31. Juli 2020

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

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

Felix Gatti, Dr. Tobias Amann

Die Viskosität und die Additivzusammensetzung eines Schmiermittels sind auf die Anforderungen der jeweiligen Anwendung zugeschnitten. Die Eigenschaften und Wirkung der Schmierstoffe können sich im Einsatz durch die Beanspruchungen verändern. Dies hat zur Folge, dass der optimale Betriebspunkt des Systems verlassen wird. Mithilfe von elektrischen Potenzialen als externem Trigger kann bei Verwendung von oberflächenaktiven und polaren Substanzen gezielt Einfluss auf den Reibwert und damit auf sich verändernde Parameter genommen werden. Durch eine solche automatisierte Steuerung der tribologischen Eigenschaften könnte fortlaufend der optimale Betriebszustand eingeregelt werden. Aus diesem Grund bietet die Reibungssteuerung ein enormes Potenzial zur Steigerung der Energieeffizienz und Lebensdauer tribologisch beanspruchter Bauteile. Deshalb wurde 2018 ein Forschungsteam aus den Fraunhofer-Instituten ICT, IWU und IWM innerhalb des Cluster of Excellence Programmierbare Materialien CPM mit dem Ziel der automatisierten Anpassung der Reibung bei sich verändernden Bedingungen zusammengestellt.

© Fraunhofer IWM
Abb. 2: Reibwertänderung im Vergleich zum unpolarisierten Zustand in Abhängigkeit vom Mischungsverhältnis der beiden ILs bei a) anodischer Polarisation und b) kathodischer Polarisation.

Durch die Verwendung von ionischen Flüssigkeiten (ionic liquids, ILs) kann mithilfe von extern angelegten elektrischen Spannungen die Anlagerung der ILs im Reibspalt kontrolliert und somit die Reibung gezielt beeinflusst werden. In einem eigens gebauten Modellversuch wurde die Quantität der Reibwertsteuerung unter Einfluss von elektrischen Potenzialen gemessen (Abbildung 1). Dabei wurden Arbeitselektrode (AE), Referenzelektrode (RE) und ein Platindraht als Gegenelektrode (GE) als 3-Elektrodenanordnung in das Modell integriert, sodass elektrische Potenziale und Ströme eingestellt und variiert werden können. Als Schmiermittel wurden zwei ILs mit gleichem Kation (Phosphonium) und unterschiedlichem Anion (Sylfonylimd, BTA und Phosphat, DEHP) verwendet. Diese ILs wurden einzeln als auch in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen zueinander eingesetzt. In Abbildung 2 ist die maximale Reibwertänderung der unterschiedlichen IL-Mischungen dargestellt, die durch eine anodische Oberflächenladung (+300 µA) beziehungsweise kathodische Oberflächenladung (-300 µA) erreicht wurde. Der elektrische Strom wurde nach einer Einlaufphase (50 N, 100 rpm, 2 h, Raumtemperatur) eingestellt und für eine halbe Stunde gehalten. Die größte Reibwertsteigerung gegenüber dem unpolarisierten Zustand von 45 % konnte bei einem Verhältnis von 3:1 von BTA:DEHP (75 % BTA in DEHP) erzielt werden. Eine Reibwertreduktion um 10 % konnte bei einem 1:1 Verhältnis (50 % BTA in DEHP) erreicht werden.

Durch die Verbindung des Tribometers mit dem Potentiostat über einen »Tribo-Regler« sollen in Zukunft voreingestellte Sollwerte des Reibwerts automatisch und parameterunabhängig eingestellt werden.

Diese Ergebnisse entstanden im Fraunhofer Cluster of Excellence Programmierbare Materialien.

 

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