Supersonisk sprutning av grafen – MXene-baserade ledande slitstarka beläggningar för elektrifiering
Supersonic sprayed graphene copper conductive wear-resistant coatings on copper substrates.
Supersonic sprayed graphene copper conductive wear-resistant coatings on copper substrates.
Resultat
I detta projekt har vi utvecklat och optimerat supersoniska sprutprocesser för att tillverka 2D-materialbaserade ledande slitstarka beläggningar på metallsubstrat för potentiella industriella elektrifieringsapplikationer. Flera typer av beläggningsmaterial, bestående av ren grafen, ren MXene, den mekaniska blandningen av grafen/kopparpulver och kopparbelagda grafitpulver (CCG), har överljudssprutats på koppar- eller stålsubstrat för att bilda enhetliga beläggningar med tjockleksintervall från 10 till över 100 mikron. Totalt har ett 50-tal prover preparerats och testats.
Resultaten visar att beläggningar av ren grafen eller MXene uppnår mycket låg friktion men också hög elektrisk kontaktresistans. Däremot har de bästa grafen/koppar-kompositbeläggningarna uppvisat avsevärt reducerad friktion (friktion med koefficient ~0,2, nästan fyra gånger lägre än ren koppar) och samtidigt jämförbar elektrisk kontaktresistans med ren koppar.
Huvudmålet med projektet är att undersöka möjligheten att använda ledande 2D-material (grafen eller MXene) för att minska friktionen hos ”rörliga” metallkontakter i elektrifieringsprodukter utan att uppenbart öka deras elektriska kontaktresistans, för att möjliggöra tillverkning av avancerade elektrifieringsprodukter med förlängd livslängd och jämförbar elektrisk prestanda. I detta projekt har vi tillverkat minst två typer av grafen/koppar eller CCG/koppar kompositbeläggningar som uppvisar friktion som är cirka 3-4 gånger lägre än ren koppar och som samtidigt bibehåller liknande elektrisk kontaktresistans. Deras låga friktion och låga elektriska kontaktresistans har uppfyllt kraven för vissa applikationer från industripartnern. Därför har projektets huvudmål uppfyllts.
Som förväntat kan grafen och MXene avsevärt minska friktionen hos metallbeläggningar. Men rena grafen- eller MXene-beläggningar lider av hög elektrisk kontaktresistans och dålig slitstyrka. När grafen blandas med kopparpulver i en riktig sammansättning är det möjligt att samtidigt minska friktionen, förbättra slitstyrkan och behålla det låga elektriska kontaktmotståndet.
För nu har vi tydligt sett löftet om överljudssprutade ledande slitstarka beläggningar för elektrifieringstillämpningar. En av de mest kritiska frågorna är dock den dåliga reproducerbarheten. Det beror sannolikt på den okända inverkan av 2D-materialen på sprutprocessen. Så det krävs fortfarande avsevärda forskningsinsatser för att ytterligare förstå sprutbeteendet och rätt materialsammansättningar för applikationerna. Vi räknar därmed med att det tar minst 5 år innan den första produkten produceras baserat på de överljudssprutade 2D-materialbeläggningarna.
För att föra fram beläggningsprocessen behövs minst en partner till som kan leverera storskaliga tillförlitliga grafenbläck med hög ledningsförmåga och lämpliga reologiska egenskaper.
