DE10329228A1

DE10329228A1 - Polymer-Verbundwerkstoff mit einem Füllmaterial zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit

Info

Publication number: DE10329228A1
Application number: DE2003129228
Authority: DE
Inventors: Zhong Dr. Zhang; Frank Dr.-Ing. Haupert; Klaus Prof. Dr.-Ing. Friedrich
Original assignee: Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH
Current assignee: Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH
Priority date: 2003-06-28
Filing date: 2003-06-28
Publication date: 2005-01-20

Abstract

Die Erfindung betrifft einen abtriebsfesten Polymer-Verbundwerkstoff, umfassend DOLLAR A - wenigstens eine Polymerkomponente, die eine Polymermatrix ausbildet; DOLLAR A - ein Füllmaterial für die Polymermatrix, wobei das Füllmaterial wenigstens ein Material aus der durch Aramidfasern, Glasfasern, Kohlenstofffasern, Glaskugeln, PTFE, Graphit und Silikone gebildeten Gruppe enthält; DOLLAR A dadurch gekennzeichnet, dass DOLLAR A - der Polymer-Verbundwerkstoff nanoskalige Partikel enthält.

Description

Die Erfindung betrifft einen Polymer-Verbundwerkstoff, der gemäß des Oberbegriffs aus Anspruch 1 ein Füllmaterial zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit enthält.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Im Folgenden wird der erfindungsgemäße abriebfeste Polymer-Verbundwerkstoff anhand der nachfolgenden Figuren und den darin dargestellten Vergleichsexperimenten genauer beschrieben.
1 Vergleich der spezifischen Verschleißrate für drei unterschiedliche Polymer-Verbundwerkstoffe, die jeweils eines der Füllmaterialen PTFE, Graphit oder kurze Kohlenstofffasern enthalten.
2 Vergleich der spezifischen Verschleißrate für die Kombination von jeweils zwei der in 1 genannten Füllmaterialien.
3 Vergleich der spezifischen Verschleißrate für Kombinationen der in 1 genannten Füllmaterialien mit unterschiedlichen Volumenverhältnissen.
4 Vergleich der spezifischen Verschleißrate für unterschiedliche Volumenanteile der die Polymermatrix bildenden Komponente am Beispiel eines Epoxidmaterials.
5 Vergleich der spezifischen Verschleißrate für variierende Anteile von nanoskaligem TiO₂ jeweils als einzige Komponente zu Epoxidharz und in Kombination mit zwei verschiedenen Füllmaterialkombinationen.
6 Vergleich der spezifischen Verschleißrate für unterschiedliche Volumenanteile der Füllmaterialkombination aus Graphit, nanoskaligem TiO₂ und kurzen Kohlenstofffasern.
7 Vergleich der spezifischen Verschleißrate von unterschiedlichen Füllmaterialkombinationen, wobei jeweils der PTFE-Anteil durch die nanoskalige Komponente ersetzt wird.
8 Vergleich der Tiefenverschleißrate für traditionelle Füllmaterialien und der Kombination traditioneller Füllmaterialien mit nanoskaligem TiO₂.
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Zugabe von nanoskaligen Partikeln zur Verringerung der spezifischen Verschleißrate von Polymer-Verbundwerkstoffen anhand eines ausgewählten Ausführungsbeispiels dargelegt.
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.
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.
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.
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.
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 mm³ ausgegangen. Nach dem Ende des Experiments wird der Massenverlust Δm gemessen und hieraus die spezifische Verschleißrate Ws wie folgt berechnet:
Hierbei beschreibt ρ die Dichte der Probe, F_N die auf die Probe wirkende Normalkraft während des Gleitens und L die gesamte Gleitdistanz.
In Tabelle 1 sind für 30 unterschiedliche Zusammensetzungen die jeweils über sechs Versuche gemittelten spezifischen Verschleißraten aufgelistet.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 W_Tgegen 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 W_S ergibt sich durch die Beziehung W_T = Ws p v.
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.
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.
Tabelle 1: Zusammensetzung und spezifische Verschleißrate für einen abriebfesten Polymer-Verbundwerkstoff auf Epoxbasis.

Claims

Abriebfester Polymer-Verbundwerkstoff, umfassend 1.1 wenigstens eine Polymerkomponente, die eine Polymermatrix ausbildet; 1.2 ein Füllmaterial für die Polymermatrix, wobei das Füllmaterial wenigstens ein Material aus der durch Aramidfasern, Glasfasern, Kohlenstofffasern, Glaskugeln, PTFE, Graphit und Silikone gebildeten Gruppe enthält; dadurch gekennzeichnet, dass 1.3 der Polymer-Verbundwerkstoff nanoskalige Partikel enthält.
Abriebfester Polymer-Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als nanoskalige Partikel nanoskalige keramische Partikel verwendet werden.
Abriebfester Polymer-Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nanoskaligen Partikel aus der Gruppe ausgewählt werden, die durch TiO₂, Al₂O₃, MgO, ZeO₂, SiC, Si₃N₄, BN, Gläsern und metallischen Hartstoffen gebildet wird.
Abriebfester Polymer-Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 – 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der nanoskaligen Partikel am Polymer-Verbundwerkstoff zwischen 1 – 10 Vol.-%, bevorzugt zwischen 2 – 8 Vol.-% und besonders bevorzugt zwischen 4 – 6 Vol.-% liegt.
Abriebfester Polymer-Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 – 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermatrix neben den nanoskaligen Partikeln folgendes Füllmaterial umfasst: Graphit 0 – 30 %; PTFE 0 – 30 %; Kurze Kohlenstofffasern 0 – 30 %.
Abriebfester Polymer-Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 – 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymer-Verbundwerkstoff 10-20 Vol. Graphit, 10 – 20 Vol.-% kurze Kohlenstofffasern und 4 – 6 Vol.-% nanoskaliges TiO₂ enthält.
Abriebfester Polymer-Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 – 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymer-Verbundwerkstoff 2 – 10 Vol.-% Graphit, 2-10 Vol.-% kurze Kohlenstofffasern und 4 – 6 Vol.-% nanoskaliges TiO₂ enthält.
Abriebfester Polymer-Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 – 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerkomponente, welche die Polymermatrix ausbildet, Epoxid-Harz umfasst.
Abriebfester Polymer-Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 – 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerkomponente, welche die Polymermatrix ausbildet, PEEK umfasst.
Verfahren zum Herstellen eines abriebfesten Polymer-Verbundwerkstoffs, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: 10.1 Temperieren der Komponenten des abriebfesten Polymer-Verbundwerkstoffs, wobei diese wenigstens eine Polymerkomponente zur Ausbildung einer Polymermatrix, wenigstens eine Füllmaterialkomponente aus der durch Aramidfasern, Glasfasern, Kohlenstofffasern, Glaskugeln, PTFE, Graphit und Silikone gebildeten Gruppe sowie nanoskalige Partikel umfassen; 10.2 die Komponenten des abriebfesten Polymer-Verbundwerkstoffs werden mechanisch vermischt; 10.3 die vermischten Komponenten werden in eine gewünschte Form gebracht; 10.4 die die Polymermatrix bildende Polymerkomponente wird polymerisiert.
Abriebfester Polymer-Verbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass der abriebfeste Polymer-Verbundwerkstoff zur Ausbildung eines Gleitlagers verwendet wird.
Abriebfester Polymer-Verbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass der abriebfeste Polymer-Verbundwerkstoff zur Ausbildung eines Zahnrades verwendet wird.
Abriebfester Polymer-Verbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass der abriebfeste Polymer-Verbundwerkstoff zur Ausbildung eines Dichtkörpers verwendet wird.