DE102006003907A1 - Nano-Kompositmaterialien in Reib- oder Bremsbelägen - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zusammensetzung auf vorbestimmten Flächen von einem reibenden Kontakt ausgesetzten Reib- und Bremsbelägen, wobei die Zusammensetzung aus einem Grundmaterial und aus mindestens einem in Abhängigkeit der gewünschten Verschleiß-, Reib- und/oder Hafteigenschaften des Belags ausgewählten Nanomaterial besteht.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Reib-/Bremsbelag, welcher einem reibenden Kontakt ausgesetzt ist.
• Es ist der Anmelderin bekannt, Reib- und Bremsbeläge aus Harz herzustellen und mit unterschiedlichen Füllstoffen zu füllen. Beispielsweise werden einem flüssigen Harz im Mikrometerbereich Füllungen mit Mikropulvern oder Faserverstärkungen für eine Verbesserung der Reibeigenschaften, der Verschleiß- und Korrosionsfestigkeiten oder der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften beigemischt.
• An diesem Ansatz hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass derartige Füllstoffe im Mikrometerbereich zwar lokal auf Mikroebene die mechanischen und physikalischen Eigenschaften verbessern, jedoch eine Ungleichmäßigkeit auf Mikroebene bestehen bleibt. Daraus können nachteilig ungünstige Reibwerte, ein höherer Verschleiß und eine niedrigere Dauerfestigkeit resultieren, da Mikrofüllung als sogenannte Risskeime auftreten und mechanische Risse verursachen können.
• Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einem reibenden Kontakt ausgesetzten Reib- oder Bremsbelag anzugeben, welcher eine verbesserte Reibeigenschaft, eine verbesserte Verschleißfestigkeit, eine verbesserte Dauerfestigkeit und/oder eine verbesserte Hafteigenschaft aufweist.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Reib-/Bremsbelag mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass ein Reib- oder Bremsbelag aus einem Grundmaterial und aus mindestens einem, in Abhängigkeit der gewünschten Verschleiß-, Reib- und/oder Hafteigenschaften der Beschichtung ausgewählten Nanomaterial besteht.
• Somit weist die vorliegende Erfindung gegenüber den eingangs genannten Ansätzen den Vorteil auf, dass sich durch das bzw. die hinzugefügten Nanomaterialien die Homogenität der Reib- und Bremsbeläge über die Lebensdauer verbessert einstellen lässt. Die Nanomaterialien weisen zumindest teilweise vollständig andere mechanische und physikalische Eigenschaften als die üblichen Materialien mit der gleichen chemischen Zusammensetzung auf. Dadurch lassen sich durch das Hinzufügen des bzw. der Nanomaterialien vollständig neue Eigenschaften an dem Reibkontakt einstellen. Außerdem lässt sich auf Grund des vergrößerten Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen bei Nanomaterialien die Masse der hinzugefügten Partikel erheblich reduzieren.
• Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine verbesserte Gleichmäßigkeit auf der mikroskopischen Ebene durch das Hinzufügen des bzw. der Nanomaterialien erreicht wird. Eine wesentliche höhere makroskopische Verschleißbeständigkeit, eine gezielt höhere Reibung der Brems- und Reibbeläge, eine längere Lebensdauer, eine Vermeidung von Stick-Slip-Effekten oder dergleichen können gezielt durch geeignete Auswahl des oder der Nanomaterialien bewerkstelligt werden. Auch physikalische Eigenschaften, wie beispielsweise die thermische oder elektrische Leitfähigkeit, optische und magnetische Eigenschaften oder dergleichen lassen sich auf analoge Weise durch eine geeignete Auswahl des oder der Nanomaterialien herstellen.
• In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen des im Patentanspruch 1 angegebenen Belags.
• Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung besteht das Grundmaterial aus einem Kunststoff, beispielsweise aus einem Harz. Als besonders geeignetes Harzmaterial hat sich Epoxid- und Phenolharz herausgestellt. Das Harz liegt vorzugsweise in flüssiger Form vor, sodass das bzw. die ausgewählten Nanomateria lien dem flüssigen Harz beigemischt werden können.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung besteht das mindestens eine Nanomaterial aus Graphit, Molybdändisulfid und/oder aus einem organischen Stoff, wie beispielsweise aus Polytetrafluorethylen, zur Verbesserung der Reibeigenschaften. Das Nanomaterial wird vorzugsweise wiederum dem flüssigen Kunststoff bzw. dem flüssigen Harz beigemischt.
• Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht das mindestens eine Nanomaterial aus mindestens einer Keramik zur Verbesserung der Verschleiß- und/oder Hafteigenschaften der Beschichtung. Die ausgewählte bzw. ausgewählten Keramiken werden vorzugsweise als Nanopulver einem flüssigen Grundmaterial, beispielsweise einem flüssigen Harz, beigemischt.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das mindestens eine Nanomaterial mit nicht haftenden Eigenschaften hinsichtlich einer Haftung an einem durch den Reib- oder Bremsbelag zu bremsenden Gegenteil ausgebildet. Somit findet keine Übertragung des Verschleißes auf das Gegenteil statt, wodurch die guten Reibeigenschaften aufrechterhalten bleiben, da der Verschleiß aufgrund seiner Nicht-Anhaftung an dem Gegenteil nicht als Schmiermittel dienen kann.
• Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das mindestens eine Nanomaterial durch Auswahl seiner Zusammensetzung, seiner Menge und/oder seiner Verteilung im Grundmaterial mit einer in Abhängigkeit des Grundmaterials vorbestimmten Temperaturabhängigkeit der Reibeigenschaften derart ausgebildet, dass die Temperaturabhängigkeit der Reibeigenschaft des Grundmaterials durch die vorbestimmte Temperaturabhängigkeit der Reibeigenschaft des mindestens einen Nanomaterials zumindest teilweise kompensierbar ist. Dadurch kann eine gleichbleibende Bremsleistung bei unterschiedlichen Temperaturen durch die vorteilhaften Bremsbeläge gewährleistet werden. Die Nanomaterialien können derart in ihrer Zusammensetzung, Menge und Verteilung in dem Grundkörper ausgebildet werden, dass die natürliche Temperaturabhängigkeit der Reibung und somit der Bremsleistung des Grundmaterials beispielsweise durch ein gegenläufiges Temperaturverhalten der hinzugefügten Nanomaterialien zumindest teilweise ausgeglichen wird.
• Nach einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der Belag in unter schiedlichen Schichttiefen unterschiedliche Nanomaterialien mit unterschiedlichen Materialeigenschaften auf. Beispielsweise umfasst der Belag an der Oberfläche ein Nanomaterial mit besonders geeigneten Reibeigenschaften und in einer darunter liegenden Schichttiefe ein Nanomaterial mit besonders geeigneten Verschleißbeständigkeiten zum Erzielen einer hohen Dauerfestigkeit der Beschichtung. Die einzelnen Materialien und Schichttiefen sowie Zusammensetzungen und Materialverhältnisse sind an die gewünschten Eigenschaften des Belags in den unterschiedlichen Schichttiefen anzupassen.
• Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht das mindestens eine Nanomaterial aus einem chemisch und/oder physikalisch behandelbaren Nanomaterial zur Veränderung beispielsweise der Bindungseigenschaften, der Oberflächeneigenschaften oder dergleichen. Dadurch können die einzelnen Nanomaterialien vor einem Hinzufügen zu dem Grundmaterial mit den gewünschten Eigenschaften ausgebildet werden, wodurch nach Einbringung der Nanomaterialien in die vorgesehenen Tiefen diese speziell ausgewählte Eigenschaften vorteilhaft aufweisen.
• Der Belag weist beispielsweise zusätzlich mindestens ein ausgewähltes Mikropulver auf. Dies ist allerdings nicht zwingend erforderlich, sondern kann bei bestimmten gewünschten Eigenschaften nützlich sein.
• Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert, obwohl es für einen Fachmann offensichtlich ist, dass der vorliegende Erfindungsgedanke nicht auf die wiedergegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern durch den Schutzumfang der Patentansprüche bestimmt ist.
• Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird als Grundmaterial ein Harz, beispielsweise ein Phenolharz, in flüssiger Form verwendet.
• Dem flüssigen Harz werden anschließend ein oder mehrere Nanomaterialien derart beigemischt, dass die Beschichtung bestehend aus dem Grundmaterial Harz und dem bzw. den beigemischten Nanomaterialien vorbestimmte Reibeigenschaften, Verschleißeigenschaften und/oder Haftfestigkeitseigenschaften aufweist.
