IEA AMT Task 12: Newsletter - Neuartige 2D Werkstoffe und laserbasierte Oberflächenverfahren zur Steigerung der Ressourceneffizienz in Mobilitätsanwendungen (Februar 2025)

Reibungs- und verschleißbedingte Schäden belasten weltweite Volkswirtschaften jährlich mit enormen Kosten in mehrstelliger Millionenhöhe. Ausfälle von Maschinen und somit Produktionsketten führen zu massiven Verzögerungen und erhöhten Reparatur- und Wartungskosten. Die Schmierung von Maschinen ist essenziell und in Zeiten erhöhter Anforderungen an Prozesse aber auch Aspekte der Ressourceneffizienz, Nachhaltigkeit und der Auswirkungen auf unsere Umwelt bedürfen der weiteren Forschung auf dem Gebiet neuer Schmierungskonzepte.

Abseits der Reduktion von Reibung und Verschleiß und damit der Erhöhung der Lebensdauer von Maschinenkomponenten, sind auch die Themen Wärmeabfuhr, Übertragung von Kräften und Momenten und Dämpfung in diesem Kontext zu nennen. Für viele Anwendungen im Bereich der Luft- und Raumfahrttechnik aber auch bei Applikation von Schmierstoffen in der Elektromobilität sind die Anforderungen deutlich gestiegen. Der vermehrte Einsatz von Kupferwerkstoffen, elektrische Felder sowie die direktere Übertragung von Kräften und Momenten führt insbesondere bei E-Fahrzeugen zu Schwierigkeiten beim Einsatz von konventionellen Schmierstoffen. Im Falle von Vakuumapplikationen entweder bei Vakuumventilen oder gar dem Einsatz in der Raumfahrt, kann die Schmierung mit klassischen flüssigen Schmierstoffen nicht erfolgen. Task 12 des AMT-TCP beschäftigt sich in diesem Zusammenhang mit der Entwicklung neuer Festschmierstoffe auf der Basis von 2D Materialien (z. B. Graphen, MXene z. B. Ti3C2 als Übergangsmetallcarbide-/nitride oder carbonitride oder Übergangsmetalldichalkogenide wie Molybdän- bzw. Wolframdisulfid MoS2/WS2).

An der Technischen Universität Wien seitens Österreich werden dabei diese neuartigen Festschmierstoffe gemeinsam mit KollegInnen der Chemie, Forschungsgruppe Prof. Dr. Bernhard Bayer-Skoff, auf Materialoberflächen appliziert und dann auf ihre tribologische Leistungsfähigkeit (d. h. Fähigkeit Reibung und Verschleiß zu reduzieren) getestet. Eine Schwierigkeit liegt hierbei in der
Herstellung einer stabilen Dispersion von den jeweiligen verwendeten 2D Materialien. Bei der Auswahl des „falschen" Lösemittels besteht die Gefahr, dass die dispergierten Partikel nicht in Schwebe gehalten werden und nach einer gewissen Zeit zu Boden sinken. Für einen nachgeschalteten Sprayprozess zur Aufbringung der 2D Materialien als Beschichtung ist dies nachteilig. Auf der Seite der Chemie (Team Prof. Dr. Bernhard Bayer-Skoff) wird demnach mit Hilfe von „Lösemittel-Screenings" nach maßgeschneiderten Lösungen gesucht, damit diese Dispersionen langzeitstabil sind.

Ein weiteres generelles Problem bei der Verwendung von Festschmierstoffen besteht darin, dass beim Entfernen dieser Festschmierstoffe eine Nachschmierung wie bei einem Schmieröl oder -fett nicht einfach realisierbar ist. Die Grundidee besteht nun darin, über eine Kombination mit einer hochpräzisen Lasertechnik, die Oberfläche eines Materials zu strukturieren und damit winzige, aber wohldefinierte Mikro- Schmierstofftaschen zu erzeugen, die einerseits den Festschmierstoff halten
können und somit die Schmierung eines belasteten Kontakts gewährleisten und andererseits auch Abriebpartikel zu speichern sowie die reale Kontaktfläche des Kontakts zu verringern. Aktuell untersuchen wir an der TU Wien Stahloberflächen und auch Titanlegierungen, die besonders für die Luft- und Raumfahrttechnik sind.

Im Dezember 2024 fand hierzu auch an der TU Wien ein zweitägiges internationales Tribologiesymposium statt, bei dem die neuesten Entwicklungen und Forschungsergebnisse zum Thema „2D Materialien als Festschmierstoffe in der Mobilität" präsentiert wurden. Es gab ein sehr vielfältiges Programm mit über 70 internationalen TeilnehmerInnen und Posterpräsentationen gegen Ende des ersten Veranstaltungstages mit dem Schwerpunkt Festschmierstofflösungen für
Mobilitätsanwendungen.

Sieben eingeladene Plenarvorträge rundeten das Programm ab, in dem eine Brücke von der allgemeinen Bedeutung der Tribologie zu neuartigen Beschichtungen, Simulationsmethoden, Materialdesign, Leichtbau bis hin zu Anwendungen von Polymerwerkstoffen geschlagen wurde.