Tribologisch optimierte polymere Hochleistungsverbundwerkstoffe für den Einsatz unter abrasiven Bedingungen

Polymeric High Performance Composite Materials with Optimised Tribological Properties for Abrasive Conditions

  • Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden sowohl neuartige polymere Hochleistungsverbundwerkstoffe als auch unterschiedliche Modellprüfmethoden zur Nachbildung abrasiver Verschleißbedingungen entwickelt. Ausgangspunkt für diese Themenstellung war, Verbundwerkstoffe als alternative Gleitlagermaterialien in hermetisch dichten Pumpen für aggressive und abrasive Medien einzusetzen. Stand der Technik sind hierbei keramische Gleitlager, insbesondere aus monolithischem Siliziumkarbid. Das Ziel war somit zu untersuchen, ob Polymerwerkstoffe derart modifiziert werden können, dass ein vergleichbares Verschleißverhalten erreicht wird. Auf der Basis von Epoxidharz wurde die elementare Werkstoffentwicklung, durch Variation von Füll- und Verstärkungsstoffe, hinsichtlich Art, Größe und Menge, durchgeführt. Die Formulierung mit den in Summe günstigsten Eigenschaften wurde anschließend auf einen weiteren Duroplasten (Vinylester) und einen Thermoplasten (Etylentetrafluorethylen) übertragen. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass das Verschleißverhalten bei hochgefüllten Systemen maßgeblich von den Füll- und Verstärkungsstoffen geprägt wird und durch die Übertragung der Formulierung ähnliche Verschleißraten erzielt werden. Weiterhin wurde der Einfluss der Aushärtungstemperatur, und somit des Herstellungsprozesses, auf die Werkstoffeigenschaften dargestellt. Durch eine weiterführende Werkstoffmodifikation, den Einsatz multimodaler Korngrößenverteilungen, war es zudem möglich die tribologischen Eigenschaften nochmals zu verbessern. Der Vergleich der Werkstoffeigenschaften erfolgte mittels mechanischer und tribologischer Prüfungen. Letztere waren jedoch nur bedingt anwendbar, um einen Vergleich zwischen den neu entwickelten Hochleistungsverbundwerkstoffen und dem Referenzwerkstoff Siliziumkarbid zu ermöglichen. Aus diesem Grunde wurde ein spezieller Medienprüfstand konstruiert und aufgebaut, um verschiedenste abrasive Prüfbedingungen, ob geschmiert oder ungeschmiert, simulieren zu können. Mit Hilfe abrasiver Gegenkörper war es möglich die Testzeit von 20 Stunden auf 60 Sekunden zu verkürzen. Die anschließende Validierung der Ergebnisse ergab eine gute Übereinstimmung. Zur Ableitung allgemein gültiger Aussagen wurden die Ergebnisse anhand dreier Verschleißmodelle für abrasive Bedingungen (Archard, Budinski, Ratner et al) überprüft. Dabei erwies sich jedoch keines der Modell als passend, um alle experimentellen Werte abbilden zu können. Dennoch lies sich erkennen, dass das Deformationsverhalten bei abrasiven Verschleißvorgängen eine bedeutende Rolle spielt. Deshalb wurde das Deformationsverhalten von drei exemplarischen Verbundwerkstoffen bei einer dynamischen Mikrohärteprüfung mittels der Finiten Elemente Methode (FEM) simuliert. Es zeigte sich, dass zum einen die Berechnungen und die experimentellen Ergebnisse sehr gut übereinstimmen. Zum anderen sind die entwickelten FEM Modelle sehr gut geeignet, um das Verschleißverhalten zu erklären.
  • In the frame of this dissertation new polymeric high performance composite materials were developed as well as different testing methods to replicate abrasive wear conditions. Initial point fort his theme was to establish composite materials as alternative slide bearing material in hermetical closed pumps for aggressive and abrasive media. State-of-art for this application are slide bearings made of ceramic materials, especially monolithic silicon carbide. Thus, the aim of this work was to investigate whether polymeric materials could be modified in such a manner that they offer comparable wear behaviour. On the basis of epoxy resin the fundamental material development was conducted by varying fillers and reinforcing components regarding type, size and quantity. Afterwards the formulation with well-balanced properties was transferred to another thermosetting material (Vinylester) and a thermoplastic (Etylentetrafluorethylen). This way it was possible to demonstrate that the wear behaviour of highly filled systems is significantly influenced by the incorporated fillers and reinforcing components and by transferring the formulation similar wear rates can be obtained. Furthermore, the effect of the curing temperature and thus the manufacturing process on the material properties was described. Through the addition of multimodal particle size distributions to the composite materials the tribological behaviour could be enhanced again. The examination of the material properties was realised by mechanical and tribological tests. However, the latter were conditionally useful to compare the newly developed high performance composite materials with the reference material, monolithic silicon carbide. Out of this reason a special media test rig was designed and built up to be able to simulate lubricated and unlubricated abrasive wear conditions. By utilising abrasive counterparts it was possible to cut down the testing time from 20 hours to 60 seconds. The following validation of the results revealed a good agreement. To draw universally valid conclusions the experimental results were reviewed with three wear models, suitable for abrasive conditions (Archard, Budinski, Ratner et al). Thereby, none of the models proved to be adequate to reproduce all experimental values. Nevertheless it could be identified that the deformation behaviour plays an important role during abrasive wear processes. Hence the deformation behaviour of three exemplary composite materials was simulated with the finite element method (FEM) while a dynamic micro hardness measurement. It was found that the calculated and the experimental data fitted in good agreement. Furthermore, the developed FEM models suit very well for explaining the wear behaviour.

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Metadaten
Author:Rolf Prehn
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-20996
Advisor:Klaus Friedrich
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Year of Completion:2007
Year of Publication:2007
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2006/10/25
GND-Keyword:Abrasiver Verschleiß ; Flüssigkeitsreibung ; Gleitlager ; Keramik <T ; Polymere; Pumpe ; Reibung ; Siliciumcarbid ; Tribologie ; Verschleißprüfung
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:670 Industrielle Fertigung

$Rev: 12793 $