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Die
Erfindung betrifft einen Polymer-Verbundwerkstoff, der gemäß des Oberbegriffs
aus Anspruch 1 ein Füllmaterial
zur Erhöhung
der Verschleißfestigkeit
enthält.
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Bei
Gleitlagern, die durch hohe Belastungskräfte und durch eine zu geringe
oder fehlende Schmierung gekennzeichnet sind, werden nach dem Stand
der Technik verstärkte
Polymer-Verbundwerkstoffe eingesetzt, wobei diese wiederum üblicherweise
für eine
der Lagerflächen
angewandt wird. Solche tribologischen Anwendungen liegen neben Gleitlagern
auch vielfach für
Zahnräder
in Getriebekomponenten und für
Dichtungskörper
vor. Bei trockenen Gleitbedingungen hat sich die Kombination aus
einer glatt polierten metallischen Oberfläche im Gleitkontakt mit einer
Gegenlage aus einem verstärkten
Polymer-Verbundwerkstoff
bewährt,
der durch einen kleinen Reibungskoeffizienten und einen niedrigen
Verschleiß gekennzeichnet
ist. Die üblicherweise
hierfür
verwendeten Füllmaterialien,
welche in die Polymermatrix des Polymer-Verbundwerkstoffs eingelagert werden,
sind Aramidfasern (AF), Glasfasern (GF), Kohlenstofffasern (KF),
Glaskugeln, Polytetrafluorethylen (PTFE), Graphit oder Silikone.
Diese zur Polymermatrix hinzu gegebenen Füllstoffe zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit
weisen typischerweise eine Partikelgröße im Mikrometermaßstab auf.
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Die
Wirkung der voranstehend genannten Füllstoffe ist dergestalt, dass
sie entweder als interne Schmierkörper wirken oder die mechanische
Festigkeit erhöhen.
Vorteilhafterweise wird für
den Wirkmechanismus einer internen Schmierung ein Füllstoff
verwendet, der in seinen mechanischen Eigenschaften weicher als
die Polymermatrix ist und sich insbesondere unter Reibbelastung
plastisch verformt sowie einen Transferfilm zwischen der Polymermatrix
und der metallischen Gegenlage ausbildet. Im Gegensatz hierzu werden
zur Erhöhung
der Kriechbeständigkeit
und des Oberflächenzusammenhalts
des Polymer-Verbundwerkstoffs
Füllmaterialen
eingesetzt, die sich gegenüber
der Polymermatrix, in die sie eingebettet sind, durch eine höhere mechanische
Festigkeit und durch eine höhere
Härte auszeichnen.
Hierbei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die mechanisch verstärkend wirkenden
Füllmaterialen
in der Gestalt von Fasern und damit als lokal anisotrop wirkende
Komponenten in der Polymermatrix auszubilden.
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Hierbei
ist zu beachten, dass die voranstehend beschriebenen Wirkmechanismen
der Füllmaterialien zur
Erhöhung
der Abriebfestigkeit vereinfacht dargestellt sind und insbesondere
das Zusammenspiel verschiedener Füllmaterialien in der Polymermatrix,
insbesondere an der unter Belastung stehenden Grenzfläche im Detail
kompliziert ist. Hierbei spielen thermische Belastungen durch die
nicht völlig
auszuschließende
Reibung sowie die Umwandlung der Füllstoffe unter Belastung eine
wichtige Rolle. Aus diesem Grund haben Füllmaterialien meist noch sekundäre Aufgaben,
wie etwa die Sicherung eines möglichst
guten Wärmeabflusses
von der Gleitfläche
sowie zur Sicherung der chemischen Beständigkeit des Polymer-Verbundwerkstoffs.
