High Performance Polymer Composites for Tribosystems in Hydrogen Environment
Polymer Materials
Final Report Abstract
Mit dem Ziel die sichere und zuverlässige Funktion von reibbeanspruchten Komponenten in der Wasserstofftechnologie zu gewährleisten, wurde das tribologische Verhalten von polymeren Verbundwerkstoffen auf Basis von Polyimid (PI) und Polyetheretherketon (PEEK) in Luft-, Vakuumund Wasserstoffumgebung untersucht. Im Fall von PI kamen zwei verschiedene Polyimid- Varianten zum Einsatz, die im Folgenden als PI1 und PI2 bezeichnet werden. • Bei Untersuchungen mit metallischen Gegenkörpern unterschiedlicher Rauheit zeigte sich, dass eine geringere Rauheit die Neigung zu instabiler Reibung (Stick-Slip) begünstigt. An Luft und in H2. ist der Reibungsverlauf gegen rauere Flächen, insbesondere im Fall des relativ harten Duroplasts PI1, zumeist ruhiger und auf niedrigerem Niveau. • Es trat auch ein deutlicher Einfluss der Polyimid-Struktur auf die tribologischen Eigenschaften zu Tage. Während die Reibungszahl von reinem PI1 deutlich von der Umgebung beeinflusst wird, zeigt reines PI2, das stärkere intermolekulare Kräfte aufweist, keine derartige Abhängigkeit. Hervorzuheben ist, dass bereits reines PI in Wasserstoffumgebung ein sehr günstiges Reibverhalten mit gleichmäßig niedrigem Reibkoeffizienten (f ≈ 0,05) aufweist. Im Hochvakuum liegt die Reibungszahl bei 0,2. Zugabe von H2-Gas bewirkt einen schnellen Abfall auf 0,05, Zugabe von Wasserdampf einen sofortigen Anstieg auf Werte über 0,5. Spektroskopische Analysen liefern Hinweise auf tribochemische Reaktionen in Wasserstoff, die die Haftung eines für niedrige Reibung notwendigen dünnen Materialübertrags auf metallischen Gegenkörpern verbessern. • Die Untersuchung von PEEK in reiner Form deutet auf eine Umgebungsabhängigkeit vor allem der Verschleißrate hin. Dies wird auch durch massenspektroskopische Analysen während des Versuchs in Vakuum bestätigt, bei denen sich eine deutliche Ausgassung aus dem Polymer zeigte. • Der Zusatz von Graphit in PI2 und PEEK führt zu deutlicher Reibungs- und Verschleißminderung. Dies lässt sich auf einen durch Graphit erzeugten glatten Festschmierstofffilm zurückführen, der sich insbesondere in Wasserstoff-Umgebung ausbildet. • Im Vergleich zu Vakuum nimmt die Reibung in feuchter Luft zu und in H2-Gas ab. Es wird vermutet, dass die Oxidation der Stahlscheibe einen Einfluss auf die Bildung der Transferfilm hat. Deshalb sollen in einen Fortsetzungsprojekt die Verhältnisse bei Reibung gegen CrNi-Stähle untersucht werden, deren chemische Beständigkeit auf einer dünnen Oxidschicht beruht. • Weiterhin bewirkt der Zusatz von TiO2-Partikeln bei PEEK eine niedrigere Reibung im Vakuum und in Wasserstoffumgebung bei gleichzeitig minimalem Verschleiß. Während die Verbesserung der tribologischen Eigenschaften in Vakuum auf einen Rolleffekt der Partikel zurückzuführen ist, führt die Sinterung von TiO2 zu einer besseren Haftung des Übertrags und zur Verstärkung des Tribofilms. • In kryogener Umgebung liegen Reibungszahl und Verschleißsrate von ungefüllten Polymeren deutlich niedriger als bei Raumtemperatur. Allerdings steigt die Reibung von graphitgefüllten Polymeren an, da die Bildung des Festschmierstofffilms teilweisen verhindert wird. Bei allen untersuchten Materialien bleibt jedoch das Reibverhalten an Luft unbefriedigend. In Hinblick auf die Anwendung wäre ein Werkstoff wünschenswert, der in allen drei Umgebungsmedien gleichmäßig niedrige Reibung bei geringem Verschleiß zeigt. Dass die untersuchten Polymerkomposite grundsätzlich gut für reibbanspruchte Bauteile wie z.B. Gleitlager in der Wasserstofftechnologie geeignet sind, konnte jedoch eindeutig nachgewiesen werden.
Publications
- Tribological behaviour of graphite filled polyimide composites in hydrogen environment, ECCM16 - 16TH European Conference on Composite Materails, Seville, Spain, 22-26 June 2014
G. Theiler, Th. Gradt
- Einfluss von Wasserstoff auf das Gleitverhalten von graphitgefüllten Polymeren, Tribologie und Schmierungstechnik 62, 2/2015, 25-32
G. Theiler, Th. Gradt
- Friction and Wear Behaviour of Graphite filled Polymer Composites in Hydrogen Environment, Tribology Online, 10, 2 (2015) 207-212
G. Theiler, Th. Gradt
(See online at https://doi.org/10.2474/trol.10.207) - Sliding behaviour of polymer composites in hydrogen environment, ITC 2015 International Tribology Conference 2015, Tokyo
G. Theiler, Th. Gradt
- Tribological characteristics of polyimide composites in hydrogen environment. Tribology International 92 (2015) 162-171
G. Theiler, Th. Gradt
(See online at https://doi.org/10.1016/j.triboint.2015.06.001) - Tribology of polymer Materials in hydrogen. 2016 Hydrogenius I²CNER Tribology symposium, Kyushu, Japan. February 4 2016
G. Theiler, Th. Gradt
