High-Tech Schmierstoff bildet sich bei Bedarf von selbst

Oberflächen 03. 09. 2023
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Genau dort, wo die Reibung hoch ist, entstehen Schmierstoffe, die für geringere Reibung sorgen: An der Technischen Universität Wien gelang das mit speziellen 2D-Materialien. Wichtig ist das für die Weltraumtechnik.

Unser Körper hat mit Maschinen einiges gemeinsam: Wir haben bewegliche Gelenke, es kommt zu Reibung und Verschleiß, man braucht daher geeignete Schmierstoffe. Der Körper produziert sie auf natürliche Weise ganz von selbst – etwas Ähnliches ist nun auch bei Maschinen möglich.

Durch die Wahl von passenden Materialien kann man erreichen, dass sich bei mechanischer Beanspruchung spezielle 2D-Materialien bilden, die höchst effektiv die Reibung verringern – hohe Reibung führt also ganz von selbst zu einer Verringerung der Reibung, das System reguliert sich selbst. Speziell für Anwendungen im Weltraum, wo flüssige Schmierstoffe versagen und keine Wartung möglich ist, birgt diese neue Technik große Vorteile.

Übereinander gleiten dünner Schichten

Die Tribologie, die Wissenschaft von Reibung und Verschleiß, befasst sich seit Jahren intensiv mit sogenannten 2D-Materialien – mit Partikeln, die nur aus einer oder aus wenigen Atomschichten bestehen. Zu dieser Materialklasse zählen etwa Molybdändisulfid oder Molybdändiselenid – in der Mitte befindet sich eine Schicht aus Molybdänatomen, darüber und darunter sind Schwefel- oder Selen­atome angekoppelt.

Solche ultradünnen Plättchen können mit sehr wenig Widerstand übereinander ­gleiten, sagt Dr. Philipp Grützmacher vom Institut für Konstruktionswissenschaften und Produkt­entwicklung der TU Wien. Daher seien diese Materialien ein hervorragender Schmierstoff. Philipp Grützmacher forscht im Team von Prof. Carsten Gachot, der den Forschungs­bereich für Tribologie an der TU Wien leitet.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Schmierstoffen wie Öl, die in flüssigem Zustand verwendet werden, können 2D-Materialien in Pulverform verwendet werden. Das ist besonders dann ein großer Vorteil, wenn eine Maschine bei hohen Temperaturen oder im Vakuum funktionieren soll, wo ­Flüssigkeiten rasch verdampfen würden. Deshalb ­spielen solche Schmierstoffe ganz besonders in der Weltraumtechnik eine wichtige Rolle, sie wurden etwa beim James-Webb-Weltraumteleskop verwendet, sagt Carsten Gachot.

Bei gewöhnlichen Bedingungen auf der Erde sind solche Materialien aber schwer zu handhaben. Durch Kontakt mit Sauerstoff oder Luftfeuchtigkeit können sie nämlich oxidieren und werden damit unbrauchbar. Optimal ist laut Philipp Grützmacher also ein 2D-Material, das genau dort erst entsteht, wo es gebraucht wird. Und genau das haben wir nun entwickelt.

Reibung erzeugt Schmierstoff

Man nimmt dazu einfach ein mechanisches Bauteil aus Stahl und überzieht es mit einer wenige Mikrometer dünnen Schicht aus Molybdän. In Pulverform wird dann Selen hinzugefügt. Bei mechanischer Beanspruchung, etwa wenn zwei solche Bauteile aneinander reiben, kommt es nach Aussage von Grützmacher zu einer tribochemischen Reak­tion, Selen und Molybdän verbinden sich zu Molybdändiselenid-Flakes, die dann als Schmierstoff wirken. Unsere Messungen zeigen: Sobald starke Reibung auftritt, wird der Schmierstoff produziert, die Reibung nimmt sofort drastisch ab und sinkt im Verlauf des Experiments weiter, so Grützmacher. Mit speziellen bildgebenden Verfahren konnte man nachweisen, dass dieser Effekt ­tatsächlich durch die Entstehung von ultradünnen Molyb­dänselenid-Schichten zustandekommt.

Im Gegensatz zu Beschichtungen aus ­vorab synthetisierten 2D Materialien (z. B. MoS2) zersetzen sich die Ausgangsmaterialien Molyb­dän und Selenpulver für den Prozess in Kontakt mit Sauerstoff oder Luftfeuchtigkeit nicht. Dadurch erweitert sich der Einsatzbereich dieses Schmierstoffsystems deutlich. Interessant ist diese Technologie nicht nur für Weltraumanwendungen, sondern für viele Einsatzbereiche, in denen flüssige Schmierstoffe Probleme verursachen – etwa, weil hohe Temperaturen auftreten, weil der Prozess im Vakuum stattfinden soll, oder weil es bei der Verwendung von Ölen zu Kontaminationen kommen könnte.

Ein weiterer wichtiger Vorteil: Der Schmierstoff wird immer genau dort gebildet, wo er benötigt wird, was durch einfaches Zuführen von Pulver auch jederzeit wiederholt werden kann. Somit wurde ein deutlich effizienteres Schmierstoffsystem mit längerer Lebensdauer geschaffen.Florian Aigner

Originalpublikation:

P. Grützmacher et al.: Se Nano-Powder ­Conversion into Lubricious 2D Selenide Layers by ­Tribochemical Reactions, Advanced Materials (2023), https://doi.org/10.1002/adma.202302076

Kontakt:

Prof. Carsten Gachot, Technische Universität Wien, E-Mail: carsten.gachot@tuwien.ac.at

Dr. Philipp Grützmacher, Technische Universität Wien, E-Mail: philipp.gruetzmacher@tuwien.ac.at

Text zum Titelbild: Prof. Dr.-Ing. Carsten Gachot (r.) und Dr. Philipp Grützmacher(Bild: TU Wien)

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