Synthese und tribologische Untersuchung von durch Kohlenstoffnanoröhrchen, Kohlenstoffnanozwiebeln und Nanodiamanten verstärkten Nickelmatrixkompositen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Mücklich
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 265592949

Kohlenstoffnanoröhrchen, Kohlenstoffnanozwiebeln und Nanodiamanten werden als besonders vielversprechende Verstärkungspartikel in Metallmatrixkompositen angesehen. Dies kann mit deren herausragenden Eigenschaften hinsichtlich Festigkeit, Härte, elektrischer und thermischer Leitfähigkeit sowie einer reibungs- und/oder verschleißreduzierenden Wirkung begründet werden. Der vorliegende Antrag beschäftigt sich sowohl mit der Herstellung von durch Kohlenstoffnanopartikel-verstärkten Nickelmatrixkompositen, als auch mit deren mikrostruktureller, chemischer und tribologischer Charakterisierung. Das erste Ziel besteht in der pulvermetallurgischen Herstellungsoptimierung der Komposite in Abhängigkeit der verwendeten Partikelart. Dabei soll jeweils eine stabile, homogene Partikel-Dispersion in einem Lösungsmittel hergestellt und analysiert werden. Die gesinterten Komposite sollen hinsichtlich Dichte, Mikrostruktur, Härte, Topographie, Dispersion der Partikel in der Metallmatrix und struktureller Qualität der Partikel nach dem Sintern verglichen und durch Variation der Prozessparameter optimiert werden. Das zweite Ziel besteht in einem tribologischen Vergleich der Kompositvarianten unter trockener Reibung, welcher durch eine weitere Materialcharakterisierung nach den tribologischen Experimenten innerhalb der Verschleißspuren unterstützt wird. Diese umfasst die Analyse der Mikrostruktur, Oxidbildung und Dispersion der Partikel sowie die Bestimmung der Verschleißrate und -mechanismen. Weiterhin soll festgestellt werden, ob die Partikel durch den Tribokontakt geschädigt werden bzw. ob eine graphitische Schicht ausgebildet wird. Falls sich eine Schicht ausbildet, soll untersucht werden in welchem Lastbereich dies geschieht und die Abhängigkeit der tribologischen Eigenschaften von der Luftfeuchtigkeit vor- und nach der Schichtausbildung untersucht werden. Ein weiteres Ziel ist die Vorhersage der mittleren Korngröße der hergestellten Nickelmatrixkomposite in Abhängigkeit der verwendeten Partikelart und deren Volumenanteil. Hierzu eignet sich das Zener-Modell. Dieses soll durch experimentell erfasste Daten der mikrostrukturellen Charakterisierung so angepasst werden, dass es auf die vorliegenden Nickelmatrixkomposite anwendbar ist. So kann eine direkte Korrelation der mittleren Korngröße zum Verschleißverhalten der Komposite hergestellt werden. Durch die dargestellten Teilziele wird eine Aussage darüber möglich, welche der drei Partikel für tribologische Anwendungen in Nickelmatrixkompositen aus wissenschaftlicher Sicht zu bevorzugen sind. Für weitere Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet mit anderen Matrixmaterialien kann die angestrebte Studie als Ausgangspunkt dienen, da nach unserem Wissen in keiner bisherigen Veröffentlichung ein Vergleich der tribologischen Eigenschaften der verschiedenen Partikel im gleichen Metallmatrixkomposit vorliegt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Kooperationspartner: Professor Dr. Volker Presser