Advanced self-lubricating surfaces based on carbon nanoparticles

Abstract

This dissertation deals with a new branch of solid lubricants (carbon nanoparticles (CNP)), their use in a suitable base-material (Metal Matrix Composites (MMC)) and the investigation of a specific surface design (processed by laser surface structuring) to create and understand self-lubricating surfaces. The dissertation covers the complete process development from the synthesis and processing, experimental analysis and theoretical modeling, discussion and understanding of involved mechanisms up to the production of a prototype. Out of three investigated CNP (onion-like carbon, nanodiamonds and carbon nanotubes (CNT)), CNT are identified as the most suitable solid lubricant for self-lubricating surfaces. In this regard, their large aspect ratio, flexibility as well as degradation mechanism are the most important aspects to consider. Being stored in a surface, CNT are continuously pulled into the contact by elastic compression and restoration. Due to their degradation mechanism, their lubrication activity is insensitive to variations in humidity, surface roughness, loading conditions and contact mechanics. The lubrication mechanisms of CNT adapt to the given situation by effectively combining different solid lubricant working principles, namely: rolling, sliding and shearing. As a result, permanent self-lubricating surfaces are successfully produced, allowing for a maximum reduction in friction and wear by a factor of 4 and 115, respectively.

Diese Dissertation setzt sich zum Ziel, mittels neuartiger Festschmierstoffe (Kohlenstoff- Nanopartikel (CNP)), deren Einsatz in einer geeigneten Materialklasse (Metall Matrix Komposite (MMC)) und der Entwicklung eines spezifischen Oberflächendesigns (mittels Laser- Oberflächenstrukturierung) selbstschmierende Oberflächen herzustellen sowie die involvierten Mechanismen zu verstehen. Dies umfasst die vollständige Prozessentwicklung von der Synthese und Verarbeitung über die experimentelle Analyse und theoretische Modellierung, der Diskussion und dem Verständnis der Mechanismen bis hin zur Herstellung eines Prototyps. Von drei untersuchten CNP (zwiebelartiger Kohlenstoff, Nanodiamanten und Kohlenstoff- Nanoröhrchen (CNT)) konnten CNT als geeigneter Festschmierstoff identifiziert werden. Dies ist auf ihr hohes Aspektverhältnis, Flexibilität sowie ihren Degradationsmechanismus zurückzuführen. Die kontinuierliche Versorgung des Kontaktes mit CNT ist durch deren elastische Kompression und Rückstellvermögen gewährleistet. Der entsprechende Degradationsmechanismus erlaubt eine effiziente Schmierung unabhängig von vorherrschender Luftfeuchtigkeit, Oberflächenrauheit, dem Belastungskollektiv und der Kontaktmechanik, was auf die Anpassungsfähigkeit der Schmierungsmechanismen (Rollen, Gleiten und Scheren) zurückzuführen ist. So konnten permanent selbstschmierende Oberflächen hergestellt werden, welche eine maximale Reduzierung von Reibung und Verschleiß um den Faktor 4 bzw. 115 ermöglichen.