Nanopartikel bringen Diamanteigenschaften in Beschichtungen ein
Verbrennungsmotoren wandeln die chemische Energie von Kraftstoffen in kinetische Energie um und bewegen auf diese Weise Teile unter hohen Temperaturen und Drücken sowie schnellen Zyklusbedingungen. Ineffizienz erhöht den Kraftstoffverbrauch und die damit verbundenen Emissionen. Ein europäisches Konsortium hat im Rahmen des Projekts ADEC (Advanced low friction engine coating) superschmierende und verschleißfeste Beschichtungen auf Basis von nanostrukturierten Diamanten entwickelt. Die neue Technologie umfasste die Entwicklung von funktionalisierten Diamantnanopartikeln und deren Verteilung in einer Metallmatrix, neuartigen galvanischen Prozessen, elektrolytischer Plasmaoxidation, metalldotierten diamantartigen Kohlenstoffbeschichtungen (diamond-like carbon, DLC) und geeigneten Materialien für die Kolben und Kolbenringe. Den Forschenden gelang die Funktionalisierung von Nanodiamanten mit Wasserstoffatomen. Diese funktionellen Gruppen stellen Befestigungspunkte zwischen den Nanopartikeln und dem Material dar. Ausgestattet mit starkem Zetapotenzial bildeten sie stabile Dispersionen von Nanodiamantpartikeln in einem leicht sauren pH-Bereich. Die Entwicklung umfasste sowohl eine erneute Oberflächenfunktionalisierung vorhandener kommerzieller Nanodiamantqualitäten als auch weitere Verarbeitungsschritte zur Überführung von Nanodiamantpartikeln in die Form einer wässrigen Dispersionen. Nach der Behandlung von Nanodiamanten mit Wasserstoff schieden die Forscher diese als Nickelbeschichtungen ab. Das Hinzufügen von Nanodiamanten zu dieser Metallbeschichtung verbesserte den Stand der Technik aufgrund der passgerecht zugeschnittenen Reinheit und Größenverteilung der Nanopartikel. Abgesehen von den Nanodiamanten experimentierten die Forschenden auch mit anderen Dispersionselementen für Vernickelungen wie etwa hexagonalem Bornitrid, Kalziumfluorid und Siliziumkarbid. Tests mit Dispersionsbeschichtungen auf einer Zylinderwand zeigten vielversprechende Resultate. Das Team experimentierte im Folgenden mit dem Dotieren diamantartiger Kohlenstoffschichten mit Silizium und Wolfram, wobei man Beschichtungen erzielte, die höhere Temperaturen tolerieren können. Versuche an Kolben und Kolbenringen offenbarten eine verringerte Reibung und weniger Motorverschleiß sowie gestatteten überdies eine signifikante Senkung der Betriebstemperatur des Zylinders. Die superschmierenden, hochverschleißfesten, auf Diamantnanopartikeln basierenden ADEC-Beschichtungen zum Einsatz in Verbrennungsmotoren werden die Komponentenlebensdauer verlängern sowie Schadstoffe wie etwa Kohlendioxid reduzieren. Die Technologie ist vielversprechend und wird die Wettbewerbsposition der an dem Projekt beteiligten kleinen und mittleren Unternehmen deutlich stärken sowie gleichzeitig die Ziele der EU im Zusammenhang mit Kraftstoffverbrauch und Emissionen unterstützen.
Schlüsselbegriffe
Nanopartikel, Beschichtungen, Nanodiamanten, Motor, Triebwerk, superschmierend, verschleißfest, abriebfest, ADEC