DE102010034108B4

DE102010034108B4 - Verfahren zur Herstellung von Nanographenschichten und -partikel und Schmierstoffe, die diese enthalten

Info

Publication number: DE102010034108B4
Application number: DE102010034108.8A
Authority: DE
Inventors: Xingcheng Xiao; Jean M. Dasch; Simon Chin-Yu Tung; Anil K. Sachdev
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-08-18
Filing date: 2010-08-12
Publication date: 2019-08-08
Anticipated expiration: 2030-08-13
Also published as: CN101993062A; US20110046026A1; CN101993062B; US8227386B2; DE102010034108A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Nanographenpartikeln aus mindestens einer Nanographenschicht, wobei das Verfahren umfasst:das Auswählen von X Kohlenwasserstoffvorläufer und Y Wasserstoffgas (H), so dass das Verhältnis von X/Y in einem Bereich von 0,5 bis 1 liegt, wobei der Kohlenwasserstoffvorläufer mindestens eines von CH, CHund CHumfasst, unddas Unterziehen des Kohlenwasserstoffvorläufers einer chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) unter Verwendung des Wasserstoffgases und von Argongas (Ar), wodurch i) der Kohlenwasserstoffvorläufer mit dem Wasserstoffgas und dem Argongas (Ar) gemäß der folgenden Reaktionsgleichung reagiert:wobei Z in einem Bereich von 5*(X+Y) bis 10*(X+Y) liegt und ii) der Kohlenwasserstoffvorläufer zerfällt und sich unter Bildung der mindestens einen Nanographenschicht selbst assembliert, undwobei das Bilden der Nanographenpartikel aus der mindestens einen Nanographenschicht ein Selbstkrümmen der mindestens einen Nanographenschicht durch Heraufsetzen der Strömungsgeschwindigkeit des Argongases und durch Herabsetzen der Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases umfasst, wodurch bewirkt wird, dass sich die mindestens eine Nanographenschicht selbst krümmt, um thermodynamisch instabile nichtpaarige Bindungen auf ihrer Oberfläche unter Bildung von C-C-Bindungen und unter Bildung der Nanographenpartikel zu verbinden.

Description

FACHGEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Nanographenschichten, Nanographenpartikel und Schmierstoffe, die Nanographenschichten oder -partikel enthalten.
HINTERGRUND
Das Gleiten und die Bewegung von Teilen in Herstellungsverfahren sowie in Antriebsstrang- und Getriebesystemen von Fahrzeugmotoren werden durch Berücksichtigung tribologischer Eigenschaften verbessert. Reibungsverringerung bei Bearbeitungsverfahren wird üblicherweise durch vollständiges Überspülen der bearbeiteten Oberfläche mit Metallbearbeitungsschmierstoffen erreicht, welche Reibung verringern und als Kühlmittel wirken. In den letzten Jahren wurde als Alternative zu solchen Überspülverfahren Minimalmengenschmierung (MMS) angewendet. MMS-Schmierstoffe enthalten üblicherweise einen Nebel eines ölbasierten Schmierstoffs in minimaler Menge anstelle der größeren Mengen, die bei herkömmlichen Bearbeitungsschmierstoffen angewendet werden.
In der US 2003 / 0 111 334 A1 wird das Bilden von Kohlenstoffnanoröhrchen durch Aufbringen eines Metallkatalysators auf Kohlenstoffpapier und das Darüberleiten eines Gases, das eine Kohlenstoffquelle enthält, über das Substrat offenbart, während ein elektrischer Strom angelegt wird, der das Substrat ausreichend erhitzt, um eine Reaktion zwischen dem Katalysator und dem Gas zu erzeugen.
In der US 2008 / 0 206 463 A1 wird ein CVD-Verfahren zum kontinuierlichen Wachsen von einschichtigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen offenbart, wobei ein Kohlenstoff-haltiges Gas mit einer porösen Membran in Kontakt gebracht wird und in Gegenwart eines Katalysators zersetzt wird.
In der US 2005 / 0 108 926 A1 werden Kraftstoff- und Schmiermittelzusammensetzungen enthaltend Kohlenstoff-Nanoröhrchen offenbart.
