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This chapter deals with the development of polyetheretherketone (PEEK) and polytetrafluoroethylene (PTFE)-based composites, optimized for low friction and low wear performance under extreme environments. It is demonstrated that the incorporation of a harder polymer component into PTFE (such as PEEK particles), a short fiber reinforcement (e.g. carbon fibers (CFs)) and internal lubricants (e.g. PTFE particles) helps to reduce the friction and to improve the wear resistance over a very wide temperature range.
The polymer chemical structure of the polyimide has a major influence on the tribological behaviour. The addition of graphite in PI2 has a beneficial effect in hydrogen on the friction and wear. The low friction of graphite is associated with a lubricant film in hydrogen. The influence of hydrogen on graphite is more effective than humidity. CNTs have a similar effect to that of graphite in PEEK composites. TiO2 particles improve significantly the wear rate both in vacuum and hydrogen environment. In LH2 friction and wear decrease for unfilled polymers. Friction of graphite filled composites increases slightly and wear rate is stable.
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.
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.
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.
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.
For further development of hydrogen technology, it is necessary to have a sufficient number of materials for safe and reliable operation available. Frictional contacts exposed to hydrogen, are critical because of vanishing protective oxide layers in the presence of a chemical reducing environment. Furthermore, liquid lubricants are often not applicable, because of purity requirements, or very low temperatures in the case of liquid hydrogen. Thus, for numerous tribosystems in hydrogen technology, solid lubrication is the only possible method for reducing friction and wear. Therefore, investigations on the tribological behaviour of friction reducing materials, such as PTFE, graphite, DLC and MoS2, in inert and hydrogen environment were carried out. The results show that solid lubricants, applied as coatings or as components in polymer composites, are able to reduce friction and wear in gaseous as well as in liquid hydrogen. However, some materials are very sensitive to the environmental medium.