Kombination aus fortschrittlichen Kohlenstoff-Nanopartikel-Beschichtungen und laserstrukturierten Oberflächen für verbesserte Schmierfähigkeit
Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Um niedrige Reibungs- und Verschleißwerte zu erreichen, werden Schmierstoffe benötigt. In der Regel werden hierfür in technischen Anwendungen flüssigkeitsbasierte Produkte wie Öle und Fette verwendet. Unter extremen Umgebungsbedingungen wie hohen Lasten bzw. Temperaturen oder im Vakuum stoßen öl-basierte Schmierstoffe jedoch an ihre Grenzen. Stattdessen kommen hier in der Regel Festschmierstoffe wie Grafit, MoS2, WS2 oder PFTE zum Einsatz. Neben diesen etablierten Materialien gibt es in der Grundlagenforschung seit einiger Zeit auch Ansätze, Beschichtungen aus Carbon Nanotubes (CNT) aber auch anderen Kohlenstoffnanopartikeln wie Carbon Onions (CO) oder Carbon Nanohorns (CNH) zur Schmierung zu nutzen. Wie durch Reinert et al. gezeigt, bilden CNT-Beschichtungen auf linienstrukturierten Edelstahloberflächen ein Festschmierstoffsystem, bei dem die Vertiefungen der Oberflächenstrukturierung als Schmierstoffreservoir dienen [1]. Zunächst wurde die Schichtdickenentwicklung während des Beschichtungsvorgangs gemessen, um die Schichtbildung besser zu verstehen und die Anwendbarkeit der elektrophoretischen Abscheidung (EPD) zu verbessern. Im Rahmen dieser Untersuchung wurde wurden zwei unterschiedlichen Additive (Triethylamin und Magnesiumnitrat-Hexahydrat) eingesetzt. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass sich während der ersten 20 min einer Abscheidung in Präsenz von Triethylamin das Hamaker-Gesetz durchaus dazu eignet, die CNT-Schichtdicke abzuschätzen. In separaten Experimenten wurden Linienstrukturen unterschiedlicher Tiefen mit CNTs und COs beschichtet und Reibungstests unterzogen. Die Resultate offenbarten, dass flache Linienstrukturen partikelunabhängig zu niedrigeren Reibwerten führen als tiefe Strukturen. Im Nachgang konnten wir dank ausführlicher Degradationsanalysen feststellen, dass ein Rollen der Partikel, wie lange angenommen, nicht der zentrale Schmiermechanismus von CNTs und COs sein kann. Als nächstes wurde die Leistungsfähigkeit eines solchen Schmierstoffsystems erforscht. Dabei wurde zunächst das Langzeit-Schmierverhalten von CNTs, COs und CNHs gegen Al2O3- und 100Cr6-Gegenkörper untersucht und es hat sich gezeigt, dass CNTs als einziger Partikeltyp in der Lage waren, in beiden Szenarien über die volle Distanz effektiv zu schmieren. Des Weiteren wurden die Beschichtungen unter Extrembedingungen getestet und direkt mit herkömmlichen Festschmierstoff-Beschichtungen (WS2, MoS2 und Grafit) verglichen. Bei hohen Lasten haben CNTs sowohl gegen Al2O3 und 100Cr6 Gegenkörper die beste und Schmierleistung gezeigt, sowohl was die Dauer der Schmierung als auch den Reibwert betrifft. Unter Vakuum konnten die Kohlenstoff-Nanopartikel keine signifikant niedrigen Reibwerte erreichen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Influence of structural depth of laser-patterned steel surfaces on the solid lubricity of carbon nanoparticle coatings. Friction, 11(7), 1276-1291.
Maclucas, Timothy; Daut, Lukas; Grützmacher, Philipp; Guitar, Maria Agustina; Presser, Volker; Gachot, Carsten; Suarez, Sebastian & Mücklich, Frank
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Long-Term Lubricity of Carbon Nanoparticle Coatings on Periodically Laser-Patterned Metallic Surfaces. Tribology Letters, 70(4).
MacLucas, Timothy; Leonhard-Trautmann, Philipp; Suarez, Sebastian & Mücklich, Frank
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Degradation analysis of tribologically loaded carbon nanotubes and carbon onions. npj Materials Degradation, 7(1).
MacLucas, T.; Grützmacher, P.; Husmann, S.; Schmauch, J.; Keskin, S.; Suarez, S.; Presser, V.; Gachot, C. & Mücklich, F.
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Parametric analysis of the coating thickness development of electrophoretically deposited carbon nanotube coatings. Carbon Trends, 11, 100265.
MacLucas, Timothy; Schütz, Silas; Suarez, Sebastian; Müller, Frank & Mücklich, Frank