In der US 2009 / 0 047 520 A wird ein Graphen-Hybrid-Material und ein Verfahren zu seiner Herstellung offenbart. Das erhaltene Graphen-Hybrid-Material kann für Halbleiteranwendungen, Biosensoren, elektrochemische Elektroden und ähnliches verwendet werden.
In der US 2008 / 0 083 612 A1 werden ausgerichtete mehrschichtige Kohlenstoff-Nanoröhrchen offenbart, die auf beiden Seiten eines metallischen oder mit Metall beschichteten Substrats mit Hilfe von durch Wasserdampf unterstützter CVD erzeugt wurden.
Die US 2002 / 0 160 111 A1 betrifft die Herstellung von Feld-Emissions-Vorrichtungen, die einen Film aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Kathode verwenden.
ZUSAMMENFASSUNG
Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Nanographenpartikeln aus mindestens einer Nanographenschicht offenbart, wobei das Verfahren umfasst:

das Auswählen von X Kohlenwasserstoffvorläufer und Y Wasserstoffgas (H₂), so dass das Verhältnis von X/Y in einem Bereich von 0,5 bis 1 liegt, wobei der Kohlenwasserstoffvorläufer mindestens eines von CH₄, C₂H₂ und C₃H₈ umfasst, und
das Unterziehen des Kohlenwasserstoffvorläufers einer chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) unter Verwendung des Wasserstoffgases und von Argongas (Ar), wodurch i) der Kohlenwasserstoffvorläufer mit dem Wasserstoffgas und dem Argongas (Ar) gemäß der folgenden Reaktionsgleichung reagiert: X Kohlenwasserstoffvorläufer + Y H₂ + Z Ar → 2 X Graphen + (Y + 2 X) H₂ + Z Ar, wobei Z in einem Bereich von 5*(X+Y) bis 10*(X+Y) liegt und ii) der Kohlenwasserstoffvorläufer zerfällt und sich unter Bildung der mindestens einen Nanographenschicht selbst assembliert, und
wobei das Bilden der Nanographenpartikel aus der mindestens einen Nanographenschicht das Selbstkrümmen der mindestens einen Nanographenschicht durch Heraufsetzen der Strömungsgeschwindigkeit des Argongases und durch Herabsetzen der Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases umfasst, wodurch bewirkt wird, dass sich die mindestens eine Nanographenschicht selbst krümmt, um thermodynamisch instabile nichtpaarige Bindungen auf ihrer Oberfläche unter Bildung von C-C-Bindungen und unter Bildung der Nanographenpartikel zu verbinden.

Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines Schmierstoffs offenbart, wobei das Verfahren das Herstellen der Nanographenpartikel wie vorstehend erläutert sowie das Dispergieren der hergestellten Nanographenpartikel in einem Schmierstoff umfasst.
Figurenliste
Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung und der Zeichnungen deutlich, in denen sich gleiche Ziffern auf ähnliche, aber unter Umständen nicht identische Bestandteile beziehen. Der Kürze halber sind Referenzziffern oder Eigenschaften mit einer bereits beschriebenen Funktion unter Umständen in Verbindung mit weiteren Zeichnungen, in denen sie auftauchen, nicht beschrieben.

1 ist eine schematische Darstellung der chemischen Struktur einer Nanographenschicht,
2A und 2B sind Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen, die Nanographenschichten zeigen, welche durch das/die hier offenbarte(n) Verfahre(n) gebildet wurden,
3A und 3B sind rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen, die Nanographenschichten zeigen, welche durch das/die hier offenbarte(n) Verfahre(n) gebildet wurden,
4 ist ein Schaubild, in dem der Reibungskoeffizient (Y-Achse) gegen Umdrehungen (X-Achse) für einen Schmierstoff aufgetragen ist, der die hier offenbarten Nanographenpartikel enthält, und für einen Schmierstoff, der die hier offenbarten Nanographenpartikel nicht enthält,
5 ist ein Schaubild, in dem der durchschnittliche Reibungskoeffizient (Y-Achse) gegen die Zeit in Stunden (Y-Achse) für Schmierstoffe aufgetragen ist, die verschiedene Mengen der hier offenbarten Nanographenpartikel enthalten, und
6A und 6B zeigen „Reibungsspur“-Schaubilder für einen Schmierstoff, der keine der hier offenbarten Nanographenpartikel enthält (6A), und für einen Schmierstoff, der die hier offenbarten Nanographenpartikel enthält (6B).

