorlindningskopplarbrytare). Utvärdering pågår fortfarande.

Den huvudsakliga insikten var hur viktig dispersionen är för den tribologiska funktionaliteten. Både GO-rengöring och det utvecklade pulvermixningsprotokollet är viktiga i denna kontext (Figur 1). Bra dispersion minimerar också behovet av GO. Koncentrationen av GO i Ag-matrisen är väldigt liten, vilket gynnar de elektriska egenskaperna. Ytterligare optimering av sintringsparametrarna krävs fortfarande för att åstadkomma ett kompakt material.

Framtidsutsikter
Projektet har i de flesta synvinklarna varit lyckat. Vi har nått åtminstone ett mål, att utveckla ett nytt potentiellt kontaktmaterial. Intresset från affärsenheterna har varit signifikant och en patentansökan han redan skickats in. Ytterligare utvecklingsaktiviteter kommer att fortsätta, och fokus kommer huvudsakligen ligga på att identifiera kostnadseffektiva, skalbara produktionsmetoder. Även tunna filmer övervägs här. Tunna filmer i samma material skulle potentiellt vara ett torrt komplement till smord standard silverplätering, vilket skulle öppna upp för en väsentligt bredare applikationsvidd. Att bilda hållbara partnerskap med råmaterialleverantörer och materialleverantörer (sintringsföretag, pläterare etc.) är nödvändigt för att ytterligare utveckla detta material till en kommersiell produkt.

Abstract in english

Graphene - a new lubricant in industrial applications
Graphene oxide-modified lubricating greases and pastes (WP1). Graphene oxide (GO), reduced graphene oxide (rGO) and a specific jelly graphene oxide (jGO), developed within the project, were evaluated as additives in lithium complex (LiX) and polypropylene (PP) thickened greases. Different base oils were tested to optimize the dispersion of GO within the greases. A new base oil (oil A) was identified that gave very good GO dispersion compared to standard naphthenic oils.

The greases’ fretting behavior at small vibration amplitudes (50-200 µm) showed no significant improvements in friction, contact resistance or wear compared to the reference greases. The evaluation in a reciprocating ball-on-disc (steel vs. steel and Ag vs. Cu) configuration (10 mm stroke), again, showed no difference in friction behavior between the greases with additives and greases without additives. No significant thermal effects have been detected at studied concentrations.

It is clear that in this case we have not succeeded in achieving improved tribological performance with GO. More fundamental investigation is needed to understand the function of graphene-related materials in lubricating oils and greases, especially in boundary and mixed lubrication regimes and at different concentrations of GO.

Ag:graphene oxide composites for sliding contact applications (WP2) The target of this work package was to develop new electrical contact materials with enhanced tribological properties (low friction and high wear resistance) by reinforcing silver (Ag) with GO flakes. A main challenge here is to combine two, usually counteracting properties: good tribological with good electrical properties.

An effective cleaning method, as well as a wet mixing protocol was developed to improve dispersion of the GO flakes in the Ag matrix. The Ag:GO composites were prepared by powder metallurgy method, either by pressing or by pressing and sintering. The tribological properties of the Ag:GO composites vs. a pure Ag counter surface were evaluated. The tests showed that, within a certain GO concentration interval, Ag:GO composites can give rise to an unusually low, dry friction coefficient of ca 0.07, while maintaining a contact resistance very similar to pure Ag (Figure 1). The friction numbers can be compared to ca. 1.5 for the dry Ag/Ag contact pair and ca. 0.2-0.3 for the same in greased condition. The wear rate for Ag:GO composites was also significantly lower than for pure Ag. The results showed that the aim to achieve a combination of excellent tribological and electrical properties was actually achieved. The material was also sintered into contact discs and soldered onto Cu conductors and tested in a real application (a transformer tap-changer switch). Evaluation is still ongoing.

One major insight has been how important dispersion is for the tribological functionality. Both the GO cleaning and the developed powder mixing protocol are important in this context (Figure 1). Good dispersion also minimize the need for GO. The concentration of GO in the Ag matrix is very small, which benefits the electrical properties. More optimization of sintering parameters is still required to achieve a dense material.

Outlook
The project has in most aspects been successful, reaching at least one target of developing a new potential contact material. The interest from business units has been significant and a patent application has been submitted. Further development activities will continue, and focus will mainly be on identifying cost-efficient, scalable production methods. Also thin-films are considered here. Thin films of the same material could potentially be a dry complement to greased standard silver plating, which would open up for a substantially wider application range. Forming sustainable partnerships with raw-material suppliers and material manufacturers (sintering companies, platers etc.) is essential to further develop this material into a commercial product.

Figure 1: Friction coefficient as a function of reciprocating operations in a pin-on-disc set-up at 5 N load and vs. a Ag counter surface: pure Ag sample (black), Ag:GO composite using as-received GO (blue) and Ag:GO composite with GO cleaned using cleaning process developed within project (red). (The pure Ag sample stopped after ca 500 laps due to passing friction limit of the test equipment.)

Utlysning:
Förstudieprojekt samt Forsknings- och Innovationsprojekt 2015

Projektpartners: ABB AB, Uppsala universitet

Projektledare: Anna Andersson, ABB AB

E-mail: anna.m.andersson@se.abb.com

Bidrag: 1 582 906 kr

Projektets löptid: 2015 – 2017

Relaterade styrkeområden:

Med stöd från: