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Projektinfos  – Energieforschung konkret

Kurzcharakteristik lesen

© BMW Group
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Neue Werkstoffe mindern Kraftstoffverbrauch und Verschleiß
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Die Eigenschaften von diamantähnlichen Beschichtungen variieren je nach Bindungstyp.
© nach W. Jacob, W. Möller, Appl.Phys.Lett. 63
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Die klassischen Methoden, Reibung zu minimieren, haben Ingenieure in der langen Entwicklungsgeschichte des Maschinenbaus im Wesentlichen ausgereizt. Weitere Optimierungen spielen sich meist im kleinen Prozentbereich ab. Jetzt können neuartige Beschichtungen aus diamantähnlichen, schwarz glänzenden Kohlenstoffverbindungen ihre Vorteile ausspielen. Sie verbinden eine außerordentliche Gleitfähigkeit mit Antihafteigenschaften, chemischer Stabilität und einer extremen Materialhärte. In dem Forschungsprojekt Pegasus arbeiten Wissenschaftler aus Forschung und Industrie an der großtechnischen Nutzung für Antriebsstränge in Fahrzeugen.

Supraschmierfähigkeit oder auch Superlubricity nennen Physiker das Phänomen, dass spezielle Materialien extrem niedrige Reibungskoeffizienten von 0,01 bis 0,04 erzielen. Auf die Existenz dieses quantenphysikalisch erklärbaren Effektes bei Kohlenstoffschichten wiesen theoretische Arbeiten erstmals 1991 hin. Er konnte in der Folgezeit experimentell bestätigt werden. Aber erst 2005 gelang es japanischen Forschern, diamantähnliche Kohlenstoffschichten (DLC: Diamond-Like Carbon) zu entwickeln, die in Kombination mit speziellen organischen Schmierstoffen Supraschmierfähigkeit aufwiesen.
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Das Projekt Pegasus verfolgt das Ziel, den Superlubricity-Effekt in technischen Anwendungen nutzbar zu machen. Unter Federführung von BMW arbeiten sieben Unternehmen und Forschungseinrichtungen gemeinsam an Schichtenentwicklung, Beschichtungsverfahren sowie an angepassten Schmiermitteln die letztlich serientauglich werden sollen. Im Fokus stehen Automobilkomponenten im Motor und im Antriebsstrang.

Zwei zentrale Aufgaben gilt es zu lösen: Zum einen wollen die Wissenschaftler Verfahren entwickeln, mit denen die Kohlenstoffe als optimierte Schicht auf unterschiedliche Gleitkomponenten aufgebracht werden können, zum anderen ermitteln sie durch die systematische Reihenuntersuchung geeignete Schmierstoffe. Insbesondere müssen die superlubricity-aktiven Substanzen wirksam in den Schmierstoff eingebracht werden, ohne dass der Schmierstoff seine sonstige Funktionalität einbüßt.

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DLC-Schichten können mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt werden. Je nach Anforderungsprofil bewegt man sich dabei in einem „Kohlenstoff-Dreieck“ zwischen Diamant-, Graphit- und Polymercharakter (Abb. 1). Am härtesten ist wasserstofffreier tetraedisch gebundener Kohlenstoff (kurz ta-C). Zwar hat dieser nicht die kristalline Struktur von Diamant, weist aber überwiegend diamantähnliche Bindungen (sp³) auf. Entsprechend tendieren die physikalischen Eigenschaften, wie Dichte, Steifigkeit und Härte, zum Diamant. Immer noch sehr hart, aber graphitähnlicher verhält sich das Material mit zunehmenden (sp²)-Bindungsanteilen (a-C). Bei beiden Bindungstypen nehmen mit wachsendem Wasserstoffanteil polymerartige Schichtstrukturen zu.

Alle DLC-Schichten weisen unter ungeschmierten Bedingungen bereits eine niedrige Reibung im Direktkontakt zu unterschiedlichsten Reibpartnern auf. Unterschiede zwischen den DLC-Schichten bestehen vor allem hinsichtlich der Verschleißfestigkeit. So besitzen die Schichten mit einem hohen sp³-Anteil, also die ta-C-Schichten, die höchste Härte und damit die größte Verschleißbeständigkeit. Für Anwendungen in denen höchste Verschleißbeständigkeit gefragt ist, z.B. in abrasiven Medien, ist dieser Schichttyp prädestiniert. Aus prozesstechnischer Sicht sind die a-C:H-basierten Schichten hingegen einfacher herstellbar, so dass dieser Schichttyp bereits in zahlreichen Anwendungen weit verbreitet ist. Welche Schichten für welche konkreten Anwendungen letzlich ausgewählt werden, hängt von der Gesamtheit des Anforderungsprofiles ab. Daher rührt auch die Vielfalt von unterschiedlichen a-C:H- oder ta-C-basierten Schichtsystemen.