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Obwohl Minimalmengenschmierungsverfahren (MMS-Verfahren) sehr erfolgreich sein können, können außergewöhnliche Bearbeitungsbedingungen unter anderem zu hoher thermischer Belastung führen, die durch gängige MMS-Schmierstoffe nicht ausgeglichen werden kann. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass durch Einarbeiten von Nanographen, (welches durch die hier offenbarten Ausführungsformen gebildet wird), in solche Schmierstoffe viele der negativen Wirkungen, die bei Verfahren auftreten, in denen MMS-Schmierstoffe allein angewendet werden, verringert oder verhindert werden können. Zum Beispiel verringern die hier offenbarten nanographenhaltigen Schmierstoffe vorteilhafterweise die bei Verfahren, bei denen übliche MMS-Schmierstoffe (d.h. ohne Nanographen) verwendet werden, typischerweise erforderliche Schleifkraft, verbessern die Oberflächenrauheit und Verschleißfestigkeit einer dem Schmierstoff ausgesetzten Oberfläche verglichen mit Oberflächen, die üblichen MMS-Schmierstoffen ausgesetzt sind, und verringern oder verhindern das Verbrennen eines Werkstücks, das sonst auftreten kann, wenn übliche MMS-Schmierstoffe verwendet werden.
Typischerweise wird mit „Graphen“ eine Einzelschicht aus Kohlenstoffatomen bezeichnet, die dicht in einer Benzolringstruktur gepackt sind, und der Begriff wird häufig verwendet, um die Eigenschaften vieler kohlenstoffbasierter Materialien einschließlich Graphit, größere Fullerene, Nanoröhren usw. zu beschreiben (z.B. werden Kohlenstoffnanoröhren gewöhnlich als Graphenblätter betrachtet, die zu nanometergroßen Zylindern aufgerollt sind).“ (Novoselov. K.S. et al., „Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films" Science 306, 666 (2004) doi:10.1126/ science.1102896.). Eine Graphenschicht liegt typischerweise in der Form eines Einzelschichtblatts mit einer Dicke im Nanometerbereich vor. Die typische chemische Struktur einer solchen Graphenschicht ist in der 1 abgebildet. Insbesondere zeigt diese Fig. die typische Nanographen-Einzelschicht, die eine Reihe hexagonaler Benzolringe umfasst, die in einer Einzelschicht miteinander verbunden sind.
In einer Ausführungsform des hier offenbarten Verfahrens wird mindestens eine Nanographenschicht gebildet, indem gasförmige Kohlenwasserstoffvorläufer der chemischen Gasabscheidung (CVD) unterzogen werden. Ganz allgemein zerfällt bzw. zerfallen während des Abscheidungsverfahrens der/die Kohlenwasserstoffvorläufer und selbst assemblieren unter Bildung der Nanographenschicht. Die Reaktion zwischen dem Kohlenwasserstoffvorläufer und weiteren Gasen läuft gemäß der folgenden chemischen Gleichung ab: X Kohlenwasserstoffvorläufer + Y H₂ + Z Ar → 2 X Graphen + (Y + 2 X) H₂ + Z Ar
Es wird davon ausgegangen, dass die Auswahl des Verhältnisses von Kohlenwasserstoffvorläufer zu Wasserstoffgas einen Einfluss auf die Bildung des Nanographens hat. In einer Ausführungsform liegt das Verhältnis X/Y in einem Bereich von 0,5 bis 1 und Z in einem Bereich von 5*(X+Y) bis 10*(X+Y). Das Auswählen der Menge des Vorläufers und der weiteren Gase innerhalb dieser Bereiche ermöglicht es, dass der Kohlenwasserstoffvorläufer zerfällt und sich unter Bildung der mindestens einen Nanographenschicht selbst assembliert.
In einer Ausführungsform reagieren und/oder zerfallen die Vorläufer auf der Oberfläche der CVD-Kammer oder auf einer Substratoberfläche und erzeugen so eine gewünschte Nanographenschicht oder -schichten. Es wird davon ausgegangen, dass in der bzw. den hier offenbarten Ausführungsform(en) Nanographenpartikel aus einer Einzelschicht oder aus mehreren Schichten des Nanographens hergestellt werden können. Die Dauer des Abscheidungsverfahrens ist einer der Faktoren, die bestimmen, wie viele Nanographenpartikel gewonnen werden können. Des Weiteren führen ein höheres Strömungsverhältnis des kohlenstoffhaltigen Vorläufers und eine niedrigere Wachstumstemperatur dazu, dass mehr Schichten der Graphen-Basisebenen zu einem einzigen Partikel erzeugt werden. Tatsächlich sind die durch das hier offenbarte Abscheidungsverfahren gebildeten Graphenprodukte alle in gewisser Weise Graphenschichten. Einige der Graphenschichten sind gebogen oder gekrümmt worden (was unten näher beschrieben wird) und weisen somit eine partikelartige Form auf. Diese Nanographenpartikel können mit einem zerknüllten Blatt Papier verglichen werden, dass, obwohl es ursprünglich wie eine ebene Schicht geformt ist, wie ein Ball geformt wird, wenn es zerknüllt wird.
Es wird davon ausgegangen, dass, wenn flüchtige Nebenprodukte zusammen mit der bzw. den Nanographenschicht(en) erzeugt werden, solche Nebenprodukte von der Nanographenschicht wegströmen können, während Gas durch die Reaktionskammer strömt. In einer Ausführungsform kann eines der Nebenprodukte zusätzliches Wasserstoffgas sein, das aus den zerfallenen Kohlenwasserstoffen (nicht einschränkende Beispiele hierfür umfassen CH₄, C₂H₂ oder C₃H₈) gebildet wird.
In einer Ausführungsform werden die Nanographenschichten unter Anwendung eines Mikrowellenplasma-CVD-Verfahrens erzeugt. Bei dieser Variante der CVD wird Plasma verwendet, um die Geschwindigkeit der chemischen Reaktion der Vorläufer zu erhöhen. Die erhöhte Reaktionsgeschwindigkeit ermöglicht es, dass die Abscheidung bei niedrigeren Temperaturen abläuft.
In einer anderen Ausführungsform werden solche Nanographenschichten durch Heißdraht-CVD erzeugt. Bei dieser Variante der CVD wird ein heißer Faden oder Draht verwendet, um den chemischen Zerfall der Ausgangsgase zu unterstützen.
In einer weiteren Ausführungsform und wie oben erwähnt wird die mindestens eine Nanographenschicht auf eine Substratoberfläche abgeschieden. Es wird davon ausgegangen, dass jedes geeignete Substrat verwendet werden kann, das bis zu ca. 900 °C (d.h. der maximalen Verarbeitungstemperatur für die verwendeten CVD-Verfahren) beständig ist. Es wird weiter davon ausgegangen, dass das Substrat dazu dient, die Nanographenpartikel bzw. -schichten während der Abscheidung zu sammeln, und somit jedes geeignete Substrat verwendet werden kann. Nicht einschränkende Beispiele für solche Substrate umfassen Siliziumdioxidscheiben, Substrate aus rostfreiem Stahl und Nickelsubstrate.
Die hierdurch entstandene(n) Nanographenschicht bzw. -schichten werden durch Selbstkrümmen der Nanographenschichten zu Partikeln geformt. Dies wird durch Heraufsetzen der Strömungsgeschwindigkeit des Argongases und durch Herabsetzen der Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases erreicht. Allgemein haben die Kanten der Graphen-Basisebenen viele nichtpaarige Bindungen, die thermodynamisch instabil sind. Die Anpassung der Ar- und der H₂-Strömungsgeschwindigkeiten bewirkt, dass sich die Basisebene selbst krümmt, so dass sich die nichtpaarigen Bindungen unter Bildung von C-C-Bindungen miteinander verbinden können. Diese Krümmung der Nanographenschicht(en) führt zur Bildung eines Partikels bzw. von Partikeln.
Die durch chemische Gasphasenabscheidung gebildete(n) Nanographenschicht(en) und -partikel können zur Verwendung in verschiedenen industriellen Anwendungen in Schmierstoffen dispergiert werden. Es wird davon ausgegangen, dass entweder die Schichten selbst oder die aus den Schichten gewonnenen Partikel in einen wünschenswerten Schmierstoff eingearbeitet werden können. Es wird angenommen, dass die Morphologie der Schichten oder Partikel sich, nachdem sie dem Schmierstoff zugesetzt wurden, nicht ändert. Die Menge des in dem Schmierstoff dispergierten Nanographens liegt in einem Bereich von ca. 0,05 Gewichtsprozent bis ca. 5 Gewichtsprozent. In einer anderen Ausführungsform liegt das Nanographen in einer Menge in einem Bereich von ca. 0,5 Gewichtsprozent bis ca. 1 Gewichtsprozent vor. Wenn Mengen als „ca. ein bestimmtes Gewichtsprozent“ angegeben werden, umfasst das „ca.“ allgemein ± 0,1 Gewichtsprozent. Nicht einschränkende Beispiele für solche Schmierstoffe umfassen MMS-Schmierstoffe, Kühlmittel, Kraftübertragungsschmierstoffe, Antriebsstrangsschmierstoffe usw. In einem Beispiel sind die Schmierstoffe pflanzliche Fettalkohole, pflanzliche Fettsäuren oder Mischungen daraus. In einem anderen Beispiel ist der Schmierstoff Acculube®-LB-2000. In einem weiteren Beispiel ist der Schmierstoff Shell® Oil Lubricant SAE 5W-30 SG-Klasse.
Die Eigenschaften des Graphens ermöglichen es, dass die Schicht(en) und/oder Partikel ohne die Anwendung zusätzlicher Dispergiermittel oder Lösungsmittel in solche Schmierstoffe eingearbeitet und darin geeignet dispergiert werden können. Es wird angenommen, dass das Nanographen ohne zusätzliche Dispergiermittel oder Lösungsmittel in dem Schmierstoff dispergiert, weil es die Wechselwirkung zwischen den Pi-Bindungen auf den Nanographenpartikeln oder Nanographenschichten und den funktionellen Gruppen in den Fettalkoholen bzw. Fettsäuren in den Schmierstoffen ermöglicht, dass die Dispersion leicht abläuft.
Die durch das hier offenbarte Verfahren gebildete(n) Nanographenschicht bzw. -partikel hat bzw. haben ein Elastizitätsmodul in einem Bereich von 0,9 bis 1,2 TPa, eine Bruchfestigkeit in einem Bereich von 90 bis 150 GPa und eine Wärmeleitfähigkeit in einem Bereich von 4,84 × 10³ bis 5,30 × 10³ Wm^-1K^-1 . In einer anderen Ausführungsform können die Nanographenschicht bzw. -partikel eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu 3,0 × 10³ Wm^-1K^-1 haben.
Die aus der/n Nanographenschicht(en) gebildeten Nanographenpartikel weisen dieselben Eigenschaften auf wie die Schichten, einschließlich beispielsweise der hohen Wärmeleitfähigkeit (bis zu 5.300 Wm^-1K^-1) und der oben dargelegten ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften. In einem Beispiel haben die einzelnen Partikel eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu 5.300 Wm^-1K^-1 für eine spezifische Oberfläche von bis zu ca. 3.000 m²/g (z.B. 2.675 m²/g).
Es wird angenommen, dass das angewendete CVD-Verfahren zu dem Vorhandensein dieser verbesserten Eigenschaften in den Nanographenpartikeln bzw. -schichten beiträgt. Die oben erörterten Eigenschaften, welche die Nanographenschicht(en) und -partikel aufweisen, können die industriellen Anwendungen, in denen sie verwendet werden, verbessern. Durch Einarbeiten der Nanographenschicht(en) (oder daraus gebildeter Partikel) in einen Schmierstoff, weist der Schmierstoff ebenfalls die wünschenswerten Eigenschaften des Nanographens auf. Als Ergebnis können in Anwendungen, in denen der nanographenhaltige Schmierstoff verwendet wird, das tribologische Verhalten und/oder die Werkzeugbeständigkeit verbessert werden. Tatsächlich haben, wie in den unten aufgeführten Beispielen gezeigt, tribologische Labortests unter Anwendung von MMS-Schmierstoffen mit Zusatz von (durch das hier offenbarte Verfahren gebildeten) Nanographenpartikeln verglichen mit herkömmlichen Metallbearbeitungsschmierstoffen, (die kein solches Nanographen enthalten), eine signifikante Verbesserung von tribologischem Verhalten und Werkzeugbeständigkeit gezeigt. Zum Beispiel kann das Anwenden der Schmierstoffe mit den Nanographenpartikeln bzw. -schichten darin mindestens eines von Reibung und Verschleiß verringern. Des Weiteren kann das Anwenden der Schmierstoffe mit den (Nanographen)partikeln bzw. -schichten darin außerdem die Wärmeleitfähigkeit der Oberfläche verbessern, auf die der Schmierstoff aufgebracht wird.
Es wird angenommen, dass, wenn die Nanographenschicht(en) und/oder -partikel als Zusatzstoff in andere Kühlmittel oder Kraftübertragungsschmierstoffe eingemischt werden, die Kühlleistung und das tribologisches Verhalten verbessert werden können, wenn solche Flüssigkeiten in dem Motor, in dem Getriebe und/oder in der Kraftübertragung verwendet werden. Aufgrund der niedrigeren Reibungs- und Verschleißeigenschaften können die hier offenbarten Nanographenpartikel auch herkömmlichen Antriebsstrangsschmierstoffen zugesetzt werden, um die Reibung und den Verschleiß in Fahrgestell- und Kraftübertragungssystemen zu verringern.
Um die Ausführungsform(en) der vorliegenden Offenbarung zusätzlich zu veranschaulichen, werden die folgenden Beispiele angeführt. Es wird davon ausgegangen, dass diese Beispiele dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nicht dahin auszulegen sind, dass sie den Schutzumfang von Ausführungsform(en) der vorliegenden Offenbarung einschränken.
BEISPIELE
Beispiel 1
In einem Mikrowellenplasma-CVD-Verfahren wurden geschichtete Nanographenpartikel erzeugt. In dem CVD-Verfahren wurde C₂H₂ mit 40 Standardkubikzentimetern pro Minute (sccm), H₂ mit 80 sccm und Ar mit 300 sccm eingesetzt. Die Temperatur des Verfahrens lag bei ca. 300 °C. 2A und 2B zeigen Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen von Nanographenschichten, die durch das oben beschriebene Mikrowellenplasma-CVD-Verfahren gebildet worden sind. 2A hat im Druck bei 7 Zoll eine 863.000-fache Vergrößerung und 2B hat im Druck bei 7 Zoll eine 3.450.000-fache Vergrößerung.
3A und 3B zeigen rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der Nanographenschichten, die durch das vorstehend beschriebene Mikrowellenplasma-CVD-Verfahren gebildet worden sind. 3A zeigt die Schichten in 25.000-facher Vergrößerung und 3B zeigt Schichten bei einer 100.000-fachen Vergrößerung.
Beispiel 2
Partikel aus den in dem Beispiel 1 gebildeten Nanographenschichten wurden anschließend in einem MMS-Schmierstoff, Accu-Lube® LB-2000 (ITW Rocol®, Nordamerika) dispergiert. Ein beispielhafter Schmierstoff enthielt 1 Gew.-% der Nanographenpartikel und ein anderer beispielhafter Schmierstoff enthielt 0,2 Gew.-% der Nanographenpartikel. Tribologische Labortests zeigten bei Anwendung des MMS-Schmierstoffs mit dem darin dispergierten Nanographen verglichen mit den herkömmlichen Metallbearbeitungsschmierstoffen ohne Nanographen eine signifikante Verbesserung von tribologischem Verhalten und Werkzeugbeständigkeit. Als Vergleichsbeispiel wurde der MMS-Schmierstoff ohne Nanographen (d.h. mit 0 Gew.-% Nanographenpartikeln) ebenfalls solchen Tests unterzogen.
