Témata
Zdroj: FEL ČVUT

Cesta k extrémně nízkému tření

Problémy vznikající třením se řeší od nepaměti. Ke snížení tření se nejčastěji používají nejrůznější lubrikanty. Ty však mají své limity. Jako alternativa se nabízejí tzv. samomazné povlaky v podobě tenkých vrstev připravených elektrotechnicky či pomocí plazmových technik.

Prof. Tomáš Polcar

Vystudoval obor energetiky na Fakultě strojní ČVUT v Praze a pokračoval tamtéž v doktorandském studiu v oboru matematického a fyzikálního inženýrství. Po získání doktorátu v roce 2005 pracoval jako výzkumník na Universida de de Coimbra v Portugalsku. V roce 2009 se vrátil na ČVUT, tentokrát na Fakultu elektrotechnickou, a založil Skupinu pokročilých materiálů. V roce 2011 rozdělil své aktivity mezi ČVUT (jmenován profesorem v roce 2015) a University of Southampton ve Velké Británii (chair v roce 2016). Jeho výzkum se zaměřuje na problematiku tenkých povlaků připravovaných magnetronovým naprašováním, tribologii a vývoj nových nanostrukturních slitin. Získal řadu mezinárodních (koordinátor dvou projektů H2020, celkem 6 projektů EU) i národních (OPVVV, GAČR, TAČR, MPO) projektů ve výši přesahujících 300 milionů korun. V roce 2014 založil start-up ČVUT AdvaMat.

Reklama

Tření a s ním spojená ztráta energie mají významný dopad na společnost. Odhaduje se, že energie potřebná k překonání tření spolu s příslušnými náklady na údržbu činí až 5 % HDP. Většina energie se přemění na teplo, což má za následek nežádoucí změny povrchu, jako jsou oxidace a změna mechanických vlastností materiálů. Kromě toho je vysoké tření často spojeno s opotřebením, které nezřídka vede ke snížení životnosti a druhotným nežádoucím efektům, jako vibracím či produkci otěrových částic. Běžným způsobem, jak snížit tření, je použití maziv. Koeficient tření tradičních technických materiálů, např. oceli či keramiky, je obvykle vyšší než 0,5 pro tření za sucha, ale nižší než 0,1 pro mazaný kontakt. Tekutá maziva mají však své limity – nemohou pracovat v extrémních podmínkách, jako jsou velmi nízká či naopak vysoká teplota, vakuum, velká změna kontaktních tlaků apod. Standardní oleje se navíc vyrábějí z ropných produktů a mnohdy obsahují toxické chemikálie se značným dopadem na životní prostředí. Jako alternativa se v posledních letech nabízejí samomazné povlaky, které buď úplně eliminují tekuté lubrikanty, nebo alespoň nahradí toxická aditiva v olejích. Tyto povlaky jsou vytvářeny v podobě tenkých vrstev připravených elektrochemicky či pomocí plazmových technik.

Reklama
Reklama

Existuje široká škála pevných materiálů vykazujících nízké tření, například polymery jako teflon. Ty však selhávají za vyšších teplot, což se projevuje nedostatečnou odolností proti otěru. Pro teploty v rozmezí –150 °C až 250 °C simulace tření na atomární úrovni označují za hlavní kandidáty s dostatečnými mechanickými vlastnostmi uhlík a disulfidy či diselenidy přechodových kovů (nejpoužívanější je disulfid molybdenu – MoS2). Princip nízkého tření u těchto materiálů je obdobný díky vysoce anizotropní vrstvené struktuře s velmi slabou vazbou mezi vrstvami. Mimochodem, díky nízkému tření grafitu můžeme snadno psát tužkou a asi nás ani nenapadne, že po sobě kloužou nízkodimenzionální uhlíkové struktury. Pouhé dva plátky grafenu už mohou v jistých případech zajistit superlubricitu. Provedené simulace doplněné experimenty navíc naznačují, že kombinace různých dvojrozměrných materiálů, například MoS2 a grafenu, může součinitel tření snížit až na jednu miliontinu. To možná nezní atraktivně, ale s tak malým třením bychom stotunovou sochu odtlačili jedním prstem.

Formy jsou jednou z potenciálních aplikací samomazných vrstev. (Zdroj: FEL ČVUT)

Proč tedy nejsou samomazné materiály používány více?

