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

Nanopartikel werden seit Kurzem erfolgreich zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften von Kunststoffen eingesetzt. Experimentelle Befunde weißen darauf hin, dass sowohl der Reibungskoeffizient bei gleitender Beanspruchung, als auch die Verschleißrate durch die Bildung von Oberflächenfilmen, an der die Nanopartikel maßgeblich beteiligt sind, verringert und stabilisiert werden können. Beide Effekte sind hinsichtlich eines Einsatzes dieser Verbundwerkstoffe in Gleitlagern von großem Interesse. Bislang ist nicht hinreichend bekannt, woraus die dünnen Oberflächenfilme bestehen und auf welche Weise sie Einfluss auf das Gleitverhalten ausüben. Aufbauend auf Vorläuferprojekte des IVW-Kaiserslautern bezüglich Nanokomposit-Entwicklung einerseits, und BAM-Berlin und ISPMS-Tomsk bezüglich Nanocharakterisierung und Nanomodellierung andererseits, soll in dem geplanten Verbundprojekt aller drei Partner ein tieferes Verständnis der Wirkungsweise nanopartikel-basierter Tribofilme gewonnen werden. Das Projekt greift in mehrfacher Hinsicht neue Entwicklungen auf: Erstens werden im Labor hergestellte Siliziumdioxid Nanopartikel, welche kleiner und besser definiert sind als kommerziell erhältliche Partikel für die Herstellung der Nanokomposite eingesetzt. Zweitens werden die Nanostrukturen der sehr dünnen Oberflächenschichten mit modernen transmissionselektronen-mikroskopischen Methoden untersucht. Die hierfür erforderliche Präparationstechnik, basierend auf Ionenstrahlbearbeitung unter gleichzeitiger Beobachtung mit einem hochauflösenden Rasterelektronenmikroskop (DualBeam FIB/SEM), gibt es erst seit ca. 5 Jahren. Drittens werden Methoden entwickelt, um das Gleitverhalten der Tribofilme modellmäßig zu beschreiben, und den Einfluss verschiedener Volumenanteile und Anordnungen der einzelnen Elemente der Nanostruktur systematisch zu studieren. Projektziel ist nicht nur, das Funktionieren bewährter Gleitpaarungen zu verstehen, sondern auch, durch die Modellierung ein Instrument zur Entwicklung neuartiger Nanokomposite bereit zu stellen. Unsere Vision ist, ein System zu entwickeln, das in der Lage ist, stabile Oberflächenschichten auszubilden, die das gewünschte Reibwertniveau liefern, ohne Verschleißpartikel in die Umgebung zu emittieren. Zumindest für stationäre Zustände, die bei Gleitlagern überwiegend vorliegen, ist ein dynamisches Gleichgewicht zwischen 1.) Schichtbildung aus an der Oberfläche deponierten Verschleißprodukten, 2.) Schichtabbau durch den Gleitvorgang und die damit verknüpften Materialverschiebungen an der Grenzfläche der Reibpartner und 3.) Redeposition an anderen Stellen der Oberfläche denkbar. Simulationsrechnungen werden zeigen, welche Bedingungen erfüllt sein müssen, damit diese Prozesse ablaufen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Ga Zhang, bis 6/2014