Es wurde unter Verwendung eines Stifts aus einer Aluminiumlegierung A1319 eine Versuchsreihe durchgeführt, bei welcher der Stift gegen ein mit nanokristallinem Diamant beschichtetes Werkzeugmaterial reibte. Der Reibungskoeffizient wurde als eine Funktion der Umdrehungszahl des Stifts gemessen, wenn der oben beschriebene MMS-Schmierstoff (Accu-Lube® LB-2000) mit Nanographen (1 Gew.-%) eingesetzt wurde und wenn der MMS-Schmierstoff (Accu-Lube® LB-2000) ohne Nanographen eingesetzt wurde. 4 ist ein Schaubild der aus diesen Versuchen enthaltenen Daten. Speziell ist in 4 der Reibungskoeffizient (Y-Achse) gegen die Umdrehungen (X-Achse) aufgetragen. Wie abgebildet, ist der Reibungskoeffizient herabgesetzt, wenn das Nanographen in dem Schmierstoff enthalten ist.
Beispiel 3
Eine andere Versuchsreihe wurde mit einer Zylinderbohrung aus Gusseisen durchgeführt, die gegen einen Kolbenring reibte. Dieses Mal wurden die Versuche unter Anwendung von Shell® Oil Lubricant SAE 5W-30 SG-Klasse als dem MMS-Schmierstoff durchgeführt. Vergleichstests wurden anschließend mit dem MMS-Schmierstoff (d.h. Shell® Oil Lubricant SAE 5W-30 SG-Klasse) mit Nanographen darin durchgeführt sowie mit demselben Typ MMS-Schmierstoff (Shell® Oil Lubricant SAE 5W-30 SG-Klasse) ohne Nanographen darin. Der durchschnittliche Reibungskoeffizient wurde für den MMS-Schmierstoff mit 1 Gew.-% Nanographen, den MMS-Schmierstoff mit 0,2 Gew.-% Graphen und einen MMS-Schmierstoff mit 0% Graphen als eine Funktion der Zeit gemessen. Die 5 ist ein Schaubild der aus diesen Versuchen enthaltenen Daten. Speziell ist in der 5 der durchschnittliche Reibungskoeffizient (Y-Achse) gegen die Zeit (in Stunden, auf der X-Achse dargestellt) aufgetragen. Wie abgebildet, ist der Reibungskoeffizient über die Zeit für den Schmierstoff mit Nanographen niedriger als für das Vergleichsbeispiel, den Schmierstoff ohne Nanographen.
Die 6A und 6B zeigen „Reibungsspur“-Schaubilder für die mit Schmierstoff mit 0 Gew.-% Nanographen geschmierte Bohrung bzw. die mit Schmierstoff mit 1 Gew.-% Nanographen geschmierte Bohrung, die oben mit Bezug auf die Schaubilder in 5 beschrieben wurden. Sowohl in der 6A als auch in der 6B ist die getestete Fläche, nachdem sie dem in dem Schaubild in der 5 aufgetragenen Scheuertest unterzogen wurde, die „Reibungsspur“ links von der schwarzen Linie. Sowohl in der 6A als auch in der 6B ist die ursprüngliche Fläche vor dem Versuch als die „ursprüngliche Oberfläche wie gehont“ bezeichnet. Unterschiedliche Oberflächenhöhen in den „Reibungsschaubildern“ sind in einer von drei Farben, rot, grün, und blau, dargestellt. Die gemessenen spezifischen Höhenbereiche sind auf der Farbskala (mit roten, grünen und blauen Abschnitten) rechts neben jedem „Reibungsspur“-Schaubild in den 6A und 6B angegeben. Die 6A zeigt die Ergebnisse vor und nach dem Versuch unter Anwendung des Schmierstoffs ohne Nanographenpartikel. Dagegen zeigt die 6B die Ergebnisse vor und nach dem Versuch unter Anwendung des Schmierstoffs mit Nanographenpartikeln. Ra, wie in den beiden Fig. angegeben, gibt den Rauheitsgrad der Reibungsspur-Oberflächen an. Es ist deutlich, dass der Ra-Wert (und die Oberflächenhöhe in µm insgesamt in Bezug auf die Farbskala rechts von jedem Schaubild) für die „Reibungsspur“ in der 6B höher ist (Ra=345 nm) als für die „Reibungsspur“ in der 6A (Ra=274 nm). Dies weist darauf hin, dass das Einreiben der Oberfläche mit Schmierstoff, der die Nanographenpartikel enthält, dazu führte, dass während des Scheuertests weniger Material auf der Oberfläche abgenutzt wurden. Die verschiedenen Farben (rot, grün und blau) geben verschiedene Niveaus der Oberflächenhöhe an.