Dvojrozměrné materiály jsou sice atraktivní pro výzkum a pro velmi specifické aplikace, jako jsou mikroelektromechanické systémy – MEMS –, těžko je však aplikovat na broušený nebo leštěný povrch. Navíc je jejich příprava velmi drahá a energeticky náročná. Testují se i jako přísada do olejů, kde mohou nahradit stávající aditiva, i zde se však jedná spíše o testování než o běžný provoz. Běžné krystalky grafitu či MoS2 nemají dostatečnou odolnost vůči otěru; výše zmíněná tuha sice dobře maže, ale lze ji lehce setřít. Oba typy materiálů jsou citlivé na vnější prostředí, kdy například MoS2 snadno oxiduje. Je tedy nutné připravit takový materiál, který by dodal do kontaktu pevné mazivo a zároveň vydržel mechanické namáhání.

MoS2 v kombinaci s grafitem dokáže téměř eliminovat tření. (Zdroj: FEL ČVUT)

Nejvhodnější kandidáti

Uhlíkové vrstvy (DLC – diamond-like carbon) jsou dnes nejpoužívanějším povlakem s nízkým třením. Najdeme je v automobilovém průmyslu, v hodinkách i na nožích. Jejich hlavní předností je vysoká tvrdost a houževnatost, relativně snadná příprava a chemická stabilita. Nejlépe mažou ve vlhkém vzduchu, kdy se na povrchu vytvoří tenká grafitická vrstvička a zároveň dojde k saturování volných vazeb uhlíku vodíkem. Ve vakuu, v suchých plynech a za vyšší teploty však jejich součinitel tření obvykle narůstá; výjimkou jsou povlaky s velmi vysokým obsahem vodíku, které jsou však velmi měkké a nestabilní i za nižších teplot. Klasické DLC vrstvy mají součinitel tření pro kontakt se standardními materiály, např. ocelí, okolo 0,1, což je o dva řády výše než limit pro superlubricitu (součinitel tření za sucha nižší než 0,001).

Jako poslední kandidáti tak zbývají dichalkogenidy. Stejně jako DLC vrstvy i tyto lze připravit pomocí plazmových metod, nejčastěji magnetronovým naprašováním. Nedostatečné mechanické vlastnosti se pak výrazně zvýší díky použití dopantů – například vrstvy MoS2 dopované titanem byly uvedeny na trh již před dvaceti lety firmou Teer ve Velké Británii a stále se používají. Bohužel se ukázalo, že tyto materiály sice výborně fungují ve vakuu, ale často selhávají v běžné atmosféře. Není proto překvapivé, že se výzkum po čase zaměřil i na kombinaci DLC vrstev, které mají nízké tření ve vlhkém vzduchu, a dichalkogenidy. První výsledky skupin v USA však nebyly jednoznačné – otěr vrstev byl vysoký a způsob přípravy vrstev neekonomický.

Převod aktuátoru pro L-39NG povlakovaný samomaznou vrstvou. (Zdroj: FEL ČVUT)

Další výzkum, který vedla hlavně Skupina pokročilých materiálů na Fakultě elektrotechnické na ČVUT v Praze, však postupně odstraňoval výše uvedené nedostatky. WS2-C vrstvy dosáhly tvrdosti až 10 GPa, což odpovídá úrovni nejtvrdších ocelí, a snesly velmi vysoké zatížení. Třecí součinitel MoSe2-C klesl až na 0,005, tedy na samou hranici superlubricity. Tyto vrstvy jsou vlastně adaptivní – teprve třením se z nich stane dokonalý samomazný materiál. V počáteční fázi kontaktu dojde ke zformování nesmírně tenké (několik jednotek až desítek nanometrů) povrchové vrstvičky, která se skládá výhradně z krystalického dichalkogenidu. Ta nejenže zajistí nízké tření, ale chrání povrch i proti oxidaci a mechanickému poškozeni. Postupně se podařilo experimentálně určit, který TMD materiál je nejvhodnější pro různé podmínky – WS2 je vhodný i pro vyšší teploty (cca 300 °C), MoS2 nejlépe maže ve vakuu a suchém vzduchu, kdežto MoSe2 je optimální pro tření ve vlhkém vzduchu. Tyto experimentálně dosažené výsledky nyní doplňují atomistické simulace chování těchto materiálů za různých podmínek. Můžeme tak predikovat, jaký typ TMD je optimální ke snížení tření za daných podmínek.