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Auch
die bisher bekanntgewordenen Polymer-Verbundmaterialien mit hoher
Verschleißfestigkeit
weisen begrenzte Maximalbelastungen und endliche Standzeiten auf.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Verschleißfestigkeit
von Polymer-Verbundwerkstoffen weiter zu verbessern. Insbesondere
ist ein abriebfester Polymer-Verbundwerkstoff anzugeben, der sich
gegenüber
glatten metallischen Flächen
durch einen sehr geringen Reibungskoeffizienten auszeichnet und
dessen mechanische Eigenschaften durch geringe Verformbarkeit und
hohe mechanische Härte
gekennzeichnet sind. Ferner sollte sich die Herstellung und Verarbeitung
des abriebfesten Polymer-Verbundwerkstoffs
möglichst
einfach gestalten, so dass eine gute Anpassungsfähigkeit für eine Vielzahl von Anwendungen
gegeben ist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe haben die Erfinder erkannt, dass nanoskalige Partikel
großer
Härte in Kombination
mit wenigstens einem weiteren klassischen Füllstoff zu einem Polymer-Verbundwerkstoff
führen, der
sich durch eine verbesserte Verschleißfestigkeit auszeichnet. Als
harte nanoskalige Partikel werden vorzugsweise keramische Materialien
und hierbei insbesondere TiO2 verwendet.
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Die
für sich
genommen bereits vorteilhafte Zugabe der harten nanoskaligen Partikel
auf die tribologischen Eigenschaften des reinen Polymernetzwerks
kommt insbesondere in Kombination mit den klassischen Füllstoffen
zum Tragen, wobei dieser Effekt auf einer synergistischen Wirkung
der Komponenten des Polymer-Verbundwerkstoffs
basiert.
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Die
erfindungsgemäß zur Anwendung
kommenden nanoskaligen Partikel sind zunächst gekennzeichnet durch ihre
Größe. Hierbei
wird unter nanoskalig eine mittlere Partikelgröße unterhalb einem Mikrometer und
vorzugsweise unterhalb 500 nm verstanden. Hierbei wird eine möglichst
enge Größenverteilung
bevorzugt, um den Wirkeffekt im Polymer-Verbundwerkstoff möglichst
gut einstellen zu können.
Erfindungsgemäß ist die
nanoskalige Komponente ferner durch ihre mechanische Härte gekennzeichnet.
Bevorzugt werden Nanopartikel aus keramischen Materialien, da diese
eine hinreichende Härte
sicherstellen. Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei nanoskaliges
TiO2 erwiesen.
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Nanoskalige
Partikel, eingebettet in eine Polymermatrix, weisen, wenn weitere
verstärkend
oder schmierend wirkende Füllmaterialien
ebenfalls vorliegen, für
bereits erstaunlich geringe Konzentrationen eine gute Wirksamkeit
auf. Hierbei haben die Erfinder erkannt, dass für die Zugabe von nanoskaligen
Partikeln als Zusatz zu einem abriebfesten Polymer-Verbundwerkstoff
ein optimales Volumenverhältnis
im Bereich von 1 bis 10 Vol.-% existiert, welches durch ein bevorzugtes
Intervall von 2 bis 8 Vol.-% und insbesondere bevorzugt durch ein
Intervall von 4 bis 6 Vol.-% eingegrenzt werden kann. Dieser so
nicht erwartete Effekt kann nur in Zusammenhang mit der positiven
Wechselwirkung der nanoskaligen Partikel mit den einen Transferfilm
bildenden Füllmaterialien
oder die mechanische Festigkeit und die Oberflächenhärte der Polymermatrix erhöhenden Füllmaterialien
erklärt
werden.
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Im
Folgenden wird der erfindungsgemäße abriebfeste
Polymer-Verbundwerkstoff anhand der nachfolgenden Figuren und den
darin dargestellten Vergleichsexperimenten genauer beschrieben.
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1 Vergleich der spezifischen
Verschleißrate
für drei
unterschiedliche Polymer-Verbundwerkstoffe, die jeweils eines der
Füllmaterialen
PTFE, Graphit oder kurze Kohlenstofffasern enthalten.
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2 Vergleich der spezifischen
Verschleißrate
für die
Kombination von jeweils zwei der in 1 genannten
Füllmaterialien.
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3 Vergleich der spezifischen
Verschleißrate
für Kombinationen
der in 1 genannten Füllmaterialien
mit unterschiedlichen Volumenverhältnissen.
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4 Vergleich der spezifischen
Verschleißrate
für unterschiedliche
Volumenanteile der die Polymermatrix bildenden Komponente am Beispiel
eines Epoxidmaterials.