Obwohl mehrere Ausführungsformen ausführlich beschrieben wurden, ist es für Fachleute offensichtlich, dass die offenbarten Ausführungsformen modifiziert werden können. Daher ist die vorstehende Beschreibung als beispielhaft und nicht einschränkend zu betrachten.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Nanographenpartikeln aus mindestens einer Nanographenschicht, wobei das Verfahren umfasst: das Auswählen von X Kohlenwasserstoffvorläufer und Y Wasserstoffgas (H₂), so dass das Verhältnis von X/Y in einem Bereich von 0,5 bis 1 liegt, wobei der Kohlenwasserstoffvorläufer mindestens eines von CH₄, C₂H₂ und C₃H₈ umfasst, und das Unterziehen des Kohlenwasserstoffvorläufers einer chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) unter Verwendung des Wasserstoffgases und von Argongas (Ar), wodurch i) der Kohlenwasserstoffvorläufer mit dem Wasserstoffgas und dem Argongas (Ar) gemäß der folgenden Reaktionsgleichung reagiert: X Kohlenwasserstoffvorläufer + Y H₂ + Z Ar → 2 X Graphen + (Y + 2 X) H₂ + Z Ar, wobei Z in einem Bereich von 5*(X+Y) bis 10*(X+Y) liegt und ii) der Kohlenwasserstoffvorläufer zerfällt und sich unter Bildung der mindestens einen Nanographenschicht selbst assembliert, und wobei das Bilden der Nanographenpartikel aus der mindestens einen Nanographenschicht ein Selbstkrümmen der mindestens einen Nanographenschicht durch Heraufsetzen der Strömungsgeschwindigkeit des Argongases und durch Herabsetzen der Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases umfasst, wodurch bewirkt wird, dass sich die mindestens eine Nanographenschicht selbst krümmt, um thermodynamisch instabile nichtpaarige Bindungen auf ihrer Oberfläche unter Bildung von C-C-Bindungen und unter Bildung der Nanographenpartikel zu verbinden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Nanographenschicht auf einer Oberfläche eines Substrats, das sich in einer CVD-Kammer befindet, die zur Ausführung der chemischen Gasphasenabscheidung verwendet wird, abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Substrat bis mindestens 900 °C beständig ist.
Verfahren nach Anspruch 1, welches außerdem das Verringern von mindestens einem von Reibung und Verschleiß einer Oberfläche und das Verbessern der Wärmeleitfähigkeit der Oberfläche durch: Abscheiden einer vorbestimmten Menge der mindestens einen Nanographenschicht in einen Schmierstoff, wobei die vorbestimmte Menge in einem Bereich von ca. 0,05 Gewichtsprozent bis ca. 5 Gewichtsprozent liegt, und Anwenden des Schmierstoffs angrenzend an die Oberfläche umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die chemische Gasphasenabscheidung Plasma-CVD, Heißdraht-CVD oder eine Mischung daraus ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Nanographenschicht ein Elastizitätsmodul in einem Bereich von 0,9 bis 1,2 TPa, eine Bruchfestigkeit in einem Bereich von 90 bis 150 GPa und eine Wärmeleitfähigkeit in einem Bereich von 4,84 × 10³ bis 5,30 × 10³ Wm^-1K^-1 aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Schmierstoffs, umfassend das Herstellen von Nanographenpartikeln gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, und das Dispergieren der hergestellten Nanographenpartikel in einem Schmierstoff.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Dispergieren der Nanographenpartikel in dem Schmierstoff ohne ein Dispergiermittel oder ein zusätzliches Lösungsmittel erreicht wird.