Einfluss von Transferfilm-Bildungsmechanismen auf Reibung und Verschleiß von Polymermatrix-Verbundwerkstoffen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Bernd Wetzel
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 389811744

Im Projekt wurde der Einfluss von Siliziumdioxid-Nanopartikel (SNP) in einem Epoxidharz-Verbundwerkstoff auf die tribologischen Eigenschaften untersucht. Die Partikel im Verbundwerkstoff bilden in einem breiten Spektrum von pv-Lasten einen reibreduzierenden und verschleißarmen Transferfilm. Vergleichsweise schlechte Ergebnisse zeigten sich beim identischen Referenzmaterial ohne SNP. Damit sich dieser gut anhaftende Film ausbilde kann müssen eine Mindestrauheit sowie eine Mindestlast im Tribosystem vorleigen. Die Ergebnisse zeigten weiterhin, dass der Transferfilm nahezu ausschließlich aus Siliziumdioxid besteht.Folgende Hypothesen wurden aufgestellt: Die Füllstoffgröße und die Gegenkörperrauheit müssen in einer vergleichbaren Größenordnung liegen, um optimale, gut anhaftende Transferfilme ausbilden zu können. Unter dieser Annahme würde entsprechend zu jeder Topographie eine optimale Partikelgröße existieren. Weiterhin wird behauptet, dass durch die Beeinflussung der Einlaufzeit durch höhere Lasten ein besserer Transferfilm ausgebildet werden kann, welcher anschließend unter niedrigen Lasten bessere tribologische Ergebnisse liefert als ohne den Einlauf. Aufgrund der Tatsache, dass kaum Matrixmaterialien im Transferfilm zu finden sind, besteht die Möglichkeit die bisher gefundenen Transferfilmbildungsmechanismen zu anderen Polymermatrizen zu übertragen. Die Ergebnisse aus diesen Untersuchungen werden maßgeblich dabei helfen, maßgeschneiderte Polymerkomposite mit definierten tribologischen Eigenschaften herzustellen, die zuvor in einem Lastenheft definiert wurden. Das Ziel dieses Projektes ist es diese Hypothesen durch Experimente und Modellierung zu beweisen und dabei weitere Eigenschaften, u.a. die Transferfilmdicke sowie die Transfilmverteilung, zu untersuchen.Im experimentellen Ansatz werden SNP mit 50, 250 und 1000 nm synthetisiert und als Füllstoff für Polymerkomposite eingesetzt. Definierte Gegenkörperoberflächen werden durch Laserstrukturierung hergestellt. Multimodale Mischungen aus den o.g. Partikeln werden ebenfalls berücksichtigt. Das Ziel ist es den Einfluss von Füllstoffpartikelgrößen und der Gegenkörpertopografie in Bezug auf den resultierenden Transferfilm zu untersuchen. Im zweiten Test werden Lasthistorien durch ansteigende sowie absteigende Lasten fortlaufen tribologisch untersucht. Durch die Identifikation optimaler Einlaufprozesse können Transferfilme generiert werden, die anschließend unter niedriger Last bessere tribologische Eigenschaften aufweisen. Zuletzt wird durch die Substitution der ursprünglichen Harzmatrix durch einen Thermoplast (PEI) die Übertragbarkeit der Transferfilmbildungsmechanismen untersucht.Im Modellierungsansatz wird die Methode der bewegten zellulären Automaten angewendet. Die Automatengrößen entsprechen der Partikelgrößen von 50-1000nm. Die Last sowie die Oberflächentopographie werden ebenfalls dem Realexperiment angepasst.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Klaus Friedrich (†)
• Kooperationspartner: Professor Andrey I. Dmitriev, Ph.D.