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5 Vergleich der spezifischen
Verschleißrate
für variierende
Anteile von nanoskaligem TiO2 jeweils als
einzige Komponente zu Epoxidharz und in Kombination mit zwei verschiedenen
Füllmaterialkombinationen.
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6 Vergleich der spezifischen
Verschleißrate
für unterschiedliche
Volumenanteile der Füllmaterialkombination
aus Graphit, nanoskaligem TiO2 und kurzen
Kohlenstofffasern.
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7 Vergleich der spezifischen
Verschleißrate
von unterschiedlichen Füllmaterialkombinationen, wobei
jeweils der PTFE-Anteil durch die nanoskalige Komponente ersetzt
wird.
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8 Vergleich der Tiefenverschleißrate für traditionelle
Füllmaterialien
und der Kombination traditioneller Füllmaterialien mit nanoskaligem
TiO2.
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Im
Folgenden wird die erfindungsgemäße Zugabe
von nanoskaligen Partikeln zur Verringerung der spezifischen Verschleißrate von
Polymer-Verbundwerkstoffen anhand eines ausgewählten Ausführungsbeispiels dargelegt.
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Als
Matrix bildende Polymerkomponente wird ein Kunstharz und hier wiederum
Epoxidharz verwendet. Epoxidharz zeichnet sich insbesondere durch
seine gute chemische Beständigkeit,
seine hohe mechanische Härte
und durch eine gute Temperaturstabilität aus. Alternativ zu Epoxidharz
können
zur Ausführung
der Erfindung eine Vielzahl von Polymeren oder Polymermischungen
zur Matrixbildung herangezogen werden. Beispielhaft sei hierfür Polyetheretherketon
(PEEK) genannt.
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Für die Vergleichsversuche
wurde das Zwei-Komponenten-Kunstharz Dow DER 331 verwendet, welches
mit dem Polyamin-Härter
Dow HY 2954 zur Aushärtung
der Polymermatrix kombiniert wurde. Als Füllmaterial für die Polymermatrix
wurden für
die nachfolgend dargestellten Vergleichsversuche drei klassische
Materialien in unterschiedlichen Kombinationen und Volumenanteilen
verwendet. Es handelt sich hierbei um Polytetrafluoretyhlen (PTFE),
wobei zur Durchführung
der Vergleichsversuche für
die PTFE-Komponente Dyneon 9207 verwendet wurde. Als weiteres Füllmaterial
kann Graphit in Flockenform (Superior 9039) eingesetzt werden und
als drittes Füllmaterial
wurde ein Kohlenstofffasermaterial kurzer Faserlänge (Kureha M-2007S) verwendet.
Für die
erfindungsgemäß zugesetzten
nanoskaligen Partikel großer
Härte wurde
nanoskaliges TiO2 (Kronos 2310) mit einem
mittleren Partikeldurchmesser von 300 nm gewählt.
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Die
PTFE-Komponente ist ein klassisches Füllmaterial, das aufgrund seiner
speziellen molekularen und morphologischen Struktur besonders gut
dafür geeignet
ist, im Sinne einer internen Schmierung einen Transferfilm unter
Belastung auszubilden. Durch die Verwendung von PTFE gelingt es,
den Reibungskoffizienten des Polymer-Verbundmaterials gegenüber einer
Stahlgegenlage signifikant zu erniedrigen. Allerdings weist PTFE
selbst eine relativ geringe Verschleißfestigkeit auf, was durch
seine geringe Materialhärte
bedingt ist. Deshalb wird PTFE vorteilhafterweise in Kombination
mit einem mechanisch verstärkend
wirkenden Füllmaterial
in die Polymermatrix eingebaut. Im Folgenden werden hierfür beispielsweise
kurze Kunststofffasern verwendet, die sich durch eine bevorzugte
Orientierung der Kohlenstofflagen parallel zur Faserachse auszeichnen.
Hieraus resultiert, dass die Kohlenstofffasern sowohl mechanisch
stabil wie auch elektrisch und thermisch gut entlang der Faserachse
leitfähig
sind. Hierdurch trägt
diese Komponente des Füllmaterials
dazu bei, die Kriechneigung der Epoxid-Polymermatrix zu verringern
und ihre Druckfestigkeit zu erhöhen.