Mikrostruktury s trojicemi drážek hlubokých 650 nm přímo v tenké vrstvě. (Zdroj: FEL ČVUT)

Samomazné povlaky do praxe

Výzkum se postupně přesouvá do vývoje. Základní výzkum hrazený z projektů GAČR a EU pokračuje aplikovaným vývojem ve spojení s evropskými (EU projekt Lubricoat) i českými průmyslovými partnery (projekt Nano, CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_026/0008396). V posledně jmenovaném se spojil FEL ČVUT s firmami Hofmeister a Šlechta. Společně se snažíme co nejrychleji přesunout slibné samomazné povlaky do průmyslové praxe. Některé vrstvy už byly komerčně nasazeny ve spolupráci s dalšími českými podniky, například v aktuátorech pro bojová letadla L-39NG vyráběných firmou Jihlavan. Nyní stojíme před novou výzvou – tepelným namáháním při tření. Klasické mazivo kromě snížení tření také odvádí teplo z třecího kontaktu, což je mnohem efektivnější než chlazení na vzduchu. Samomazné vrstvy se i přes nízké tření mohou zahřívat a postupně degenerovat. S firmou Hofmeister tak studujeme možnosti laserového mikrostrukturování povrchu, které umožní efektivní chlazení. Unikátní je přímá úprava již deponovaných povlaků, kdy úběr materiálu může činit jen desítky nanometrů v povlaku. Firma Šlechta, zabývající se magnetronovým naprašováním, pak vylepšuje uhlíkovou fázi tak, abychom dosáhli optimálních hodnot tvrdosti a houževnatosti.

Dosavadní slibné výsledky a úspěšné aplikace (vrstvy testovala i US Army) naznačují, že se v brzké době na trhu objeví nový povlak schopný v mnoha případech omezit či zcela eliminovat použití olejů či vazelín.

Související články
Závěrečné oponentní řízení CK-SVT

V dubnu 2012 byl na půdě Fakulty strojní ČVUT v Praze oficiálně zahájen osmi letý projekt Centrum kompetence - Strojírenská výrobní technika v rámci dotačního programu Technologické agentury ČR. Projekt byl úspěšně ukončen ke konci roku 2019 a v červnu 2020 proběhlo Závěrečné oponentní řízení ve firmě TOS Varnsdorf, jednoho ze spoluřešitelů.

Podpory výzkumu, inovací a podnikání

Vývoj hospodářství v Evropě je v posledních letech charakterizován četnými ekonomickými problémy (finanční krize, dluhová krize), které ve svých důsledcích znamenají stagnaci či jen křehké oživení. Většina evropských ekonomik si uvědomuje, že disproporci mezi disponibilními kapacitami a místní poptávkou může dlouhodobě řešit pouze exportem.

Úspěšný vývoj technologií pro zpracování termoplastových kompozitů

Konstruktéři tlačení požadavky na nižší hmotnost a lepší parametry svých konstrukcí stále více neváhají využít ve svých návrzích materiály, které byly dříve vyhrazeny pouze pro nejnáročnější high-tech aplikace. Díky tomu roste také poptávka po nenáročných výrobních technologií na výrobu konkrétního dílce z určitého materiálu.

Související články
Další ročník Akademicko-průmyslového fóra

Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně přikládá spolupráci s průmyslovou praxí velkou váhu a mimo jiné již několik let po sobě pořadá Akademicko-průmyslové forum (APF). Na toto setkání jsou pravidelně zváni představitelé jihomoravských firem, aby společně se zástupci fakulty nacházeli společnou řeč pro vzájemný efektivní dialog vedoucí k upevnění vazeb mezi univerzitou a praxí. Značný důraz ze strany organizátorů je kladen na zmapování nedostatků, které firmy spatřují ve spolupráci s nimi.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Válka technologií a myšlení v krabici

Strategické myšlení předchází strategickému řízení, které je jen nástrojem. Bez skvělého strategického myšlení (proč a kam jdeme) nemůže být skvělé strategické řízení. Poučíme se z minulosti i ze slabých signálů budoucích trendů?

