Bebaue das blaue Land! Die „Materialien“ eines großen Landes nutzen, um den „tiefblauen Traum“ des Ozeans zu unterstützen

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Zhang Meiqi (Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Im November 2020 absolvierte das von chinesischen Wissenschaftlern eigenständig entwickelte bemannte Tauchboot „Fendouzhe“ erfolgreich einen 10.000 Meter tiefen Tauchgang im Marianengraben und enthüllte so nach und nach das Geheimnis des Ozeans.

Der "Struggler" füllt sich mit Wasser und taucht ab

(Bildquelle: Institut für Tiefseewissenschaft und -technik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Wie wir alle wissen, ist die Zusammensetzung von Meerwasser sehr komplex und enthält eine große Anzahl von Kationen wie Na+, K+, Ca2+, Mg2+ und Sr2+. Anionen wie Cl-, SO42-, Br-, HCO3- (CO32-) und F-. Zusätzlich zum enormen hydrostatischen Druck in der Tiefsee sind die beweglichen Kernteile des Tauchboots, die dem Meerwasser ausgesetzt sind , ernsthaften Verschleiß- und Korrosionsschäden ausgesetzt, die die Sicherheit des Tauchboots jederzeit gefährden . Schäden und Ausfälle von Bauteilen entstehen überwiegend an der Oberfläche und im Untergrund. Durch den Einsatz modernster Oberflächentechnik zum Auftragen einer magischen „Schicht“ auf wichtige bewegliche Komponenten lässt sich das Problem nicht aufzuhaltender Oberflächenschäden und -ausfälle wirksam lösen.

Derzeit werden im Wesentlichen drei Oberflächentechnologien eingesetzt. Eine davon ist die Beschichtungstechnologie wie das thermische Spritzen und die Galvanisierung . Aufgrund der schlechten Bindung mit dem Substrat, der rauen Oberfläche und der schwer kontrollierbaren Beschichtungsstruktur und -dicke sind sie jedoch nicht für Präzisions-Bewegungsteile von Tauchbooten geeignet. Die zweite Möglichkeit besteht darin, elektrochemische Methoden zum kathodischen Korrosionsschutz einzusetzen, also die Kathode durch externen Strom oder eine Opferanode zu schützen. Die dritte Methode ist die Beschichtungstechnologie der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD). Dabei handelt es sich um eine Modifikationstechnologie, bei der in einer geschlossenen Vakuumumgebung eine Plasma-Glimmentladung erzeugt wird, um auf dem Zielprodukt einen hochdichten, glatten Film zu bilden. Es bietet die Vorteile, dass es umweltfreundlich und schadstofffrei ist, eine niedrige Abscheidungstemperatur aufweist und breit anwendbar ist. Es kann die Härte, Korrosionsbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit wichtiger Komponenten deutlich verbessern und wird häufig in großen nationalen Geräten verwendet.

U-Boot in der Tiefsee

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Damit ein großes Land seine Schwermaschinen bauen kann, stehen die Materialien an erster Stelle! Nachdem Sie sich für die PVD-Oberflächenbeschichtungstechnologie entschieden haben, stellt sich die Frage, welches Material Sie zum Weben dieser robusten und integrierten Oberbekleidung wählen sollten?

Im Jahr 1971 gelang es Wissenschaftlern, amorphe Kohlenstofffilmmaterialien zu synthetisieren. Wenn es um amorphen Kohlenstoff geht, wissen Sie vielleicht nicht viel darüber, aber wenn es um Diamant und Graphit geht, sind Sie möglicherweise sehr vertraut damit.

Diamant und Graphit sind beides Kohlenstoffmaterialien, aber die Atomorbitale in der Mikrostruktur von Diamant sind sp^3-hybridisiert, während die Atomorbitale von Graphit sp^2-hybridisiert sind, was zu völlig unterschiedlichen Eigenschaften beider Materialien führt.

Amorphe Kohlenstoffmaterialien wie Graphit und Diamant gehören zur Kohlenstoff-Materialfamilie, sie verfügen jedoch sowohl über die hochharte sp^3-Hybridstruktur von Diamant als auch über die hochzähe sp^2-Hybridstruktur von Graphit und bieten die Vorteile hoher Härte, Reibungsfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Abhängig vom Orbitalhybridisierungsgehalt unterteilen Wissenschaftler es in Materialien wie diamantähnlichen Kohlenstoff (DLC, sp^3-Hybridisierungsgehalt größer als 50 %) und graphitähnlichen Kohlenstoff (GLC, sp^2-Hybridisierungsgehalt größer als 50 %). Im Vergleich zu den harten Bedingungen, die zur Herstellung von Diamanten erforderlich sind, wie z. B. hohe Temperaturen und hoher Druck, weisen amorphe Kohlenstoffmaterialien niedrige Herstellungstemperaturen auf und sind einfach herzustellen .

Schematische Darstellung des Graphitschichtaufbaus

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Schematische Darstellung der Diamantstruktur

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Seit der Entdeckung amorpher Kohlenstoffmaterialien ist zwar ein halbes Jahrhundert vergangen, doch aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften ist die Begeisterung der Wissenschaftler für diese Werkstoffe ungebrochen. Basierend auf unseren vorherigen Tiefsee-Hängeexperimenten war das Edelstahlmaterial beim Korrosionstest in einer Tiefseeumgebung von 5.000 Metern verrostet, aber der mit der PVD-Technologie hergestellte amorphe Kohlenstofffilm behielt weiterhin seine gute Leistung und die Oberfläche war so glänzend wie zuvor.

Mit amorphem Kohlenstoff geschützter Kolben in einem Tiefsee-Hydrauliksystem

(Bildquelle: Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Darüber hinaus finden amorphe Kohlenstoffmaterialien aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften auch in anderen Bereichen breite Anwendung. Beispielsweise weist es in Wasserstoff-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen als Schutzbeschichtung für Bipolarplatten eine gute Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf. Im medizinischen Bereich dient es aufgrund seiner guten tribologischen Eigenschaften und seiner hervorragenden Korrosionsbeständigkeit als Schutzbeschichtung für künstliche Gelenke.

Man geht davon aus, dass amorphe Kohlenstoffmaterialien in Zukunft Engpässe wie die Kontrolle der Schnittstelle zwischen Film und Substrat sowie die Verlängerung der Lebensdauer überwinden und in allen Lebensbereichen weiterhin glänzen werden.

Medizinische 3D-Knieprothese

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Der Akademiker Xue Qunki sagte: „Derzeit erlebt die Welt tiefgreifende Veränderungen, wie sie seit einem Jahrhundert nicht mehr zu beobachten waren, und der Ozean ist der wichtigste Bereich des internationalen Wettbewerbs. Von den nahen bis zu den fernen Meeren, von der Tiefsee bis zu den Polarregionen gibt es überall Herausforderungen.“ Die Tiefseeforschung wird als wichtiger Teil der Ozeanforschung die Innovation und Entwicklung des bemannten Tiefseetauchens meines Landes kontinuierlich vorantreiben, die Umsetzung der Strategie meines Landes zum Aufbau einer starken Seefahrtsnation unterstützen und unser nationales Selbstvertrauen und unseren Stolz erheblich stärken.