Des weiteren wird mit der Auswahl von Graphit ein weiteres klassisches
Füllmaterial
zur Erhöhung
der Abriebfestigkeit in einem Polymer-Verbundwerkstoff eingesetzt.
Graphit hat aufgrund seines geschichteten Aufbaus, wobei die Schichten
untereinander lediglich durch van der Wals Kräfte verbunden sind, die Eigenschaft,
dass Scherkräften
durch ein Übereinandergleiten
der Graphitlagen abgeleitet werden. Hierbei bildet sich ein die
Reibung verringernder Transferfilm, wobei aber aufgrund der Stabilitäten innerhalb
der Graphitlagen im Vergleich zu PTFE ein steiferes Füllmaterial
Anwendung findet.
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Alle
im Folgenden getesteten Polymer-Verbundwerkstoffmaterialien wurden
auf einheitliche Art und Weise hergestellt. Zur Herstellung werden
zunächst
die Bestandteile, d.h. die Polymermatrixbildner und die Füllmaterialen,
temperiert. Bevorzugt wird hierfür
eine Temperatur von 70°C,
die insbesondere für
die Füllmaterialen
für mehrere
Stunden aufrechterhalten wird, wobei die Temperierung dazu dient,
die Benetzung zwischen den Polymerkomponenten und den Füllmaterialien
zu verbessern. Nach dem Vermischen der Polymerbildner und der Füllmaterialien
mittels eines mechanischen Rührwerks
wird die in der Mischung eingeschlossene Luft entfernt. Hierfür hat sich
eine Vakuumausgasung als wirkungsvoll erwiesen. Schließlich wird
der Härter
zur Mischung hinzugegeben und diese für fünf Minuten gerührt. Nachfolgend
wird die Mixtur zur Aushärtung in
Formen mit einem Durchmesser von 10 mm abgefüllt. Die Bearbeitung der Proben
für die
Vergleichsversuche erfolgt dann ausgehend von diesen ausgehärteten Polymer-Verbundwerkstoffmischungen.
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Die
kontrollierten Verschleißversuche
werden mittels eines Block-Ring-Tribometers
ausgeführt,
bei dem ein ausgehärteter
polierter Kohlenstoffstahlring (deutscher Standard 100 Cr6) mit
einem Durchmesser von 60 mm unter Umgebungsbedingungen für 20 Stunden
auf einem Probenkörper
mit einem Anpressdruck von 1 MPa mit einer konstanten Geschwindigkeit
von 1 m/s gleitet. Hierbei wird von Probenkörpern mit einer Oberflächenrauheit
von Ra = 0,1 μm
und mit den Dimensionen von 10 × 4 × 4 mm
3 ausgegangen. Nach dem Ende des Experiments
wird der Massenverlust Δm
gemessen und hieraus die spezifische Verschleißrate Ws wie folgt berechnet:
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Hierbei
beschreibt ρ die
Dichte der Probe, FN die auf die Probe wirkende
Normalkraft während
des Gleitens und L die gesamte Gleitdistanz.
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In
Tabelle 1 sind für
30 unterschiedliche Zusammensetzungen die jeweils über sechs
Versuche gemittelten spezifischen Verschleißraten aufgelistet.
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Aus
diesen Daten ist in 1 der
Vergleich der spezifischen Verschleißrate für ein Epoxidharz, das jeweils
einen der gewählten
klassischen Wirkstoffe mit einem Anteil von 10 Vol.-% enthält, dargestellt.
Aus 1 ist ersichtlich,
dass bei einer Festlegung auf ein einzelnes Füllmaterial die Wahl von Graphit
am vorteilhaftesten ist. Dessen Verschleißrate liegt bei einem Wert
von 6,9 × 10–7 mm3/Nm und damit deutlich niedriger im Vergleich
zum Wert des PTFE-Füllmaterials
von 7,07 × 10–6 mm3/Nm und dem Wert für die kurzen Kohlenstofffasern
von 4,58 × 10–6 mm3/Nm. Für
alle Füllstoffe
gleichermaßen
ist eine Verringerung der spezifischen Verschleißrate gegenüber jener des reinen Epoxidharzes
mit einer entsprechenden spezifischen Verschleißrate von 25,5 × 10–6 mm3/Nm nachzuweisen.
