Feststoffschmierung durch Kohlenstoffnanoröhren: Grundlegendes Verständnis der Transferschichtbildung und der Gleitmechanismen durch Atomistik und experimentelle Nanoanalytik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Wenn die Schmierung von Wälzlagern mit Öl oder Fett nicht möglich ist, stellt die Feststoffschmierung mit Kohlenstoffnanoröhren (CNT) eine mögliche Alternative dar. Um die Mechanismen zu untersuchen, die der CNT-Schmierung von hochbelasteten Kontakten zugrunde liegen, wird in diesem Projekt ein experimenteller Ansatz mit Molekulardynamik-Simulationen kombiniert. Experimentell werden CNT-beschichtete Eisenplättchen und kugelförmige Aluminiumoxid-Gegenkörper verwendet. Die Analyse der reibbelasteten Schichten deutet auf eine Phasenumwandlung hin, die zu Schichten aus amorphem Kohlenstoff mit eingebetteten CNT-Fragmenten sowie Eisenoxid- und Eisencarbid-Partikeln führt. Kovalente Bindungen zur Eisenoberfläche und ein geringer Übertrag auf den Gegenkörper deuten auf ein Gleiten an der Grenzfläche zwischen Beschichtung und Kugel als dominierenden Mechanismus der CNT-Schmierung hin. Atomistische Simulationen von CNT-Schichten zeigen zwei unterschiedliche Reibregime: ein Niedriglastregime, in dem die CNTs intakt bleiben, und ein Hochlastregime mit teilweiser Schädigung und Bildung von amorphem Kohlenstoff. Die kritische Last für den Übergang zwischen den Regimen steigt mit der Anzahl innerer Wände der CNTs und der Packungsdichte. Erstere bestimmt die Stabilität der einzelnen CNTs, letztere die lokalen Spannungen an den CNT-CNT-Kreuzungen. Basierend auf den Simulationsergebnissen wird für die experimentellen Beschichtungen ein Betrieb im Hochlastbereich vorhergesagt. Dies wird durch eine bemerkenswerte Übereinstimmung zwischen elektronenmikroskopischen Aufnahmen und Bildern aus der atomistischen Simulation bestätigt. Auf der Grundlage der Ergebnisse dieser Arbeit wird ein mehrstufiger Schmiermechanismus für CNT-Beschichtungen formuliert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Solid Lubrication based on Carbon Nanotubes, GfT-Tagung, Sondersession SPP 2074, Göttingen, 23.09. – 25.09.2019
T. MacLucas & A. Klemenz
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Solid Lubrication based on Carbon Nanotubes, GfT-Tagung, Sondersession SPP 2074, Onlineveranstaltung, 28.09. – 30.09.2020
T. MacLucas & A. Klemenz
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Solid Lubrication based on Carbon Nanotubes, GfT-Tagung, Sondersession SPP 2074, Onlineveranstaltung, 27.09. – 29.09.2021
T. MacLucas & A. Klemenz
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Degradation of Carbon Nanotubes Under Tribological Load, Tribochemistry Satellite Meeting, Beaune, Frankreich, 06.07. – 08.07.2022
A. Klemenz
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Multiwall Carbon Nanotubes for Solid Lubrication of Highly Loaded Contacts. ACS Applied Nano Materials, 6(3), 1755-1769.
MacLucas, Timothy; Klemenz, Andreas; Grünewald, Patrick; Presser, Volker; Mayrhofer, Leonhard; Moras, Gianpietro; Suarez, Sebastian; Dienwiebel, Martin; Mücklich, Frank & Moseler, Michael
