Flüssigkristalle als Schmierstoffe in kleinen Antrieben

Flüssigkristalle als Schmierstoffe in kleinen Antrieben

© Foto Fraunhofer IWM

Kugel-Scheibe-Reibversuch im Schwingreibverschleiß- Tribometer.

Obwohl Schmierstoffe in nahezu allen Maschinen für einen ruhigen Lauf sorgen, gab es auf diesem Gebiet in den vergangenen beiden Jahrzehnten keine grundlegenden Innovationen. Das Fraunhofer IWM hat mit einem Konsortium jetzt eine völlig neue Substanzklasse entwickelt, die für einen Durchbruch sorgen könnte: Flüssigkristallbasierte Schmierstoffe. Sie sind zwar flüssig, zeigen aber auch richtungsabhängige physikalische Eigenschaften wie ein Kristall.

Flüssigkristalle sind eher durch ihren Einsatz in LCD-Bildschirmen von Fernsehern, Handys oder Touchscreens bekannt. Die ungewöhnliche Idee, sie als Schmierstoff zu verwenden, hatte die Nematel GmbH und wandte sich damit an das Fraunhofer IWM. Dort testeten die Tribologie-Expertinnen und -Experten diese meist organischen, stäbchenförmigen Moleküle mit überraschendem Erfolg: Bewegen sich zwei metallische
Reibpartner mit einer flüssigkeitsbasierten Schmierschicht dazwischen gegeneinander, richten sich die Molekül-Stäbchen parallel zueinander in stabilen Schichten aus. Das reduziert die Reibung und den Verschleiß auf ein Minimum und ermöglicht ein nahezu reibungsloses Gleiten.

Der Hintergrund: Wird eine flüssigkristalline Substanz in einem Reibkontakt zwischen zwei Oberflächen geschert, richten sich die Moleküle spontan so aus, dass sie der Scherbewegung den geringsten Widerstand entgegensetzen – in Reibrichtung wird die Viskosität minimal. Senkrecht zur Reibrichtung sind die Viskositätskoeffizienten zwangsläufig um ein Vielfaches größer. Auch dieser Umstand ist nützlich, weil dadurch die
gegeneinander gleitenden Oberflächen besser voneinander getrennt sind und weniger Verschleiß auftritt.

Als Schmierstoff eignen sich diejenigen Flüssigkristalle, die aus stäbchenförmigen Molekülen bestehen, fand das Fraunhofer IWM heraus. Um aus den Flüssigkristallen einen praxistauglichen Schmierstoff zu entwickeln, fehlte allerdings noch viel. Daher startete das Fraunhofer IWM gemeinsam mit der Nematel GmbH und den Schmierstoffexperten der Dr. Tillwich GmbH ein Projekt, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wurde. Die Schmierstoffentwicklerinnen und -entwickler bei Tillwich verbesserten mithilfe von Additiven die Stabilität der Flüssigkristall-Schmierstoffe. Gleichzeitig bauten sie einen speziellen Prüfstand, auf dem sie die extrem geringen Reibungswerte mit Lasertechnik berührungslos messen konnten.

Das Fraunhofer IWM entschlüsselte mit Versuchen und Simulationen die werkstoffmechanischen Mechanismen, die zu den ultraniedrigen Reibwerten führen, und fand heraus, wie die neuen Schmierstoffe gezielt weiter optimiert werden konnten. Außerdem untersuchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die chemischen Mechanismen im Reibkontakt und die Auswirkung von Mischungen unterschiedlicher Flüssigkristallmoleküle.

Am Ende des Projekts hatten die Partner den Prototyp eines flüssigkristallinen Schmierstoffs in der Hand, der seine beste Wirkung in Gleitlagern aus Eisen zeigt. Für diese Pionierleistung erhielt das Konsortium den Wissenschaftspreis des Stifterverbands 2014, der alle zwei Jahre für exzellente Verbundprojekte der angewandten Forschung vergeben wird.

Die nächsten Schritte sind, mit weiteren Industriepartnern innovative, mit Flüssigkristallen geschmierte Gleitlager für Elektrokleinmotoren in Autos zu entwickeln, die beispielsweise in Lichtmaschinen oder zum Antrieb von Scheibenwischern zum Einsatz kommen. Aufgrund der derzeit (noch) teuren Synthese im Vergleich zu Standard-Schmierstoffen liegen die Einsatzbereiche dort, wo keine großen Mengen Schmierstoff zur Verfügung stehen müssen.