Grafenoxid – ett nytt smörjmedel i industriella tillämpningar (avslutat)

Syfte och mål

Projektet syftar 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 lätt 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 kommer att drivas 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 kommer vi att:

– Utvärdera grafenbaserade material specifikt GO, som smörjande additiv i smörjfetter
– Utvärdera GO, som smörjande additiv i Ag-baserade elektriska kontakter
– Utvärdera 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 ”ball-on-flat” (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 har upptäckts 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 utomordentliga 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.

Figur 1
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 using as-received 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.

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: