Programmierbare Reibung: Reversible Steuerung des Reibwerts mit ionischen Flüssigkeitsmischungen durch elektrische Potenziale

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Abb. 1: Aufbau des Kugel-3-Stifte Versuchs mit integrierter 3-Elektrodenkonfiguration.

Felix Gatti, Dr. Tobias Amann

Die direkte Steuerung oder sogar Programmierung der Reibeigenschaften eines tribologischen Systems ist eines der großen Ziele der Tribologie. [1] Dabei sind die Mechanismen, die zu einer Veränderung des Reibwerts führen, auf der Nanoskala teilweise erforscht. Diese gilt es nun, auf die Makroskala zu übertragen. [2] Dabei ist es besonders erstrebenswert, die Eigenschaften nicht im Auswahlprozess der Materialien oder des Schmiermediums festzulegen, sondern während des laufenden Betriebs durch einen externen Trigger zu beeinflussen. Eine geeignete Kombination von Schmierstoff und externem Trigger stellt eine enorme Herausforderung dar. Ionische Flüssigkeitsgemische (ionic liquid mixtures, ILMs), bestehend aus einem langkettigen Kation und zwei unterschiedlichen Anionen, und ein extern angelegtes elektrisches Potenzial stellen eine vielversprechende Kombination dar. Durch das Anlegen eines elektrischen Potenzials an das tribologische System (Abbildung 1) wird auf den Reibpartnern eine Oberflächenladung induziert. Je nach Polarisation wird die Adsorption von Kationen oder Anionen im Reibspalt induziert und führt so zu einer Änderung des Reibwerts. Die Kopplung des Tribosystems mit dem elektrischen Potenzial über einen »Tribo-Contoller« ermöglichte die zeitabhängige, autonome und reversible Programmierung des Reibwerts auf vordefinierte Werte (Abbildung 2). [3]

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Abb. 2: Zeitabhängige, autonome und reversible Programmierung des Reibwerts auf einen erhöhten (rote Linien) und einen verminderten (blaue Linien) Reibwert im Vergleich zum unpolarisierten Zustand. Die Programmierung erfolgte nach einer zweistündigen Einlaufzeit des Systems.

Ein erster anwendungsnaher Nachweis der programmierbaren Reibung erfolgt aktuell an einer Kupplung. Bei Reduktion des Drehmoments im laufenden Betrieb unterhalb eines vordefinierten Zielbereichs soll das Drehmoment automatisch auf den idealen Wert zurückgeregelt werden. Die Schaltbarkeit des Reibwerts ist abhängig von den verwendeten ILM, dem Material, den tribologischen Parametern und der Oberflächenladung. Diese Wechselwirkungen werden in weiteren Forschungsarbeiten näher untersucht, um diese Methode der aktiven Reiboptimierung bei technisch relevante Anwendungen wie z. B. Gleit- und Wälzlager zu implementieren.

Diese Ergebnisse entstanden im Fraunhofer Cluster of Excellence Programmierbare Materialien

 

[1] Curtis, C. K.; Streator, J. L.; Krim, J., Friction: Friend and Foe; Surface and Interface Science: Volume 10, Applications of Surface Science II, Volume 10; Wandelt, K. (Hrsg.) Wiley‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA (2020) 691-734

[2] Urbakh, M. ; Meyer, E., The renaissance of friction, Nature Materials 9/8-10 (2010)

[3] Gatti, F.; Amann, T.; Kailer, A.; Baltes, N.; Rühe; J.; Gumbsch, P., Towards programmable friction: control of lubrication with ionic liquid mixtures by automated electrical regulation, Scientific Reports 10/1 (2020) Art. 17634, 10 Seiten

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