dc.description.abstract
Tribologische Systeme sind essenziell für eine Vielzahl technischer Anwendungen, bei denen Reibung und Verschleiß reduziert werden müssen. Insbesondere in Hochleistungsanwendungen, in denen konventionelle Schmierstoffe an ihre physikalischen Grenzen stoßen, gewinnen Festschmierstoffe zunehmend an Bedeutung. Eine vielversprechende neue Materialklasse in diesem Bereich sind die sogenannten Transition Metal Carbo-Chalcogenides (TMCCs), zweidimensionale (2D) Schichtmaterialien mit potenziell herausragenden tribologischen Eigenschaften. Diese Arbeit untersucht systematisch die Reibungs- und Verschleißmechanismen von TMCCs, sowohl in Pulverform als auch als Beschichtung, unter Verwendung verschiedener Beanspruchung zu analysieren. Insbesondere wurden die Spektren der Gleitbahnen,der Randbereiche mit angesammelten Partikeln sowie der reinen Pulver verglichen.Dabei wurden typische Oxidationsprodukte sowie Strukturveränderungen identifiziert, die Rückschlüsse auf die tribochemischen Mechanismen erlauben. Zusätzlich wurde eine Augerelektronenspektroskopie (AES) durchgeführt, um die chemischen Zusammensetzungen der tribologisch beanspruchten Oberflächen präzise zu bestimmen. Um die morphologische, strukturelle und chemische Beschaffenheit der TMCC-Partikel sowie der gebildeten Tribofilme detailliert zu untersuchen, wurden Rasterelektronenmikroskopie (REM) in Kombination mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) sowie Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) eingesetzt.Die Ergebnisse zeigen, dass die TMCCs als Festschmierstoffe deutliche Unterschiede in der Reibungsperformance aufweisen, abhängig von der jeweiligen chemischen Zusammensetzung sowie dem verwendeten Gegenkörpermaterial. Während einige TMCCs unter bestimmten Bedingungen niedrige Reibungskoeffizienten zeigten, traten bei anderen stärkere Verschleißmechanismen auf. Die Kombination von Raman- undAES-Messungen sowie detaillierter REM/EDS- und TEM-Analysen ermöglicht eine umfassende Charakterisierung der tribologisch induzierten Oberflächenreaktionen und morphologischen Veränderungen. Besonders bemerkenswert ist, dass einige TMCCs tribochemische Umwandlungen durchliefen, die zur Bildung reibungsmindernder oder -erhöhender Phasen führten.Die Arbeit liefert wertvolle Erkenntnisse für die Entwicklung neuer, leistungsfähiger Festschmierstoffe auf Basis von TMCCs. Die gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass durch gezielte Materialauswahl und Modifikation der Oberflächenstruktur die tribologischen Eigenschaften optimiert werden können. Zukünftige Studien sollten sich darauf konzentrieren, die Langzeitstabilität der Beschichtungen zu verbessern und die tribochemischen Prozesse gezielt zu steuern, um die Effizienz von TMCCs alsFestschmierstoffe weiter zu erhöhen. Gegenkörpermaterialien. Zunächst werden die theoretischen Grundlagen von Festschmierstoffen erläutert, mit besonderem Fokus auf schichtstrukturierte Schmierstoffe und ihre Mechanismen der Reibungsreduktion. Dabei werden die strukturellen und chemischen Eigenschaften der TMCCs analysiert und mit etablierten Festschmierstoffen wie MoS2 oder WS2 verglichen. Anschließend erfolgt die Darstellung der Synthesemethoden von TMCCs und deren potenzielle Anwendungen in tribologischen Systemen. Im experimentellen Teil der Arbeit wurden TMCCs zunächst als Pulver auf Stahlproben getestet, um deren tribologische Eigenschaften zu evaluieren. Die Reibungsmessungen erfolgten mittels Tribometerversuchen (ball-on-disk), bei denen unterschiedliche Gegenkörpermaterialien (Al2O3, SiC, 100Cr6, PTFE) eingesetzt wurden. Anschließend wurden die Pulver in Beschichtungen überführt, die mithilfe einer Airbrush-Technik aufgetragen wurden. Die erzielten Reibungskoeffizienten wurden mit denen der Pulverexperimente verglichen. Die Charakterisierung der TMCCs erfolgte mittels einer umfassenden Topographieanalyse, durchgeführt mit einem Laserkonfokalmikroskop, um Verschleißmuster und Oberflächenveränderungen nach den Triboversuchen zu identifizieren. Ergänzend wurden Raman-Spektroskopie-Messungen durchgeführt, um Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung nach mechanischer Beanspruchung zu analysieren. Insbesondere wurden die Spektren der Gleitbahnen,der Randbereiche mit angesammelten Partikeln sowie der reinen Pulver verglichen.Dabei wurden typische Oxidationsprodukte sowie Strukturveränderungen identifiziert,die Rückschlüsse auf die tribochemischen Mechanismen erlauben. Zusätzlich wurdeeine Augerelektronenspektroskopie (AES) durchgeführt, um die chemischen Zusammensetzungen der tribologisch beanspruchten Oberflächen präzise zubestimmen. Um die morphologische, strukturelle und chemische Beschaffenheit derTMCC-Partikel sowie der gebildeten Tribofilme detailliert zu untersuchen, wurden Rasterelektronenmikroskopie (REM) in Kombination mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) sowie Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)eingesetzt.Die Ergebnisse zeigen, dass die TMCCs als Festschmierstoffe deutliche Unterschiede in der Reibungsperformance aufweisen, abhängig von der jeweiligen chemischen Zusammensetzung sowie dem verwendeten Gegenkörpermaterial. Während einige TMCCs unter bestimmten Bedingungen niedrige Reibungskoeffizienten zeigten, traten bei anderen stärkere Verschleißmechanismen auf. Die Kombination von Raman- undAES-Messungen sowie detaillierter REM/EDS- und TEM-Analysen ermöglicht eine umfassende Charakterisierung der tribologisch induzierten Oberflächenreaktionen und morphologischen Veränderungen. Besonders bemerkenswert ist, dass einige TMCCstribochemische Umwandlungen durchliefen, die zur Bildung reibungsmindernder oder-erhöhender Phasen führten.Die Arbeit liefert wertvolle Erkenntnisse für die Entwicklung neuer, leistungsfähigerFestschmierstoffe auf Basis von TMCCs. Die gewonnenen Ergebnisse zeigen, dassdurch gezielte Materialauswahl und Modifikation der Oberflächenstruktur die tribologischen Eigenschaften optimiert werden können. Zukünftige Studien sollten sich darauf konzentrieren, die Langzeitstabilität der Beschichtungen zu verbessern und die tribochemischen Prozesse gezielt zu steuern, um die Effizienz von TMCCs als Festschmierstoffe weiter zu erhöhen.
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