Graphite lubrication mechanism under high mechanical load

Viele tribologische Extremanwendungen wie im Vakuum, in sauren Umgebungen, bei Hochtemperaturanwendungen oder unter hoher Last sind anspruchsvoll und führen oft zum Versagen herkömmlicher flüssiger Schmierstoffe wie Öle und Fette. Für diese Fälle stellen Festschmierstoffe wie Graphit eine exzellente Alternative dar. Trotz seiner frühen Entdeckung ist das Verständnis des Graphitschmiermechanismus weiterhin unvollständig. Zwei Modelle werden hierbei bis heute viel zitiert: das von Bragg postulierte, so genannte Deck-of-Card-Modell und das Adsorptionsmodell von Savage. Ersteres liefert keine eindeutige Erklärung zur Feuchtigkeitsabhängigkeit der Graphitschmierung und wurde experimentell widerlegt. Das Adsorptionsmodell von Savage bezieht die Wirkung der Wassermoleküle mit ein, wurde jedoch hauptsächlich auf atomar flachen Oberflächen oder für kleine Normalkräfte getestet. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung des Schmierungsmechanismus von Graphit als Festschmierstoff und die tiefgreifende Erforschung der möglichen Einflussgrößen. In dieser Arbeit wurden deshalb Mikrotribometer-Gleitexperimente im Kugel-Platte-Kontakt durchgeführt, um die Graphitschmierung vor allem unter hohen Flächenpressungen zu untersuchen. Als Proben dienen hierfür mittels eines Airbrush-Sprühverfahren graphitbeschichteten Eisenplatten. Erste Parameterstudien widmeten sich dem Einfluss von Normalkraft und Schichtdicke und zeigten eine starke Korrelation sowie niedrigste Reibung bei höchster Normalkraft und dünnster Schichtdicke. Die Substrat-Beschichtungs-Adhäsion hat hierbei einen limitierenden Einfluss auf die Schichtlebensdauer, weshalb die Substratrauigkeit graduell variiert und untersucht wurde. Eine gute Reibminderung sowie lange Lebensdauer konnten auf die Bildung einer dünnen Kohlenstoffschicht zurückgeführt werden, welche bei industrie-nahen Oberflächenrauheiten gebildet wurde. Ein weiterer wichtiger Aspekt dieser Arbeit war im Anschluss die eingehende Analyse der Feuchtigkeitsabhängigkeit auf die Graphitschmierung. Mittels Transmissionselektronenmikroskopie konnte die Umformung von Graphit in turbostratischen Kohlenstoff nachgewiesen werden und somit ein neuer, erweiterter Schmiermechanismus vorgeschlagen werden. Diese in-situ-Bildung des turbostratischen Kohlenstoffs an der Gleitfläche wurde sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Lasten beobachtet. Als letzter Aspekt wurde der Graphitschmierstoff unter Rollreibung getestet. Hierdurch konnte Korrelationen zur gewünschten Anwendung, einem Axialwälzlager, gezogen und wichtige Erkenntnisse gewonnen werden. Es wurde die Bildung eines dünnen Tribofilms auf dem Gegenkörper beobachtet und durch Raman-Spektroskopie bestätigt, welcher die tribologische Leistung der Graphitbeschichtung maßgeblich zu beeinflussen scheint

Humidity-dependent lubrication of highly loaded contacts by graphite and a structural transition to turbostratic carbon

Graphite represents a promising material for solid lubrication of highly loaded tribological contacts under extreme environmental conditions. At low loads, graphite’s lubricity depends on humidity. The adsorption model explains this by molecular water films on graphite leading to defect passivation and easy sliding of counter bodies. To explore the humidity dependence and validate the adsorption model for high loads, a commercial graphite solid lubricant is studied using microtribometry. Even at 1 GPa contact pressure, a high and low friction regime is observed - depending on humidity. Transmission electron microscopy reveals transformation of the polycrystalline graphite lubricant into turbostratic carbon after high and even after low load (50 MPa) sliding. Quantum molecular dynamics simulations relate high friction and wear to cold welding and shear-induced formation of turbostratic carbon, while low friction originates in molecular water films on surfaces. In this work, a generalized adsorption model including turbostratic carbon formation is suggested

Generating FAIR research data in experimental tribology

Solutions for the generation of FAIR (Findable, Accessible, Interoperable, and Reusable) data and metadata in experimental tribology are currently lacking. Nonetheless, FAIR data production is a promising path for implementing scalable data science techniques in tribology, which can lead to a deeper understanding of the phenomena that govern friction and wear. Missing community-wide data standards, and the reliance on custom workflows and equipment are some of the main challenges when it comes to adopting FAIR data practices. This paper, first, outlines a sample framework for scalable generation of FAIR data, and second, delivers a showcase FAIR data package for a pin-on-disk tribological experiment. The resulting curated data, consisting of 2,008 key-value pairs and 1,696 logical axioms, is the result of (1) the close collaboration with developers of a virtual research environment, (2) crowd-sourced controlled vocabulary, (3) ontology building, and (4) numerous – seemingly – small-scale digital tools. Thereby, this paper demonstrates a collection of scalable non-intrusive techniques that extend the life, reliability, and reusability of experimental tribological data beyond typical publication practices

Catalyst Development for Water/CO2 Co-electrolysis

Herein, we discuss recent research activities on the electrochemical water/CO2 co-electrolysis at the Department of Chemistry and Biochemistry of the University of Bern (Arenz and Broekmann research groups). For the electrochemical conversion of the greenhouse gas CO2 into products of higher value catalysts for two half-cell reactions need to be developed, i.e. catalysts for the reductive conversion of CO2 (CO2RR) as well as catalysts for the oxidative splitting of water (OER: Oxygen Evolution Reaction). In research, the catalysts are often investigated independently of each other as they can later easily be combined in a technical electrolysis cell. CO2RR catalysts consist of abundant materials such as copper and silver and thus mainly the product selectivity of the respective catalyst is in focus of the investigation. In contrast to that, OER catalysts (in acidic conditions) mainly consist of precious metals, e.g. Ir, and therefore the minimization of the catalytic current per gram Ir is of fundamental importance