Charakterisierung von Zuständen des Tribosystems Bremsbelag-Bremsscheibe anhand mikroskopischer und mikroanalytischer Untersuchungen von Reibschichten und Reibfilmen
Final Report Abstract
Das Gefüge und die Zusammensetzung von Reibschichten auf Bremsbelägen und Bremsscheiben wurden bis in den Nanometerbereich untersucht. Es gibt nur wenige Arbeitsgruppen weltweit, die vergleichbare Untersuchungen durchgeführt haben, und zwar an Verschleißpartikeln, welche als Reibschichtfragmente bezeichnet werden können. Einmalig an unseren Untersuchungen war, dass wir die Reibschichten und ihre Anbindung an das Substratmaterial im Querschnitt darstellen konnten. Dies gelang durch die Präparation dünner Lamellen mit der Focused Ion Beam Technik (FIB). Die Reibschichten waren immer nanokristallin mit einer mittleren Korngröße von 10 nm und bestanden aus einer Mischung aus extrem fein gemahlenen Bestandteilen der Bremsbeläge und Eisenoxid, welches durch Tribooxidation der Bremsscheibe entstanden ist. Mögliche Einflüsse der komplex aufgebauten Reibschichten auf das Reibverhalten von Mikrokontakten konnten in Kooperation mit der Gruppe Dmitriev aus Tomsk durch Modellierung mit der Methode der beweglichen zellulären Automaten (MCA) abgeschätzt werden. Die wichtigsten Eigenschaften des Tribosystems Bremsbelag-Bremsscheibe konnten auf diese Weise gut erklärt und verstanden werden. Insbesondere konnte gezeigt werden, dass die Ausbildung einer quasi fiüssigen Zwischenschicht bzw. Durchmischungszone (MML) nur unter ganz bestimmten Voraussetzungen der Oberflächenausbildung zu erwarten ist. Unter der Voraussetzung dass sich diese günstigen Bedingungen im Modell einstellen, ist allerdings auch damit zu rechnen, dass Nanopartikel freigesetzt und an die Umgebung abgegeben werden. Durch Aerosolmessungen bei Prüfstandversuchen gelang es Nanopartikelemissionen nachzuweisen und sogar kritische Beanspruchungsbedingungen für diese Emissionen zu ermitteln. Die Projektergebnisse haben gezeigt, dass, wie von Bremsenherstellern schon lange vermutet, die Reibschichten tatsächlich nicht nur das Reibungs- und Verschleißverhalten sondem auch die Komforteigenschaften konventioneller Fahrzeugbremsen maßgeblich beeinflussen. Mit der Kenntnis der für das gewünschte Reibverhalten forderlichen Nanostrukturen können Bremsbelaghersteller ihre Materialzusammensetzungen optimieren. Die Ergebnisse der Partikelemissionsmessungen sollten Bremsenhersteller dazu animieren, bei der Entwicklung neuer Bremsbeläge, die Partikelemission als ein wichtiges Kriterium bei der Bewertung ihrer Werkstoffe zu erfassen. Forderungen nach leichteren Bauweisen und besserer Umweltverträglichkeit führen bereits dazu, über neue Materialkombinationen für Bremsen nachzudenken und entsprechende Entwicklungsprogramme aufzulegen. Die entwickelten Charakterisierungsmethoden und an die Befunde angepassten Modellrechnungen können dabei sehr hilfreich sein.
Publications
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