Atomistische Simulation der Materialmodifikation durch die Kohlenstoffallotrope Graphen und Kohlenstoffnanoröhren

Thema dieser Arbeit ist der Einfluss der Kohlenstoffallotrope Graphen und Kohlenstoffnanoröhren (engl. Carbon Nanotubes, CNTs) auf metallische Werkstoffe. Sowohl Graphen, als auch CNTs haben eine ganze Reihe herausragender Eigenschaften, wie beispielsweise ungewöhnlich hohe Reißfestigkeiten und Elastizitätsmodule, sowie ungewöhnlich hohe thermische Leitfähigkeiten. Da viele der grundlegenden Mechanismen, die das Zusammenspiel von Graphen und CNTs mit etablierten Werkstoffen bestimmen derzeit nur unzureichend erforscht sind, erweist es sich in der Praxis als außerordentlich schwierig, diese Eigenschaften für technische Anwendungen nutzbar zu machen. Ziel der Arbeit ist es daher, die Möglichkeiten, aber auch die Grenzen auszuloten, die sich beim Zusammenwirken von Graphen und CNTs mit Metallen ergeben. Bei Graphen liegt das Hauptaugenmerk auf seiner außergewöhnlich hohen Reißfestigkeit. Es wird mit Hilfe atomistischer Simulationen von Nanoindentations- und Kratzexperimenten untersucht, inwieweit und über welche Mechanismen auf weichen Metalloberflächen adsorbiertes Graphen die Reibung und den Verschleiß der Oberfläche verändert. Es stellt sich heraus, dass die Bedeckung eines Metalls mit Graphen effektiv zu einer Glättung der Oberfläche eines eindringenden Indenters führt, was den Bereich rein elastischer Verformung des Substrats im Fall rauer Indenter in die Nähe des idealen Hertzschen Verhaltens rückt. Bis zum Zerreißen des Graphens sind deutlich höhere Kräfte erforderlich um einen Indenter eine gewisse Strecke in das Material zu drücken, danach nähert sich das Verhalten des Systems dem des graphenfreien an. Beim Kratzen über die Oberflächen zeigen sowohl die graphenbedeckten, als auch die unbedeckten Metalloberflächen nahezu verschwindende Reibung, solange sich die Substrate nur elastisch verformen. Da dieser Bereich durch eine Graphenschicht auf der Oberfläche deutlich ausgedehnt wird, wird auf graphenbedeckten Oberflächen über einen größeren Bereich nahezu keine Reibung beobachtet. Sobald sich die Substrate plastisch verformen steigt auch die Reibung, liegt jedoch deutlich unter der auf unbedeckten Oberflächen. Ist das Graphen zerrissen, so stellt sich beim Kratzen ein ähnliches Verhalten wie im unbedeckten Fall ein. Das Kratzen eines Nanoindenters über eine Metalloberfläche kann als Modell für einen Reibkontakt zwischen der Oberfläche und einer Rauheitsspitze eines steifen Gegenkörpers angesehen werden. Die Ergebnisse legen daher eine deutliche Reduktion von Reibung und Verschleiß durch die Bedeckung von Metalloberflächen mit Graphen nahe. Bei Kohlenstoffnanoröhren stehen die Wärmeleitungseigenschaften im Fokus. In vielen Anwendungen, wie beispielsweise der Kühlung mikroelektronischer Bauteile, sind Materialien mit hohen Wärmeleitfähigkeiten erforderlich. Ein Ansatz zur Erhöhung der Leitfähigkeit gängiger Werkstoffe besteht in der Beimischung von CNTs. Bei Kunststoffen wurden auf diese Weise bereits einige Erfolge erzielt, zur Herstellung von Kühlkörpern und Wärmetauschern werden in der Regel jedoch Metalle eingesetzt, für die der Nachweis der Umsetzbarkeit derzeit noch aussteht. In dieser Arbeit werden daher mit Hilfe von Molekulardynamik"=Simulationen die Wärmeleitungseigenschaften ein- und zweiwandiger CNTs mit auf den Oberflächen adsorbierten Fremdatomen untersucht. Es zeigt sich, dass bereits eine geringe Menge Fremdatome auf der Oberfläche die Wärmeleitung einer einwandigen CNT deutlich reduziert. Bei zweiwandigen CNTs ist die innere Wand nur durch schwache van der Waals Wechselwirkungen an die äußere gekoppelt. Sie wird daher von Adsorbaten auf der äußeren Wand kaum beeinflusst, ihre hohe Leitfähigkeit bleibt erhalten. Auf der Basis der gewonnenen Erkenntnisse werden Kontinuumsmodelle aufgestellt um die Wärmeleitung in CNT-basierten Kompositen zu beschrieben. Dabei stellt sich heraus, dass mehrwandige CNTs verwendet werden müssen um eine hohe Leitfähigkeit des Komposits zu erreichen. Weiterhin muss Wärme direkt in die inneren Wände eingekoppelt werden, da der Wärmetransport durch den Bereich zwischen den CNT-Wänden sehr schwach ist. Die Ergebnisse zeigen somit, dass eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit eines CNT-Metall Komposits gegenüber dem reinen Metall nur mit einer gezielten Verarbeitung der CNTs erzielt werden kann.

