Impact of Nano-fillers on Tribofilm-related Friction and Wear Reduction of Polymer Matrix Composites

纳米填料对减少聚合物基复合材料摩擦膜相关摩擦磨损的影响

基本信息

项目摘要

It has been shown recently that the tribological performance of polymer matrix composites can be improved by introducing an additional filler in the form of silica nanoparticles. The effect of friction and wear reduction was attributed to the formation of a thin tribofilm at the surface of the counter-body. The observed improvement of properties is beneficial in respect to potential applications e.g. as journal bearings. Up to now, the composition and micro/nanostructure of the tribofilm is not known and the mechanisms of friction and wear reduction are not understood. In order to find answers to these questions close cooperation between three research groups will be most effective for the following reasons: i) IVW-Kaiserslautern has already successfully prepared such composites, ii) BAM-Berlin has experience with nano-characterization of tribofilms and iii) ISPMS-Tomsk can simulate the sliding behaviour of such films.The Project will address at least three brand new issues: Firstly, silica nanoparticles will be synthesized with smaller diameters and more uniform size distributions compared to commercially available raw materials. Secondly, the thin and nano-structured surface films will be characterized by analytical transmission electron microscopy. The method of target preparation with a DualBeam instrument (combination of focused ion beam (FIB) milling and imaging with a high resolution scanning electron microscope (SEM)) has been developed recently. Thirdly, the results of nanostructural characterization will provide the input for modelling the sliding behaviour on the nanoscopic scale. Thus it will be possible to study the impact of volume fraction and distribution of nano-constituents systematically.Objectives are not only to understand how an approved sliding couple works, but also to establish a method for the development of new materials on the basis of modelling results. Our vision is to develop a system based on the formation of a stable tribofilm providing the desired friction level without any wear particle emission to the environment. We expect that this goal can be reached at least under steady state conditions which will apply for the major fraction of a bearing life time. For reaching a dynamic equilibrium matching the above demands the following prerequisites have to be fulfilled: i) Wear debris available at the surface forms a well adhering film. ii) Velocity accommodation occurs by detachment of nanoparticles from the film and granular flow within an interface layer. iii) After a certain sliding distance loose nanoparticles are re-deposited at the surface thus restoring the tribofilm. Modelling and sliding simulation will show under which conditions such processes take place. The results thus can be used to develop new material designs.
最近有研究表明,在聚合物基复合材料中加入二氧化硅纳米颗粒可以提高材料的摩擦学性能。减少摩擦和磨损的效果是由于在反体表面形成了一层薄薄的摩擦膜。所观察到的性能的改善对于潜在的应用是有益的,例如轴颈轴承。迄今为止,人们还不清楚摩擦膜的组成和微纳结构,也不清楚摩擦膜的减磨机理。为了找到这些问题的答案,三个研究小组之间的密切合作将是最有效的,原因如下:i) IVW-Kaiserslautern已经成功地制备了这种复合材料,ii) bamm - berlin在摩擦膜的纳米表征方面有经验,iii) ISPMS-Tomsk可以模拟这种薄膜的滑动行为。该项目将解决至少三个全新的问题:首先,与商业原料相比,二氧化硅纳米颗粒将以更小的直径和更均匀的尺寸分布合成。其次,利用透射电子显微镜对薄膜和纳米结构表面进行表征。双光束仪器(聚焦离子束(FIB)铣削与高分辨率扫描电子显微镜(SEM)成像相结合)制备靶材的方法是近年来发展起来的。第三,纳米结构表征的结果将为在纳米尺度上模拟滑动行为提供输入。从而有可能系统地研究纳米组分的体积分数和分布的影响。目标不仅是了解一个批准的滑动偶是如何工作的,而且还建立了一种基于建模结果开发新材料的方法。我们的愿景是开发一种基于稳定摩擦膜形成的系统,提供所需的摩擦水平,而不会向环境排放任何磨损颗粒。我们预计这一目标至少可以在稳态条件下实现,这将适用于轴承寿命的大部分时间。为了达到符合上述要求的动态平衡,必须满足以下先决条件:1)表面可用的磨损碎屑形成良好的粘附膜。ii)速度调节发生在纳米颗粒脱离薄膜和界面层内的颗粒流动。iii)经过一定的滑动距离后,松散的纳米颗粒重新沉积在表面,从而恢复摩擦膜。建模和滑动模拟将显示在何种条件下这些过程发生。因此,研究结果可用于开发新的材料设计。

项目成果

期刊论文数量(8)
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Formation and function mechanisms of nanostructured tribofilms of epoxy-based hybrid nanocomposites
  • DOI:
    10.1016/j.wear.2015.08.025
  • 发表时间:
    2015-11
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    Ga Zhang;I. Häusler;W. Österle;B. Wetzel;B. Jim
  • 通讯作者:
    Ga Zhang;I. Häusler;W. Österle;B. Wetzel;B. Jim
Impact of counterface topography on the formation mechanisms of nanostructured tribofilm of PEEK hybrid nanocomposites
  • DOI:
    10.1016/j.triboint.2014.11.015
  • 发表时间:
    2015-03
  • 期刊:
  • 影响因子:
    6.2
  • 作者:
    Ga Zhang;B. Wetzel;B. Jim;W. Oesterle
  • 通讯作者:
    Ga Zhang;B. Wetzel;B. Jim;W. Oesterle
The role of carbon fibers and silica nanoparticles on friction and wear reduction of an advanced polymer matrix composite
  • DOI:
    10.1016/j.matdes.2015.12.175
  • 发表时间:
    2016-03-05
  • 期刊:
  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
    Oesterle, W.;Dmitriev, A. I.;Jim, B. C.
  • 通讯作者:
    Jim, B. C.
Modeling of the stress-strain behavior of an epoxy-based nanocomposite filled with silica nanoparticles
  • DOI:
    10.1016/j.matdes.2015.10.038
  • 发表时间:
    2016-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
    A. Dmitriev;I. Häusler;W. Österle;B. Wetzel;Ga Zhang
  • 通讯作者:
    A. Dmitriev;I. Häusler;W. Österle;B. Wetzel;Ga Zhang
Exploring the beneficial role of tribofilms formed from an epoxy-based hybrid nanocomposite
  • DOI:
    10.1016/j.triboint.2015.03.006
  • 发表时间:
    2015-08
  • 期刊:
  • 影响因子:
    6.2
  • 作者:
    W. Österle;A. Dmitriev;T. Gradt;I. Häusler;B. Hammouri;P. I. M. Guzmán;B. Wetzel;D. Yigit;Ga Zhang
  • 通讯作者:
    W. Österle;A. Dmitriev;T. Gradt;I. Häusler;B. Hammouri;P. I. M. Guzmán;B. Wetzel;D. Yigit;Ga Zhang
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Dr.-Ing. Bernd Wetzel, since 6/2014其他文献

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