• Im Gegensatz zu beispielsweise Gleitlagern ist es bei vorliegenden Reib- und Bremsbelägen von großer Bedeutung, dass zwischen der Grundfläche des Belages und dem zugeordneten, zu bremsenden Gegenteil keinerlei als Schmiermittel auftretender Verschleißübertrag vorhanden ist, welcher den Reibwert der Vorrichtung in nicht gewünschter Weise verringert. Somit darf keine Übertragung des Verschleißes des den Reib- und Bremsbelag aufweisenden Grundteils auf das zugeordnete zu bremsende Gegenteil auftreten. Um dies zu gewährleisten, kann beispielsweise ein Nanopulver in das Grundmaterial eingebracht werden, welches hinsichtlich einer Anhaftung an dem zu bremsenden Gegenteil mit nicht haftenden Eigenschaften ausgebildet ist. Aufgrund dieser nicht haftenden Eigenschaften wird der Verschleiß bei einer Relativbewegung zwischen dem Grundteil und dem zugeordneten Gegenteil aus dem Kontaktbereich herausgetragen und verbleibt in diesem vorteilhaft nicht als trennender Film zurück. Dadurch entsteht ein verbesserter bzw. erhöhter Reibwert.
• Die beigemischten Nanomaterialien können ganz unterschiedliche chemische und werkstoffliche Zusammensetzungen aufweisen. Beispielsweise sind für die Verbesserungen der Reibeigenschaften Nanomaterialien aus Graphit, Molybdändisulfid oder Polytetrafluorethylen oder andere chemische Zusammensetzungen vorteilhaft. Zum Verbessern der Verschleißbeständigkeit und/oder der nicht haftenden Eigenschaften hinsichtlich der Anhaftung eines Verschleißes an einem zugeordneten Gegenteil können beispielsweise Nanomaterialien aus Keramiken verwendet werden. Metallhaltige Nanomaterialien werden vorteilhaft dem flüssigen Harz beigemischt, um die physikalischen Eigenschaften, wie beispielsweise die elektrische und thermische Leitfähigkeit, optische oder magnetische Eigenschaften, Klebefestigkeiten, Oberflächenaffinitäten oder dergleichen gezielt einzustellen.
• Zum Gewährleisten einer auch bei sich ändernden Temperaturen gleichbleibenden Bremsleistung der Reib- und Bremsbeläge werden vorzugsweise derartige Nanomaterialien dem Grundmaterial beigefügt, welche eine etwaige Temperaturabhängigkeit der Reibeigenschaft des Grundmaterials zumindest teilweise kompensieren. Beispielsweise kann die Zusammensetzung, die Menge und/oder die Verteilung des Nanomaterials in dem Grundmaterial derart angepasst werden, dass die Temperaturabhängigkeit der Reibung und somit der Bremsleistung vom entsprechend ausgewählten Grundmaterial durch beispielsweise ein gegenläufiges Temperaturverhalten der zugesetzten Nanoma terialien zumindest teilweise ausgeglichen wird. Dadurch wird insgesamt ein Reib- und Bremsbelag geschaffen, welcher auch bei unterschiedlichen Temperaturen vorteilhaft in etwa eine gleichbleibende Bremsleistung liefert.
• Die beigemischten Nanomaterialien können beispielsweise vor der Beimischung mittels geeigneter Verfahren vorbehandelt werden. Dadurch können neben dem Einsatz von chemisch reinen Nanomaterialien auch chemisch und/oder physikalisch modifizierte Materialien eingesetzt werden. Vorteilhaft werden die Nanomaterialien chemisch, beispielsweise mittels Säuren, Laugen, Salzen oder dergleichen, oder physikalisch, beispielsweise mittels einer radioaktiven Bestrahlung, einer Magnetisierung oder dergleichen, vor der Beimischung geeignet behandelt. Dadurch können beispielsweise gezielte chemische Bindungen zwischen den Nanoteilchen und dem Grundmaterial bewerkstelligt werden, welche die Gesamteigenschaften der Beschichtung in gewünschter Weise in Abhängigkeit der Materialauswahl, der Mengenauswahl und der Verteilung der Nanoteilchen beeinflussen.
• Die oben genannten Nanomaterialien können entweder alleine oder in vorbestimmten Mischverhältnissen zusammen oder in jeder erdenklichen Kombination dem Grundmaterial beigemischt werden, in Abhängigkeit von den jeweils gewünschten Eigenschaften der hergestellten Beschichtung.
