Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMErforschung der Schmierungsmechanismen von Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nanotubes, CNTs) unter hochbelasteten tribologischen Bedingungen durch multiskalige Analysen von der Atomistik bis zur makroskopischen Anwendung, um fluidfreie Hochleistungsschmiersysteme zu entwickeln.
Feststoffschmierung durch Kohlenstoffnanoröhren: Grundlegendes Verständnis der Transferschichtbildung und der Gleitmechanismen durch Atomistik und experimentelle Nanoanalytik
Abgeschlossenes Forschungsprojekt
Projektbeschreibung
Reibung und Verschleiß verursachen in hochindustrialisierten Ländern jährlich Kosten von etwa 5% des Bruttoinlandsproduktes. Gleichzeitig steigt der Druck, von umweltbelastenden Flüssigschmierstoffen auf nachhaltige Alternativen umzusteigen. Typische Festschmierstoffe wie MoS₂ und Graphit könnten eine Alternative sein, stoßen jedoch schnell an ihre Grenzen: Sie funktionieren nur unter spezifischen Bedingungen und haben einen begrenzten Anwendungsbereich. In diesem Projekt wird daher das Potential von Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) als Alternative zu konventionellen Schmierstoffen untersucht.
CNTs besitzen hervorragende mechanische, physikalische und chemische Eigenschaften und könnten, in Kombination mit geeigneten Abscheideverfahren und definierten Oberflächentopographien, als Festschmierstoffe eingesetzt werden – besonders unter extremen Bedingungen wie Vakuum, hohen Temperaturen, hohen Kontaktdrücken und Gleitgeschwindigkeiten.
Das Projekt zielte darauf ab, die mikroskopischen Mechanismen der CNT-Schmierung aufzuklären, insbesondere:
- Transferschichtbildung an Kontaktflächen
- Gleitmechanismen an den Grenzflächen
- CNT-Degradation unter hohen Druckbelastungen
- Transport von CNTs innerhalb des Tribokontakts
Das Fraunhofer IWM war federführender Partner und verantwortlich für:
- Atomistische Simulationen und Modellierungen der CNT-Struktur und ihrer Wechselwirkungen mit Oberflächen
- Nanoanalytik: Hochauflösende Charakterisierung von Transferschichten und CNT-Degradationsmechanismen
- Multiskalenmodellierung: Kopplung atomistischer Erkenntnisse mit makroskopischen Prüfungen
- Analyse der Versagensmechanismen von CNTs unter mechanischer Belastung
Transfer der Projektergebnisse in folgende FuE-Leistungen des Fraunhofer IWM für Unternehmen:
- Atomistische und nanoanalytische Untersuchung von Schmierfilmen und Transferschichten
- Oberflächenanalytik und -konditionierung: Optimierung von Oberflächentopographien für CNT-Schmierung
- Entwicklung von Hochleistungsschmiersystemen für Anwendungen im Vakuum, bei hohen Temperaturen und extremen Lasten (z.B. Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik)
- Numerische Schmierfilmmodellierung: Prognose von Reibung und Verschleiß unter CNT-Schmierung
