Boroxid als alternativer Hochtemperatur-Festschmierstoff

Übergangsmetallboride (TMBs) sind eine faszinierende Materialklasse mit großem Potenzial für die Entwicklung besonders widerstandsfähiger Beschichtungen. Diese keramischen Materialien sind nicht nur kostengünstig und in großer Menge verfügbar, sondern weisen auch eine außergewöhnliche Beständigkeit gegenüber Verschleiß, Hitze und Korrosion auf. Besonders bemerkenswert ist ihre Fähigkeit zur Selbstschmierung: Sie können durch die Bildung spezieller fester Oxidschichten auf ihrer Oberfläche Reibung minimieren ganz ohne zusätzliche Schmierstoffe wie Öle oder Fette. Dies ist vor allem in extremen Einsatzbedingungen von großer Bedeutung, beispielsweise bei hohen Temperaturen oder im Vakuum, wo flüssige Schmiermittel nicht verwendet werden können. Die genauen Mechanismen dieser sogenannten Feststoff-Selbstschmierung, insbesondere bei dünnen TMB-Schichten, sind bislang kaum erforscht. Ziel dieses Projekts ist es, die Bedingungen zu untersuchen, unter denen sich Boroxide (B2O3) auf TMB-Oberflächen bilden, und zu verstehen, wie diese die tribologischen Eigenschaften beeinflussen. Dabei werden verschiedene äußere Faktoren berücksichtigt, darunter Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Zusammensetzung der Umgebungsluft sowie die chemische Zusammensetzung der Beschichtungen selbst. Zur Analyse dieser Prozesse kommt modernste Beschichtungstechnologie zum Einsatz insbesondere das Physical Vapor Deposition (PVD) Verfahren sowie In-situ-Messmethoden, mit denen die Entstehung der festen Schmierstoffe auf B2O3-Basis direkt während der Versuche beobachtet werden kann. Untersuchungsmethoden wie Röntgen-Diffraktometrie, Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie oder Experimente an Synchrotron- Strahlungsquellen liefern wertvolle Einblicke in die Bildung und Strukturentwicklung von B2O3 und deren Einfluss auf das Reibungsverhalten. Das Hauptziel dieser Forschung ist es, das grundlegende Verhalten von Boroxiden in Reibkontakten mit TMB-Beschichtungen besser zu verstehen. Als Modellsysteme werden bekannte TMBs wie TiB2 und WB2 herangezogen. Die gewonnenen Erkenntnisse könnten zur Entwicklung neuartiger Materialien führen, die auch unter extremen Bedingungen etwa in der Luft- und Raumfahrt, in Hochleistungsmotoren oder industriellen Anlagen zuverlässig funktionieren, ohne auf herkömmliche flüssige Schmierstoffe angewiesen zu sein. Diese Studie eröffnet neue Perspektiven in der Materialwissenschaft und kann entscheidend zur Leistungssteigerung und Lebensdauer technischer Beschichtungen beitragen wirtschaftlich effizient und nachhaltig zugleich.