Charakterisierung von Zuständen des Tribosystems Bremsbelag-Bremsscheibe anhand mikroskopischer und mikroanalytischer Untersuchungen von Reibschichten und Reibfilmen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
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.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 3rd body formation of two different brake pad materials designed for railway application. Proceedings JEF06, Lille, France, 2006 107-115
W. Österle, U. Müller, A.-L. Bulthe, G. Degallaix, Y. Desplanques, A. 1. Dmitriev
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W. Österle, H. Kloß, I. Urban, A. I. Dmitriev
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W. Österle, H. Kloß, I. Urban, A. I. Dmitriev
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W. Österle, A. Dmitriev, H. Klooß
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A. I. Dmitriev, A. Y. Smolin, S. G. Psakhie, W. Österle, H. Kloss, V. L. Popov
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A. I. Dmitriev, W. Österle, H. Kloß
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A. I. Dmitriev, W. Österle, H. Kloß
- Verschleißverhalten unter Berücksichtigung kinetischer Modellbetrachtungen und Simulationsrechnungen mit der Methode der beweglichen zellularen Automaten (bzA). G FT-Fachtagung, 24.-26.09.2007, Göttingen. Tribologie und Schmierungstechnik 55 (2008/6) 21-25
H. Kloß, W. Österle, A. Dmitriev
- 21] A.L Dmitriev, W. Oesterle: Numerical modelling of dry friction sliding in pad-disc interface at the nanoscale. Proceedings of XXXVII Summer School „Advanced Problems, in Mechanics", St.Petersburg (Repino), June 30 - July 5, 2009. 174-182
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W. Österle, I. Dörfel, C. Prietzel, H. Rooch, A.-L. Cristol-Bulthe, G. Degallaix, Y. Desplanques
- A comprehensive microscopic study of third body formation at the interface between a brake pad and brake disc during the final stage of a pin-on-disc test. Wear, 267 (2009) 781-788
W. Österle, I. Dörfel, C. Prietzel, H. Rooch, A.-L. Cristol-Bulthe, G. Degallaix, Y. Desplanques
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W. Österle, H. Kloß, A. I. Dmitriev
- Friction control during automotive braking - experimental observations and.simulation at the nanometer scale. Tribology-Materials, Surfaces & Interfaces, 3 (2009) 196-202
W. Österle, H. Kloß, A. I. Dmitriev
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H. Bresch, S. Seeger, I. Dörfel, C. Prietzel, W. Österle
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W. Österle, H. Bresch, I. Dörfel, C. Prietzel, S. Seeger
- Magnetite formation observed with TEM on brake discs. 1st TMS-ABM Intem. Materials Congress, Symposium Composite Materials, Rio de Janero, 26.-30.07. 2010
R. Hinrichs, M.A.Z. Vasconcellos, W. Österle, C. Prietzel
- Nanoscale particulate emissions from car brakes - instrumental needs for the measurement. Workplace Aerosols, Karlsruhe, 30.06.-02.07.2010, Karlsruhe
H. Bresch, S. Seeger, I. Dörfel, C. Prietzel, W. Österle
- nvestigation of surface film nanostructure and assessment of its impact on friction force stabilization during automotive braking. Int. J.Mater.Res.
Österle W., Prietzel C. Dmitriev A.L
- On the role of copper in brake friction materials. Tribol. Intern.
Österle W., Kloß H., Prietzel C , Simon S., Dmitriev A.I.
- Review-Artikel zum Thema Reibschichtbildung bei konventionellen Automobilbremsen. Provisorischer Titel: "Functionality of Conventional.Brake Friction Materials"
Österle W.
