Podľa odhadov sa na celosvetovej spotrebe energie až 23 % podieľajú tribologické efekty. Ide o trenie a opotrebenie materiálov vo vzájomnom relatívnom pohybe. Okrem klasických mazadiel sa na ich zníženie vo veľkej miere využívajú pokročilé povlaky s nízkym trením, nazývané tiež tuholátkové lubrikanty. V poslednom období sa pre tento účel intenzívne skúma využitie 2-dimenzionálnych (2D) materiálov, ako sú grafén, MoS2, hexagonálny BN a iné. Výskumom mechanizmu trenia 2D materiálov na nanoškále sa venuje aj projekt APVV „Tribologické vlastnosti 2D materiálov a príbuzných nanokompozitov (Tribo2D)” pod vedením Ing. Milana Ťapajnu, PhD. z Centra pre využitie pokročilých materiálov SAV.
„V komponentoch vystavených extrémnym podmienkam, ako nízka či vysoká teplota (< -60 °C > 100 °C), nízky tlak alebo vákuum (vákuové pumpy, letecké a kozmické aplikácie), kde hrozí zhoršenie efektívneho mazania alebo únik kvapalného lubrikantu, je potrebné využitie tuholátkových lubrikantov vo forme tenkovrstvových nízkotrecích povlakov. Na tento účel sa využívajú najmä vrstevnaté materiály ako MoS2 alebo grafit, pričom sa využíva ich vlastnosť sklzu medzi atomárnymi vrstvami s extrémne nízkym trením. Vďaka nedávno objaveným možnostiam izolovať jednoatomárne tenké – teda 2D vrstvy (grafén) je možné skúmať ich trecie vlastnosti na nanometrovej úrovni, čím vznikla nová oblasť nanotribológie,“ uvádza odborník.
Aj keď okrem veľmi špeciálnych aplikácií – ako sú mikro- či nano-elektro-mechanické (MEMS a NEMS) súčiastky – nie je ultratenká vrstva z praktických dôvodov vhodná na efektívnu lubrikáciu rozhraní, oblasť nanotribológie umožňuje detailne skúmať fyzikálne vlastnosti rozhrania medzi objemovým materiálom a povlakom, dopĺňa.
„Takto je možné pochopiť a optimalizovať povrchovú úpravu materiálu pred nanesením povlaku s požadovanými vlastnosťami a vyhodnotiť vhodnosť tej-ktorej technológie na samotné nanášanie. Aktuálne je však veľmi málo priemyselne využiteľných technológií prípravy rôznych 2D materiálov, čo bola jedna z motivácia pri navrhovaní výskumného projektu.“
Hlavným cieľom projektu je vývoj tenkovrstvových technológií nanášania 2D materiálov pre nízkotrecie povlaky.
„Na tento účel vyvíjame rôzne metódy nanášania, výsledkom ktorých je príprava vrstiev s hrúbkou len niekoľkých jedno-atomárnych vrstiev daného materiálu na dostatočne veľké plochy. Podmienkou je, že tieto technológie bude možné použiť pre nanášanie hrubších vrstiev v priemyselnom prostredí. Aktuálne sa projekt nachádza v úvodnej fáze riešenia, kde sa venujeme najmä skúmaniu vplyvu orientácie niekoľkých jednoatomárne tenkých ‘mikro-fliačikov’ MoS2 na výsledné trecie vlastnosti povrchu a ich priľnavosť k povrchu podložky. Merania realizujeme pomocou extrémne ostrého hrotu umiestneného na konci ohybného nosníka atomárneho silového mikroskopu (AFM). Pri presúvaní hrotu po povrchu vzorky v laterálnom smere vieme z torzného ohybu nosníku určiť zmenu trenia medzi hrotom a meraným povrchom (LFM – Lateral Force Microscopy).“
Princíp merania trecích síl na nanoúrovni pomocou ostrého hrotu, ktorý v laterálnom smere mapuje povrch vzorky. Veľkosť natočenia nosníka (torzného ohybu) je pri pohybe vpravo a vľavo priamoúmerná trecej sile povrchu.
Postupným zatláčaním a zdvíhaním hrotu je zase podľa Ing. Milana Ťapajnu, PhD. možné mapovať jeho priľnavosť (adhéziu) k danému 2D materiálu.
„Získané poznatky využijeme pri výbere vhodného 2D materiálu a technológie jeho prípravy, ktorý bude v ďalšej fáze riešenia nanášaný na materiály reálne využívané v priemysle (ložisková a tvrdená oceľ, karbid volfrámu…). Intenzívne sa venujeme aj vývoju špeciálnych linkovacích a adhéznych vrstiev, ktoré zabezpečia dokonalú priľnavosť 2D materiálu na podložku. Optimálnu kombináciu materiálov nízkotrecieho povlaku chceme v budúcnosti testovať pomocou štandardných tribologických meraní, výsledkom ktorých je koeficient trenia a opotrebenia povlaku.“
Mapa trecích síl nameraná pomocou LFM na niekoľko-atomárnych vrstiev tenkom MoS2 nanesenom na hladký povrch zafíru pomocou sulfurizácie tenkej vrstvy Mo pripravenej magnetrónovým naprašovaním.
Na riešení projektu koordinovanom Centrom pre využitie pokročilých materiálov SAV spolupracujú s Fyzikálnym ústavom SAV (FÚ SAV), Elektrotechnickým ústavom SAV (ElÚ SAV) a Ústavom materiálov a mechaniky strojov SAV (UMMS SAV). Vedci sa opierajú najmä o existujúcu expertízu v oblasti technológie 2D materiálov, AFM mikroskopie (ElÚ SAV a FÚ SAV) a opracovania povrchu vybraných materiálov (UMMS SAV).
Oblasť nanotribológie
„V budúcnosti plánujeme rozšíriť výskum na ďalšie 2D materiály ako sú WS2, PtSe2, TiSe2 a iné. Treba povedať, že oblasť nanotribológie predstavuje v materiálovom výskume na Slovensku novú problematiku. Projekt si kladie za cieľ rozvinúť túto vednú disciplínu na vyššiu úroveň a prispieť k získaniu technologického know-how pre prípravu nízkotrecích povlakov na báze 2D materiálov a priblížiť tieto technológie priemyselným partnerom.“
Odborný garant textu a ilustrácie poskytol: Ing. Milan Ťapajna, PhD.
Spracovala: Slávka Cigáňová (Habrmanová), NCP VaT pri CVTI SR
Ilustračné foto: Pixabay.com /FreeCreativeStuff/
Uverejnila: VČ