Selbstschmierende nanoskalige metallische Verbundwerkstoffe

Reibung und Verschleiß sind Phänomene, die in allen Bauteilen auftreten, die einer Relativbewegung ausgesetzt sind. Um eine einwandfreie Funktion zu gewährleisten, werden seit Jahrzehnten flüssige Schmiermittel verwendet. Die zunehmende Komplexität mechanischer Systeme und ihre immer fordernderen Betriebsumgebungen bedürfen jedoch neue technische Lösungen. So kann zum Beispiel der Einsatz von flüssigen Schmiermittel durch die Umgebungsbedingungen stark eingeschränkt sein. Flüssige Schmiermittel werden vor allem in Anwendungen bei oder nahe der Raumtemperatur eingesetzt, um ihre Degradation zu verringern. Eine weitere Herausforderung ist das Nachfüllen während des Betriebs, was zu Wartungsstopps führen kann, die den Betrieb beeinträchtigen. Eine Alternative ist die Verwendung von Festschmierstoffen in selbstschmierenden Systemen, da diese die Nachteile auf einfache Weise überwinden. Im Idealfall kann dadurch gleichzeitig die Lebensdauer der Bauteile verlängert werden. Obwohl Festschmierstoffen bereits untersucht wurden, gibt es immer noch eine große Anzahl offener Fragen, die für ihre umfassende Anwendung entscheidend sind. Die erste betrifft die Art des am besten geeigneten Schmiermechanismus. Die derzeitigen Festschmierstoffe weisen zwei sich strikt voneinander unterscheidende Hauptschmiermodi auf. Bei schichtartig aufgebauten Schmierstoffen basiert der Mechanismus auf der Grenzflächenscherung und bei faserartigen auf eine Mischung aus Rollen und Gleiten. Die zweite offene Frage bezieht sich auf die Integration des Schmierstoffs in das verwendete Metall, wobei die chemische und physikalische Reaktivität zwischen beiden Phasen für jedes einzelne System untersucht werden. Die dritte Frage bezieht sich auf die Möglichkeit, einen "Alleskönner" zu finden, der in der Lage ist, unter den verschiedensten und extremsten Bedingungen zu arbeiten, ohne selbst wesentlich verändert zu werden und die erforderliche Schmierfähigkeit beizubehalten. In diesem Projekt wird eine erste ausführliche Analyse selbstschmierender Verbundwerkstoffe durch die Kombination einer innovativen Herstellungsroute (Hochdrucktorsion) und fortschrittlichen Charakterisierungsmethoden durchgeführt. Die ausgewählten Matrixwerkstoffe sind Nickel-Basis Superlegierungen, die ihre Anwendung in extreme Umgebungen wie z.B. bei Turbinenschaufeln finden. Als Festschmierstoffe werden übliche Schichtwerkstoffe getestet (Graphit, MoS2 und WS2) und neuartigen Festschmierstoffen (Kohlenstoff-Nanoröhren und Graphen) gegenübergestellt, denen die üblichen Einsatzgrenzen der Ersteren fehlen. Nach der Herstellung werden die Verbundwerkstoffe umfassend charakterisiert, bevor und nachdem sie Gleitbedingungen in verschiedenen Umgebungen (Temperatur und Feuchtigkeit) ausgesetzt werden. Das Hauptziel des Projekts ist es, einen selbstschmierenden Verbundwerkstoff zu erhalten, der bei einer Vielzahl an Bedingungen funktioniert.