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Werden,
wie in 2 dargestellt,
jeweils zwei der klassischen Füllmaterialien
in der Epoxidharz-Matrix kombiniert, so führt dies zu einer weiteren
deutlichen Verringerung der spezifischen Verschleißrate. Für die Wahl
eines jeweiligen Anteils von 10 Vol.-% für jeden der Füllstoffe
ergibt sich für
das System PTFE/Graphit eine spezifische Verschleißrate von
0,84 × 10–6 mm3/Nm. Während
die spezifischen Verschleißraten
der Systeme PTFE/kurze Kohlenstofffasern und Graphit/kurze Kohlenstofffasern
bei 0,75 × 10–6 mm3/Nm und 1,21 × 10–6 mm3/Nm liegen. Somit hat sich nicht die wirksamste
Einzelkomponente, dies wäre
Graphit, sondern das am besten kombinierte System, hier PTFE/kurze
Kohlstofffasern, als am wirkungsvollsten erwiesen.
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3 zeigt den Fall einer Epoxidharz-Matrix
in der alle drei klassischen Füllmaterialien
PTFE, Graphit und kurze Kohlenstofffasern kombiniert sind. Hierbei
sind die Systeme jeweils mit den Volumenanteilen der jeweiligen
Füllmaterialien
in der Epoxidharz-Matrix bezeichnet. Somit wird eine Epoxidharz-Matrix mit 5 Vol.-% PTFE,
9 Vol.-% Graphit und 16 Vol.-% kurze Kohlenstofffasern als ein 5/9/16
System bezeichnet. Im Vergleich der spezifischen Verschleißraten ergibt
sich für
ein 10/10/10-System mit einer Verschleißrate von 0,58 × 106 mm3/Nm im Vergleich
zum 5/9/10-System mit einer Verschleißrate von 0,94 × 10–6 mm3/Nm, dem 10/5/15-System mit einer spezifischen
Verschleißrate
von 0,64 × 10–6 mm3/Nm und dem 5/15/10-System mit einer spezifischen
Verschleißrate
von 0,68 × 10–6 mm3/Nm der beste Vergleichswert. Hieraus ist ersichtlich,
dass das Zusammenspiel der unterschiedlichen Wirkmechanismen an
der unter Reibbelastung stehenden Grenzfläche kompliziert ist. Insbesondere
die Ausbildung einer Transferschicht, welche wächst, sich ablöst und wieder
anhaftet, ist im Zusammenspiel mit den verstärkend wirkenden Komponenten äußerst kompliziert.
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4 illustriert, dass mit
zunehmendem Anteil der Füllmaterialien
in einer Epoxidharz-Matrix die spezifische Verschleißrate absinkt.
Hierbei wurde keine Unterscheidung zwischen den unterschiedlichen
Füllmaterialien
getroffen, sondern lediglich ihr Gesamtanteil bzw. der Anteil der
Epoxidharz-Matrix gegen die spezifische Verschleißrate aufgetragen.
Somit werden die besten Ergebnisse mit relativ hohen Füllmaterialraten
erreicht. Besonders hohe Füllraten
führen
jedoch aus verarbeitungstechnischen Gründen zu Polymer-Verbundmaterialien,
die schwerer zu handhaben sind. Im Vergleich hierzu ergibt sich
bei einer erfindungsgemäßen Zugabe
von nanoskaligem TiO2 zu den klassischen
Füllmaterialien
eine Reduktion der spezifischen Verschleißrate bereits bei geringeren
Gesamtvolumenanteilen des Füllmaterials
in der Polymermatrix. Bei den genannt hohen Volumenanteilen der
klassischen Füllmaterialien
ergibt sich durch die Zugabe von TiO2 ein
Polymer-Verbundmaterial, welches sich durch eine besonders niedrige
spezifische Verschleißrate
auszeichnet. Die entsprechend getesteten Zusammensetzungen sind
in Tabelle 1 von Position 19 bis Position 30 gelistet. Hierbei ist
insbesondere ein System mit 15 Vol.-% Graphit, 15 Vol.-% kurzen
Kohlenstofffasern und 5 Vol.-% TiO2 vorteilhaft,
da dies sich durch eine besonders niedrige spezifische Verschleißrate von
0,32 × 10–6 mm3/Nm auszeichnet.