Od vydavatelství po startupy

Jiří Hlavenka není pro mnoho lidí neznámou osobností. Jde o člověka, který stál u zrodu vyda-vatelství i nakladatelství Computer Press a později i u prvního interaktivního webu o počítačích a počítačových technologiích, kde se neznalci mnohdy dozvěděli i odpověď na svou otázku. Jiří Hlavenka se ale v současné době věnuje investování do projektů, které mají smysl, a tak jeho jméno figuruje především u webu Kiwi.com, který vám najde - třeba i na poslední chvíli - nejlepší a nejlevnější letecké spojení kamkoli. Někdy může let po více "mezidestinacích" sice trvat déle, ale vždy se můžete spolehnout na to, že doletíte tam, kam jste si vysnili nebo kam potřebujete dolétnout.

Elektromobilita pro energetickou nezávislost

Téměř veškeré hlavní fosilní zdroje energie planety – ropa nebo uhlí, se nacházejí v nějak problematických oblastech, ať už místem, nebo politicky, či ekonomicky, a závislost na nich je snadno zneužitelná. Proto je snaha o energetickou samostatnost tak strategicky důležitá pro celou Evropu.

Jak vytvořit draka

Už několikrát jsme v našem časopise představili formule, které jsou dílem studentů českých technických univerzit. Mezi nimi rozhodně nesmí chybět ta, která spatřila světlo světa na VUT v Brně – dravý i elegantní Dragon 9.

Více propojujme vysoké školy s praxí

Profesor Jaroslav Kopáček patří zcela bez pochyb mezi nestory oboru hydrauliky a pneumatiky v naší zemi ve druhé polovině 20. století, a proto mu byla na Mezinárodním strojírenském veletrhu 2019 v Brně udělena po zásluze Zlatá medaile za celoživotní tvůrčí technickou práci a inovační činy. Při příležitosti ocenění práce pana profesora jsme připravili malý medailonek tohoto skromného a entuziastického člověka. Pan profesor nám při této příležitosti sdělil i několik svých zajímavých postřehů.

Pod dvou letech opět na EMO do Hannoveru

Od 16. do 21. září 2019 se uskuteční 22. ročník největšího světového veletrhu zpracování kovů EMO. Megaakce se koná opět v Německu, které je po Číně a USA třetím největším trhem obráběcích strojů na světě. Veletrhu se účastní téměř 2 100 vystavovatelů ze 47 zemí světa. Z České republiky se očekává účast 28 firem na ploše necelých 1 700 m2. Na minulý veletrh v roce 2017 přijelo do Hannoveru z České republiky přes 2 200 odborníků.

Prognózovat vývoj ekonomiky by bylo jednodušší, kdyby šlo jen o ekonomiku, říká ekonom Miroslav Zámečník

Složitá geopolitická situace natolik ovlivňuje ekonomické světové dění, že s jistotou prognózovat vývoj české ekonomiky není jednoduché. Klasické spouštěče, které ohlašují krizi, nefungují. Kdo dnes v recesi uspěje, proč je ČR pořád pro zahraniční investory zajímavá a která firma se budoucnosti bát nemusí? To jsou témata, nad kterými redakce MM Průmyslového spektra diskutovala s hlavním analytikem České bankovní asociace Miroslavem Zámečníkem.

Fórum děkanů strojních fakult

Uveďte prosím stěžejní exponát, který bude vaše fakulta na MSV v Brně prezentovat a proč se škola rozhodla právě pro něj?

CIMT Peking, Část 1. Obecný pohled

V předvelikonočním týdnu se v Pekingu uskutečnil veletrh obráběcích strojů CIMT 2019. V asijském regionu se jedná o obdobu veletrhu EMO Hannover. A stejně jako EMO je velkou měrou národní výstava německé výrobní techniky, tak CIMT je převážně čínský. V tomto prvním vstupu se podíváme na letošní ročník trochu s odstupem, aniž bychom se zaměřili na konkrétní exponáty.

Fórum děkanů strojních fakult

Na základě čeho definujete kompetenční znalosti absolventů příslušných studijních programů vaší fakulty? Spolupracujete při tom např. se zástupci výrobní praxe v kontextu konkrétních požadavků uplatnění v daných oborech profesích? 

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit