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

材料科学 石墨 润滑油 润滑 复合材料 润滑性 摩擦学 碳纤维 湿度 干润滑剂 透射电子显微镜 吸附 化学工程 纳米技术 热力学 有机化学 化学 工程类 物理 复合数
作者
Carina Morstein,Andreas Klemenz,Martin Dienwiebel,Michael Moseler
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:13 (1) 被引量:38
标识
DOI:10.1038/s41467-022-33481-9
摘要

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.
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