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High performance polymer composites have been intensively investigated for tribological applications in air, but rarely in hydrogen environment. Author's previous benchmark of composites in liquid hydrogen (LH2) showed that graphite filled polymers have beneficial friction behaviour in this extreme condition. Therefore, further investigations have been undertaken in hydrogen environment. This paper presents first results obtained with polyimide composites filled with different types (natural, synthetic) and amounts of graphite in air, vacuum and hydrogen environments. A particular attention is taken to the influence of hydrogen on graphite as well as on the polymer matrix.
The influence of hydrogen environment on the friction and wear behavior of polyimide (PI) composites was investigated for two different PI-types (PI1 and PI2) filled with natural or synthetic graphite. Sliding tests were run against AISI 52100 steel and the worn surfaces as well as the transfer film were analyzed by means of SEM, EDX and Infrared Spectroscopy. Results indicate that the chemical structure of the polyimide has a major influence on the tribological behavior. While the friction of PI2 remains rather stable in all environments, PI1 showed very low friction in hydrogen without any lubricant. The lubricity of graphite was found to be more effective in hydrogen than in moist air.
Die tribologischen Eigenschaften von graphitgefüllten Polyimiden gegen Stahl 100Cr6 wurden an Luft, im Hochvakuum (l0⁻ ³ Pa) und in Wasserstoffumgebung bei verschiedenen Drücken (10³ Pa, 10⁴ Pa und 10⁵ Pa) untersucht. Zwei unterschiedliche Polyimid-Typen wurden eingesetzt, wobei Typ und Menge des Graphits variiert wurden.
Die Experimente wurden bei 3,1 MPa Kontaktdruck und einer Gleitgeschwindigkeit von 0,2 m/s bzw. 1 m/s durchgeführt. Die verschlissenen Oberflächen und die Morphologie des Materialübertrags auf die Stahl-Gegenfläche wurden mittels Lichtmikroskopie, REM, TEM und FTIR untersucht. Die Untersuchung zeigt, dass sowohl die Matrix als auch der Graphitanteil einen deutlichen Einfluss auf das Reibverhalten von Verbundwerkstoffen in Wasserstoffumgehungen haben können.
Polymers are extensively used for sliding systems in cryogenic applications because of their favourable friction and wear behaviour in the absence of external lubrication. Since important new technologies are based on applications under extreme conditions, such as at low temperatures, new requirements on material properties, in particular regarding their operability and reliability, must be met. Up to now, most tribological investigations have been carried out in inert cryogens or cryogenic gas (He, N2). Few experiments have been performed in vacuum environment at cryogenic temperatures. Rarely were testing in reactive media, such as LH2 or LOX. Due to the wide range of operating conditions in cryogenic applications, it is difficult to state general rules. Therefore, this chapter tends to give an overview on theories and experimental studies on polymer tribology at cryogenic temperatures.
Superconducting magnets are susceptible to quenching, even with the smallest amounts of energy disturbances due to the extremely low thermal capacity of materials at 4.2 K. Hence, small mechanical disturbances resulting in frictional heating can be sufficient to exceed the wire’s critical temperature, causing it to quench. Unfortunately, relative motion between surfaces in the magnet System is inevitable due to various forces present in the System, including winding pretension, differences in material thermal contraction and the large electromagnetic forces. Typically insulating polymers are present at this interface to achieve the required electrical insulation requirements.
Ensuring a sustainable energy supply is currently one of the most important areas for industry and research institutions. Hydrogen technology is a promising candidate, but its broad extension requires extremely high reliability and safety in all areas for common applications as automobiles and stationary fuel cells. Particularly components containing tribosystems are critical parts.
Starke Magnetfelder, wie sie z.B. für die Magnetresonanztomografie (MRT) notwendig sind, werden durch supraleitende Spulen erzeugt, die mit Flüssighelium auf eine Temperatur von -269°C gekühlt werden. Die Reibungswärme, die z.B. bei kleinsten Bewegungen zwischen der Spule und deren Stützstruktur entsteht, kann bewirken, dass die kritische Temperatur des Supraleiters lokal überschritten wird und ein normalleitender Bereich entsteht. Aufgrund der bei Normalleitung entstehenden jouleschen Wärme kann sich dieser Bereich weiter erwärmen und schnell ausbreiten. Dieser Vorgang wird als Quench bezeichnet und führt zum schlagartigen Verdampfen des extrem teuren Kältemittels und zu Betriebsunterbrechungen von mehreren Tagen.
Da diese Quenche durch Reibungswärme verursacht werden, ist es notwendig, das Reibverhalten der beteiligten Werkstoffe so zu optimieren, dass kein kritischer Betriebszustand erreicht wird. Dies betrifft in erster Linie Polymerfolien, die zur elektrischen Isolierung zwischen der Spule und der Stützstruktur notwendig sind. Neben zu hoher Reibung allgemein müssen ausgeprägte Haftreibungsspitzen und StickSlip-Effekte vermieden werden. Mit
diesem Ziel wurde das Reibverhalten von PTFE-, PET- und Pl-Folien bei tiefen Temperaturen und den für diese Anwendung typischen niedrigen Gleitgeschwindigkeiten untersucht. Es zeigte sich, dass die Reibung zwischen Polymeroberflächen in Flüssighelium allgemein höher, aber stabiler als in Flüssigstickstoff ist. Allerdings hängt das Reibverhalten erheblich von der Werkstoffpaarung ab. Der Stick-Slip-Effekt nimmt bei allen untersuchten Polymer-Polymer-Paarungen mit wachsender Kontaktpressung zu. PET gegen PET hat das ungünstigste Reibverhalten und sollte bei hohen Pressungen vermieden werden. Zum Vergleich getestete Paarungen von Polymeren gegen Aluminium zeigten deutlich günstigeres Reibverhalten ohne signifikanten Stick-Slip. Deshalb sollte bei derartigen Anwendungen sichergestellt werden, dass die Gleitebene zwischen Polymer- und Metalloberfläche liegt.
The sliding performance of PEEK composites was investigated in vacuum environment. Tests were performed with carbon fibre reinforced PEEK composites filled with PTFE, and MoS2 or graphite as further solid lubricant. Polymer samples were tested in a pin-on-disc configuration continuously sliding against CrNi-steel. Depending on sliding speed and temperature, the MoS2 filled composites showed high wear resistance and friction coefficients as low as PVD coatings.