• Insbesondere bei Belägen von einem reibenden Kontakt ausgesetzten Maschinenteilen bzw. bei Reib- und Bremsbelägen sind Zusammensetzungen vorteilhaft, welche in verschiedenen Schichttiefen unterschiedliche Materialeigenschaften aufweisen. Beispielsweise ist für die Oberflächenschicht eine vorbestimmte Verschleißbeständigkeit mit einem bestimmten Abrieb für einen vorbestimmten Reibwert und vorbestimmte Hafteigenschaften des Verschleißes gewünscht, sodass dem Grundmaterial in der oberen Schichttiefe beispielsweise ein Nanokeramikpulver hinzugefügt wird, welches diese Anforderungen erfüllt. Ferner kann der Schichtoberfläche auch ein Nanopulver bestehend aus Graphit, Molybdändisulfid oder Polytetrafluorethylen beigemischt werden, um die Reibeigenschaften der oberen Schicht der Beschichtung in gewünschter Weise zu verändern, wie oben bereits erläutert.
• Dies ist lediglich als exemplarische Ausführung zu verstehen, wobei für einen Fachmann offensichtlich ist, dass verschiedene Nanomaterialien mittels verschiedener Verfahren in die einzelnen Schichttiefen der Beschichtung zum Erzielen vorbestimmter Materialeigenschaften dieser Schichttiefen einbringbar sind.
• Des Weiteren können zusätzlich zu dem oder den Nanomaterialien auch geeignete Mikromaterialien, insbesondere Mikropulver, dem flüssigen Harz beigemischt werden, um speziell gewünschte Materialeigenschaften der Beschichtung zu erreichen.
• Somit schafft die vorliegende Erfindung einen Belag, welcher eine gegenüber den eingangs genannten Ansätzen verbesserte Gleichmäßigkeit auf mikroskopischer Ebene aufweist. Ferner wird einen Belag mit einer wesentlich höheren mikroskopischen Verschleißbeständigkeit, mit einer gezielt höheren Reibung, mit einer längeren Lebensdauer und ohne Stick-Slip-Effekten erreicht. Die physikalischen Eigenschaften, wie beispielsweise die thermische und elektrische Leitfähigkeit, optische und magnetische Eigenschaften, oder dergleichen, lassen sich auf die oben beschriebene Weise analog gezielt einstellen.
• Zudem lässt sich mit Hilfe von Nanofüllstoffen auch die Homogenität von Gleitlagern über die Lebensdauer besser steuern, wobei die Menge an Füllstoffen reduziert werden kann.
• Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiel vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

Claims (9)

1. Reib- und Bremsbelag, welcher einem reibenden Kontakt ausgesetzt ist, mit: einem Grundmaterial; und mit mindestens einem in Abhängigkeit der gewünschten Verschleiß-, Reib- und/oder Hafteigenschaften des Belags ausgewählten Nanomaterial.
2. Belag nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial mindestens aus einem Kunststoff, beispielsweise aus einem Harz, besteht.
3. Belag nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Nanomaterial aus Graphit, Molybdändisulfid und/oder aus einem organischen Stoff, beispielsweise aus Polytetrafluorethylen, besteht.
4. Belag nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Nanomaterial aus mindestens einer Keramik zur Verbesserung der Verschleiß- und/oder Hafteigenschaften der Beschichtung besteht.
5. Belag nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Nanomaterial mit nicht haftenden Eigenschaften hinsichtlich einer Haftung an einem durch den Reib- oder Bremsbelag zu bremsenden Gegenteil ausgebildet ist.
6. Belag nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Nanomaterial durch Auswahl seiner Zusammensetzung, seiner Menge und/oder seiner Verteilung im Grundmaterial mit einer in Abhängigkeit des Grundmaterials vorbestimmten Temperaturabhängigkeit der Reibeigenschaften derart ausgebildet ist, dass die Temperaturabhängigkeit der Reibeigenschaft des Grundmaterials durch die vorbestimmte Temperaturabhängigkeit der Reibeigenschaft des mindestens einen Nanomaterials zumindest teilweise kompensierbar ist.
7. Belag nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Belag in unterschiedlichen Schichttiefen unterschiedliche Nanomaterialien oder unterschiedliche Nanomaterialzusammensetzungen mit unterschiedlichen Materialeigenschaften aufweist.
8. Belag nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Nanomaterial aus einem chemischen und/oder physikalisch behandelbaren Nanomaterial zur Veränderung der Bindungseigenschaften, der Oberflächeneigenschaften oder dergleichen besteht.
9. Belag nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Belag zusätzlich mindestens ein ausgewähltes Mikropulver aufweist.