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Einfluss von Nanopartikeln auf Reibung, Verschleiß und Transferfilmbildung von Polymermatrix-Verbundwerkstoffen

Antragsteller Dr.-Ing. Bernd Wetzel, seit 6/2014; Dr.-Ing. Werner Österle
Fachliche Zuordnung Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe
Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
Förderung Förderung von 2013 bis 2015
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 239202229
 
Erstellungsjahr 2016

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des Projekts war, durch systematische Untersuchungen die Voraussetzungen und ursächlichen Zusammenhänge für die Erweiterung des Einsatzgebiets von Gleitpaarungen für Anwendungen der Trockenreibung von neu entwickelten Polymermatrix-Verbundwerkstoffen gegen Stahl zu erforschen. Der Basiswerkstoff bestehend aus Epoxidharz mit 10% Kohlenstoff-Kurzfasern (SCF) und 8% Graphit (alle Prozentangaben in Volumenanteilen) zeigte nur bis zu einem Belastungsgrad von pv = 1 MPa m/s gutes Reibungs- und Verschleißverhalten (p: Normaldruck, v: Gleitgeschwindigkeit). Eine Erweiterung des Einsatzgebiets dieses konventionellen Verbundwerkstoffs bis mindestens pv = 24 MPa m/s konnte durch Zugabe von Siliziumoxid-Nanopartikel (SNP) erreicht werden. Dieses neu entwickelte Material wurde als Hybrid bezeichnet. Obwohl bereits 0,05 % SNP ausreichen, um langfristig einen niedrigen Reibungskoeffizienten (COF) zu erreichen, sind mindestens 1 % SNP erforderlich, um lange Einlaufzeiten zu vermeiden. Ferner konnte gezeigt werden, dass eine Graphitzugabe nicht erforderlich ist, um die gewünschten guten Eigenschaften des Hybridmaterials zu erreichen. Durch eine genaue Untersuchung der unter verschiedenen Bedingungen gebildeten Tribofilme mittels analytischer Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) konnten mögliche Ursachen für das vorteilhafte Verhalten der Hybrid-Stahl-Paarung unter harschen Beanspruchungsbedingungen identifiziert werden. Offenbar werden unter Bedingungen pv > 1 die SNP aus ihrer Epoxidharzbindung gelöst und können dann einen Transferfilm an der Stahloberfläche bilden, welcher die Scheibe vor weiterer Oxidation schützt und dadurch auch den abrasiven Verschleiß des Polymermaterials begrenzt. Es konnten, je nach Beanspruchbedingungen, drei Typen von Tribofilmausbildung bei dem neu entwickelten Hybridmaterial unterschieden werden. Bei pv < 1 wurde ein Polymerfilm beobachtet, der noch SNP enthält. Etwa im pv-Bereich zwischen 1 und 3 wurde dann der aus SNP und anderen Verschleißprodukten aufgebaute Film nachgewiesen. Schließlich konnte bei pv = 24 deutlich zwischen zwei Typen, nämlich einem SNP-basierten und einem Kohlenstoffbasierten Tribofilm, unterschieden werden. Auch bei pv = 3 wurden Anteile von Kohlenstoffbasierten Filmen beobachtet, allerdings nur in tiefen Riefen und nicht nach der Standard- Oberflächenbehandlung, was darauf hindeutet, dass auch die Scheibentopografie eine Rolle bei der Filmbildung spielt. Eine Modellierung des Gleitverhaltens der verschiedenen Filmtypen mit der Methode der beweglichen zellulären Automaten (MCA) konnte erfolgreich durchgeführt werden. So konnte in allen drei Fällen gezeigt werden, dass sich unter bestimmten Bedingungen granulare Zwischenschichten, so genannte MML (mechanically mixed layer), ausbilden, die verantwortlich für geringe Reibung und niedrige Verschleißraten sind. Außerdem konnte mittels molekulardynamischer (MD) Modellierung gezeigt werden, dass auch amorphe Siliziumoxidschichten das Potential für reibungsarme Abgleitprozesse aufweisen, wenn man annimmt, dass hohe Blitztemperaturen an Mikrokontakten auftreten werden. Eine neue Methode der Blitztemperaturabschätzung lieferte eine Temperatur von 1000°C für einen gut mit unserem Hybrid vergleichbaren Polymermatrix-Verbundwerkstoff. Dieses Ergebnis unterstützt auch die Hypothese der Epoxidharzzersetzung und SNP-Freisetzung bei pv-Werten > 1.

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