Zu polymeren Gradientenwerkstoffen für tribologische Anwendungen

About functionally graded polymer materials for tribological applications

  • Gradientenwerkstoffe sind Werkstoffe, deren Zusammensetzung und/oder Mikrostruktur sich in einer oder mehreren räumlichen Richtungen ändert. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, funktionelle Bauteile mit unterschiedlichen Materialeigenschaften auf verschiedenen Oberflächen oder Seiten speziell an einzelne Anwendungsfälle anzupassen. Bei der Herstellung der Gradientenwerkstoffe mit einer durchgängigen Matrix ergeben sich weitere besonderen Eigenschaften wie eine kontinuierliche Änderung der Materialeigenschaften. Solche Werkstoffe besitzen gegenüber beschichteten oder sandwichartig aufgebauten Materialien außerdem die Vorteile niedriger innerer Spannungen und sie neigen nicht zu Abplatzeffekten. Im Rahmen des Projekts konnte gezeigt werden, dass die Zentrifugation eine geeignete Methode zur Herstellung Epoxidharz-basierender Gradientenwerkstoffe ist. Bei einer entsprechenden Wahl der Zentrifugationsparameter wie Drehzahl, Dauer der Zentrifugation und Viskosität des Harzes ließen sich kontrolliert unterschiedlichste Füllstoffverteilungen einstellen. Diese umfassten Varianten von der homogenen Verteilung über eine kontinuierliche gradierte Änderung des Füllstoffgehalts bis hin zu einer vollständigen Separation der Probe in einen Reinharzbereich und einen maximal gefüllten Bereich. Es wurde ein Softwaretool entwickelt, das die Füllstoffverteilung in Abhängigkeit aller Zentrifugationsparameter berechnete. Dabei ergab sich eine gute Übereinstimmung der Experimente mit der Simulation. Durch die Zentrifugation ließen sich in den äußeren Probenbereichen wesentlich höhere Füllgrade erzielen, als dies durch reine Vakuummischtechnik möglich gewesen wäre. Bei einigen Füllstoffen und Füllstoffkombinationen zeigten die maximal gefüllten Zonen der Gradientenwerkstoffe eine deutlich höhere Verschleißfestigkeit als die maximal isotrop gefüllten Proben. Diese Verbesserung durch Gradierung ließ sich auch für trockengeschmierte, Graphit-gefüllte Werkstoffe zeigen. Die Verschleißraten der trockengeschmierten Gradientenwerkstoffe verringerten sich gegenüber den ungeschmierten Werkstoffen deutlich. Bei einer geeigneten Wahl der Füllstoffverteilung ließ sich sowohl eine Verbesserung der Verschleißfestigkeit auf der äußeren, verschleißbelasteten Zone der Materialien erzielen, als auch gleichzeitig eine höhere Schlagzähigkeit im Inneren der Probe. Die Verbesserung der Verschleißfestigkeit durch die Gradierung konnte auf eine Bauteilgeometrie übertragen werden. Gleitlager-Innenringe mit einer, durch Zentrifugation hoch gefüllten äußeren Zone, zeigten in Gleitverschleißexperimenten eine höhere Verschleißfestigkeit als vergleichbare isotrope Werkstoffe. Als weiter Demonstrator-Bauteile wurden Laufrollen mit der gleichen Geometrie wie kommerziell erhältliche Rollen hergestellt. Diese Rollen wurden mit einem kontinuierlichen Aramid Gradienten in der polymeren Zone um den Stahlkern gefertigt.
  • Functionally graded materials are compounds with a change in composition or micro-structure in one or more spatial directions. From this results the possibility to create functional parts with different properties on different surfaces and tailor them to special applications. By manufacturing functionally graded materials with a continuous matrix further advantages like a continuous change of material properties can be achieved. These materials excel over coated or sandwich structure because they are not prone to spalling and possess lower internal tensions. The scope of this study was to establish the centrifugation process as a viable method for the creation of functionally graded composites based on epoxy resins. With an adequate choice of the centrifugation parameters like turning speed, duration of the centrifugation and viscosity of the resin it was possible to obtain different types of filler distributions in a controlled manner. They comprised variants from a homogeneous distribution through a continuous graded change of the filler content to a total separation of the samples in a maximum filled part and a pure resin part. A software tool was developed for the simulation of the filler distribution after the centrifugation in reference to all the centrifugation parameters. A good correlation between the simulation and the experiments was obtained. Higher filler contents were reached in the outer parts of the samples by using centrifugation. Those would not have been attainable by straight vacuum mixing techniques. For some fillers and filler combinations the maximum filled zone showed a much higher wear resistance than the maximum filled isotropic samples. This improvement was also shown for dry lubricated graphite filled composites. The wear rates of the dry lubricated composites were much lower compared to the unlubricated composites. With an appropriate choice of the filler distribution both an increase in wear resistance in the outer wear loaded zones of the materials was achieved and at the same time a higher fracture toughness at the core of the samples. The increase of wear resistance by graded filler distribution was conveyed to parts with a component geometry. Journal bearing inner rings with an outer zone highly filled by centrifugation showed a much higher wear resistance in sliding wear conditions than comparable isotropic materials. For further demonstration purposes, cam rollers with the same geometry as commercially available rollers were created. These rollers were manufactured with a continuous aramid gradient in the composite zone around a steel core.

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Metadaten
Author:Christoph Klingshirn
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-17762
Advisor:Klaus Friedrich
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Year of Completion:2004
Year of Publication:2004
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2004/07/20
Tag:functionally graded material ; polymer; triboligy
GND-Keyword:Funktioneller Gradientenwerkstoff ; Polymere; Tribologie
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 12793 $