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Auch
ein System mit lediglich 5 Vol.-% Graphit und 5 Vol.-% kurzen Kohlenstofffasern
sowie einem Anteil von 5 Vol.-% nanoskaligem TiO2 ist
deshalb interessant, weil bei einer relativ geringen Konzentration
von Füllmaterialien
in der Polymermatrix eine bereits gute spezifische Verschleißrate von
0,51 × 106 mm3/Nm erreicht
wird. Hierin zeigt sich besonders gut die durch die Zugabe von nanoskaligem
TiO2 erzielte synergistische Wirkung, da
keine der klassischen Füllmaterialkombinationen
mit einem derart geringen Gesamtvolumenanteil eine vergleichbare
spezifische Verschleißrate
aufweist.
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Bei
der Einstellung des Anteils des nanoskaligem TiO2 im
Verhältnis
zu den klassischen Füllmaterialien
sind die Erfinder zu der Erkenntnis gelangt, dass es hierbei einen
Optimalwert gibt. Dies ist in 5 durch den
Vergleich unterschiedlicher Volumenzugaben von TiO2 an
reinem Epoxid-Kunstharz und an zwei unterschiedlichen Füllmaterialkombinationen,
zum einen mit 5 Vol.-% Graphit und 5 Vol.-% kurzen Kohlenstofffasern zum
anderen mit 15 Vol.-% Graphit und 15 Vol.-% kurzen Kohlenstofffasern,
illustriert. Hieraus ist ersichtlich, dass der optimale Anteil des
nanoskaligen TiO2 5 Vol.-% beträgt und das
für kleinere
und größere Werte
ein Anstieg der spezifischen Verschleißrate zu beobachten ist. Dieses
Ausbilden eines Minimalwertes für
die spezifische Verschleißrate
bei der Zugabe eines optimalen Anteils von nanoskaligem TiO2 ist besonders ausgeprägt, wenn in der Polymermatrix
ferner noch weitere klassische Füllmaterialien
wie Graphit oder kurze Kohlenstofffasern oder PTFE vorliegen.
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Eine
mögliche
Erklärung
für dieses
Verhalten könnte
sein, dass die harten nanoskaligen Partikel, die erfindungsgemäß in Ergänzung zu
den klassischen Füllmaterialien
in eine Polymermatrix eingebaut werden, einen Politureffekt auf
der Nanoskala bewirken. Elektrodenmikroskopische Untersuchungen
von Lagerflächen aus
dem erfindungsgemäßen Material
nach einer längeren
Belastung zeigen Kratzspuren insbesondere auf dem fasrigen Anteil
des Füllmaterials.
Die nanoskalischen, harten Partikel, die vorzugsweise aus einem
keramischen Material und wiederum besonders bevorzugt aus TiO2 bestehen, könnten zu einem Glättungseffekt beitragen.
Hierfür
spricht auch der gegenüber
dem reinen Epoxid deutlich verringerte Reibungskoeffizient. Dieser
beträgt
0,4 im Vergleich zum Reibungskoeffizient des Epoxids mit 10 Vol.-%
Graphit, 10 Vol.-% PTFE und 10 Vol.-% kurzen Kohlenstofffasern von
0,8 und jenem des Epoxids ohne jegliche Füllmaterialien von 1,2.
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Ein
weiterer möglicher
Wirkmechanismus der nanoskaligen, harten Partikel könnte darin
gesehen werden, dass diese aufgrund der nanoskaligen Größe großflächige innere
Grenzflächen
im Polymer-Verbundwerkstoff ausbilden und somit bei Scherbelastungen
ein besseres Abgleiten ermöglicht
wird. Hierzu zeigt 7 die
Verbesserung, die sich ergibt, wenn in einem Füllmaterialsystem bestehend
aus Graphit, kurzen Kohlenstofffasern und PTFE das PTFE durch nanoskaliges
TiO2 ersetzt wird. Der Vergleich zwischen
einem PTFE-Anteil von 5 Vol.-% und einem entsprechenden Anteil von
nanoskaligen TiO2 macht deutlich, dass sich die
spezifische Verschleißrate
für unterschiedliche
Anteile der klassischen Füllmaterialien
Graphit und kurze Kohlenstofffasern deutlich zu niedrigeren spezifischen
Verschleißraten
hin verschiebt. Dies legt nahe, dass die nanoskaligen Partikel neben
der bereits genannten Politurwirkung auch ein verbessertes Abgleiten
und evtl. die Ausbildung von Transferschichten ermöglichen.
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8 stellt anhand von Tiefenverschleißmessungen
den Vorteil dar, der sich aus einem erfindungsgemäßen Füllstoff,
gekennzeichnet durch die Zugabe von nanoskaligen Partikeln zu klassischen
Füllstoffmaterialien
ergibt. Verglichen wird ein klassischer Füllstoff, der 5 Vol.-% PTFE,
15 Vol.-% Kohlenstofffasern, 5 Vol.-% Graphit aufweist, mit einem
Füllstoff,
der zusätzlich
TiO2 Nanopartikel mit einem Anteil von 5
Vol.-% enthält.
Diese Messungen wurden für
verschiedene Flächenspannungen
p und Gleitgeschwindigkeiten v durchgeführt, wobei p im Bereich von
1 – 12
MPa und v im Bereich von 1 – 2
m/s variiert wurden. Wird, wie in 8 gezeigt,
die Tiefenverschleißrate
WTgegen das Produkt aus diesen beiden experimentellen
Parametern aufgetragen, so ist deutlich sichtbar, dass der Zusatz
von TiO2 zu den klassischen Zuschlagsstoffen
in nanoskaliger Form den Tiefenverschleiß deutlich reduziert. Statt
der maximalen 3 MPa m/s ohne Nanopartikel sind mit dieser Zugabe
9 MPa m/s bei gleicher Tiefenverschleißrate anwendbar. Der Zusammenhang
zwischen der Tiefenverschleißrate
und der voranstehend dargestellten spezifischen Verschleißrate WS ergibt sich durch die Beziehung WT = Ws p v.
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Zur
Erhöhung
der Verschleißfestigkeit
von Polymer-Grundwerkstoffen wird somit erfindungsgemäß zum klassischen
Füllmaterial,
wie beispielsweise Aramidfasern, Glasfasern, Kohlenstofffasern,
Glaskugeln, PTFE, Graphit oder Silikone, ein festgelegter Anteil
nanoskaliger Partikel großer
Härte zugegeben.
Wie dargestellt werden hierfür
nanoskalige Partikel aus keramische Materialien und insbesondere
TiO2 bevorzugt, aber auch andere hinreichend
harte Materialien entsprechender Korngröße, wie nanoskalige Gläser sind
hierfür
anwendbar. Beispielsweise können
metallische Hartstoffe in der Form von Nanopartikeln oder eine Vielzahl von
keramischen Nanopartikeln wie Al2O3, MgO und ZeO2 als
Beispiele für
oxidkeramische Stoffe und SiC, Si3N4 und BN als Beispiele für nichtoxidkeramische Stoffe
verwendet werden.
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Hierzu
sind die Erfinder zur Erkenntnis gelangt, dass der Anteil dieser
nanoskaligen harten Partikel auf ≤ 10
Vol.-% zu begrenzen ist und dass ein Bereich von 2 – 8 Vol.-%
und insbesondere ein Bereich von 4 – 6 Vol.-% bevorzugt wird.
Dies betrifft insbesondere nanoskaliges TiO2 als
Zuschlag zu einer aus Epoxidharz gebildeten Polymermatrix, die wenigstens
ein weiteres klassisches Füllmaterial
aufweist, welches durch die Gruppe aus Aramidfasern, Glasfasern,
Kohlenstofffasern, Glaskugeln, PTFE, Graphit oder Silikone gebildet wird.
Für einen
Polymer-Verbundwerkstoff auf Epoxidharzbasis wird insbesondere eine
Zusammensetzung mit 15 Vol.-% Graphit, 15 Vol.-% kurze Kohlenstofffasern
und 5 Vol.-% TiO2 bevorzugt.
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Tabelle
1: Zusammensetzung
und spezifische Verschleißrate
für einen
abriebfesten Polymer-Verbundwerkstoff auf Epoxbasis.
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