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entdeckt_02_2013

TITEL// Das Forschungsmagazin aus dem HZDR WWW.Hzdr.DE 14 15 Energieeffizienz. Seit fünf Jahren wird das Spitzentechnologie- cluster im Rahmen der Landesexzellenzinitiative gefördert. „Dresden gilt als einer der führenden Materialforschungs- Standorte in Deutschland“, weiß Sibylle Gemming. „In den insgesamt 14 Teilprojekten des Clusters arbeiten Chemiker, Physiker, Werkstoffforscher und Ingenieure zusammen. Die ganze Bandbreite an Know-how ist vertreten.“ Sächsisches Wissenspotenzial ausschöpfen Forscher am HZDR koordinieren das Teilprojekt „CarboFunct- Coat“. Die Abkürzung steht für „Kohlenstoffbasierte Funk- tionsschichten für tribologische Anwendungen“. Tribologie ist das griechische Wort für Reibungslehre. Die Forscher haben sich auf Bauteile spezialisiert, die im Verbrennungs- motor ständiger Bewegung und damit großen Belastungen ausgesetzt sind. Dazu gehören beispielsweise Kolbenringe, Kolbenbolzen, Exzenterwellen oder Teile der Treibstoffpumpe. „Alle diese Motorteile weisen anspruchsvolle dreidimensiona- le Geometrien auf“, sagt Sibylle Gemming. Insbesondere der Einsatz von Kraftstoffen aus nachwachsenden Quellen stellt die Beschichtung zudem vor besondere Herausforderungen, da die Verbrennungschemie dieser sogenannten biogenen Kraftstoffe vielfältiger ist als bei fossilen Brennstoffen. Bislang haben die Forscher zwei Beschichtungen identifi- ziert, die helfen könnten, Energieverluste im bewegten Motor einzudämmen. Bei der einen Beschichtung handelt es sich um sogenannten tetraedrisch-amorphen Kohlenstoff (ta-C). Das Material ist eine Variante von sogenanntem diamond-like carbon DLC (diamantartiger Kohlenstoff), der schon seit 20 Jahren bekannt ist und in industriellen Anwendungen genutzt wird. Der ta-Kohlenstoff ist noch härter und dichter als DLC, zudem enthält er weniger Wasserstoff, was ebenfalls seine Eigenschaften positiv beeinflusst. Die andere Beschichtung, mit der sich die Reibung herabsetzen lässt, enthält zusätzlich Metalle wie zum Beispiel Nickel und weist eine hochgeordnete Nanostruktur auf. Beide Beschichtungen sind extrem bestän- dig – auch gegen erhöhte Temperaturen im Motor –, reduzie- ren die Reibung und verhindern übermäßigen Abrieb. Neuartige Werkstoffe auf Kohlenstoff-Basis „Am Ionenstrahlzentrum des HZDR wie auch am Fraunhofer- Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) bei Eckhard Beyer haben wir die Möglichkeiten, Motorbauteile mit Filmen auf der Basis von Kohlenstoff zu beschichten und so ihr Rei- bungsverhalten zu verbessern“, beschreibt Sibylle Gemming. Die dabei am HZDR genutzten Ionenstrahlen eröffnen ein- zigartige Möglichkeiten der Werkstoffsynthese und -modifi- zierung. Eine neue High-Tech-Anlage erlaubt es, komplexe Formen zu beschichten und dabei auch kleine Unebenheiten auf der Oberfläche auszugleichen. So entstehen sehr gleich- mäßige, dabei aber hauchdünne Filme mit Schichtdicken von 100 Nanometern und mehr. In Kooperation mit Ingenieuren der VON ARDENNE Anlagentechnik GmbH in Dresden haben Sibylle Gemming und ihr Team auch ein Verfahren ausge- arbeitet, das die Abscheidung dickerer Schichten erlaubt, ohne dass der Beschichtungsvorgang länger dauert. Diese technologische Entwicklung wurde jüngst zum Patent ange- meldet. HIGH-TECH IM SCHICHTSYSTEM: Die HZDR-Wissenschaftler stellen Funktionsschichten für hochbelas- tete Motorenteile in einer speziellen Plasmakammer her. Grundlage dafür ist ein Sputter-Verfahren, mit dem zunächst elektrisch geladene Argon- Atome erzeugt werden. Beschleunigt man diese, „klopfen“ sie Atome aus einer Kathode, die wiederum zu der zu beschichtenden Materialoberfläche wandern und dort den gewünschten Film ausbilden. Foto: Jürgen Jeibmann

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