The influence of graphene and carbon nanotubes (CNTs) on metals is investigated in this work. Both, graphene and CNTs have a number of remarkable properties like exceptionally high tensile strengths and elastic moduli or high thermal conductivities. Since the mechanisms that govern the interplay between graphene or CNTs and standard engineering materials are not completely understood yet, it is difficult to take advantage of these properties in technical applications. Therefore the main objective of this work is to explore the possibilities and the limits that result from the interplay between graphene and metals. Graphene is investigated because of its high tensile strength. Atomistic simulations of nanoindentation and nanoscratch processes are carried out in order to explore the influence of adsorbed graphene on friction and wear of soft surfaces. It turns out that graphene effectively smoothens the surface of an indenter that penetrates the surface of a material. In case of rough indenters and purely elastic substrate deformation, this effect leads to a behavior that is similar to Hertz's law. As long as the graphene layer has not ruptured, considerably higher forces are necessary to indent the substrate. After graphene rupture, the graphene covered substrate behaves like a bare substrate. Friction on the surface almost vanishes as long as the substrate deformation is purely elastic. Since this regime is extended by a graphene layer on top of the surface, a larger regime of almost frictionless sliding is observed on graphene covered substrates. Friction increases when the substrate deforms plastically. Also in this regime, friction is significantly smaller if the substrate is covered with graphene. When the indenter slides over a substrate that is covered with a ruptured graphene layer, a behavior similar to that of a bare substrate is observed. Sliding of a stiff nanoindenter over a metallic surface can be regarded as a model for a sliding contact between the surface and a single asperity of a stiff material. The results imply a considerable reduction of friction and wear of metal surfaces by graphene. Carbon nanotubes are investigated because of their thermal transport properties. Many applications like cooling of microelectronic devices require materials with high thermal conductivities. One approach to increase the conductivity is the production of composites with CNTs. Some studies report increased thermal conductivities of composites with plastic matrices. Heatsinks and heatspreaders usually consist of metals and an increase of the thermal conductivities of metal matrix composites with CNTs has not been demonstrated yet. Molecular dynamics simulations are used in this work in order to investigate single and double wall CNTs with metallic adatoms on their surfaces. The inner and outer walls of double wall CNTs are coupled by weak van der Waals interactions. Therefore, adatoms on the outer walls have virtually no influence on the inner walls and their high thermal conductivity is preserved. Based on these results, continuum models for CNT based composites are constructed. It turns out that multiwall CNTs must be used to increase the thermal conductivity of a metal. Inner walls should be directly coupled to the matrix since the heat transport between the walls is very weak. The results show that it is in general possible to increase the thermal conductivity of a metal matrix composite compared to the pure matrix material, but special processing of the CNTs is necessary.