Scher-induzierte Amorphisierung von Silizium und Diamant
µTC-Engagement in der „Tribologie-Lehre“ am KIT
Masterarbeit zum Thema: Bestimmung der Eishärte für Wintersportanwendungen
Komplett rezyklierfähiger sortenreiner Leichtbau-Verbundwerkstoff für Spritzgussbauteile entwickelt
Molekulardynamische Bestimmung von Schmierstoff-Viskositäten
Abbildung 1. Sowohl für Diamant als auch für Silizium kann unter kombinierter Druck- und Scherbelastung die Bildung einer amorphen Phase, hier in grau dargestellt, beobachtet werden. Während sich das System im Silizium-Fall im Zuge dieser Phasenumwandlung kontrahiert, vergrößert sich das System im Diamant-Fall. Als Konsequenz begünstigt Druck die Silizium-Amorphisierung und unterdrückt die Diamant-Amorphisierung.
Dr. Gianpietro Moras, Dr. Andreas Klemenz, Thomas Reichenbach, Prof. Dr. Michael Moseler, Prof. Dr. Lars Pastewka
Scherbelastung kann in kristallinen Materialien lokalisierte plastische Verformung hervorrufen. Während dies bei Metallen typischerweise durch die Bewegung von Versetzungen geschieht, können sich spröde kovalente Kristalle mit einer vergleichsweise geringen Versetzungsmobilität durch die Bildung amorpher Scherbänder plastisch verformen. Zu dieser Materialklasse gehören tetraedrische Kristalle wie Silizium und Diamant, deren Verhalten unter kombinierter Druck- und Scherbelastung technologisch von hoher Bedeutung sind. Die Amorphisierung von Silizium ist beispielsweiße verantwortlich für den nanoskaligen Verschleiß von Siliziumspitzen für die Rasterkraftmikroskopie und beeinflusst die Oberflächenqualität von diamantgeschnittenen Siliziumkristallen. Die Amorphisierung von Diamant spielt unter anderem eine zentrale Rolle beim Diamantschleifen.
In einer gemeinsamen Studie des Fraunhofer IWMs, der Universität Freiburg und Asahi Diamond Co., Ltd. wurden mittels molekulardynamischer Simulationen das Verhalten von Silizium und Diamant unter kombinierter Scherung und Kompression untersucht. Die Simulationen zeigen, wie in Abb. 1 dargestellt, jeweils die Bildung eines amorphen Feststoffes mit flüssigkeitsähnlicher Struktur bei Raumtemperatur. In Übereinstimmung mit den entgegengesetzten Dichteänderungen der beiden Kristalle beim Schmelzen ist das amorphe Material dichter als der Kristall beim Silizium und weniger dicht als der Kristall beim Kohlenstoff. Als Resultat wird die Amorphisierung durch den äußeren Druck im Silizium begünstigt, im Kohlenstoff hingegen unterdrückt.
Diese Ergebnisse sind besonders unerwartet für Silizium, dessen amorphe Struktur nur bei Drücken oberhalb des polyamorphen Übergangsdrucks flüssig sein sollte. Die Simulationen zeigen, dass dieser polyamorphe Übergang unter Scherung verschwindet und hochdichtes, flüssigkeits-ähnliches amorphes Silizium mit metallischer Duktilität auch bei geringem Druck entstehen kann. Die Resultate sind potenziell auf andere diamant-kubische Kristalle wie Germanium und hexagonales Eis übertragbar und geben Einblick in die für Reibung und Verschleiß relevanten Nichtgleichgewichts-Phasenumwandlungen.
Die Ergebnisse dieser Studie sind in der Zeitschrift Physical Review Materials veröffentlicht (www.doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.2.083601).
Abb. 1: µTC-Tribologielehre am KIT
Johannes Schneider
Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des µTC engagieren sich nicht nur in der Forschung zu vielfältigen tribologischen Fragestellungen, sondern darüber hinaus auch in großem Umfang in der Lehre am Karlsruher Institut für Technologie (KIT).
Im Fokus stehen hierbei natürlich Vorlesungsangebote aus den Gebieten der Tribologie und Materialwissenschaft.
Im Studiengang Maschinenbau betreut Prof. Dienwiebel den Schwerpunkt „Tribologie“ mit dem Kernfach „Tribologie“ (Prof. Dienwiebel, Prof. Scherge), dem Tribologie-Praktikum (Dr. Schneider, Prof. Dienwiebel), Vorlesungen aus dem Bereich der Nanotribologie und -mechanik (Prof. Dienwiebel), der Schadenskunde (Dr. Greiner, Dr. Schneider) der Kontaktmechanik (Dr. Greiner) und der Atomistik (Prof. Gumbsch und Mitarbeiter). Studierende werden hier mit den natur- und ingenieurwissenschaftlichen Grundlagen der Tribologie, der experimentellen Messtechnik und modernen Verfahren der Analytik vertraut gemacht und an aktuelle tribologische Fragestellungen herangeführt.
Einen weiteren Schwerpunkt in der Lehre des µTC stellt die Lasertechnik dar. Dr. Schneider bietet zwei Vorlesungen und ein Laborpraktikum an, die insbesondere von Studierenden des Maschinenbaus, des Wirtschaftsingenieurwesens, der Physik sowie der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik sehr gut angenommen werden. Hier werden u.a. Fragestellungen im Hinblick auf die lasergestützte Texturierung von tribologischen Wirkflächen für geschmierte Gleitkontakte behandelt.
Im Studiengang Materialwissenschaft und Werkstofftechnik beteiligt sich das µTC mit einem Praktikumsversuch zur tribologischen Charakterisierung von Stählen und kann so die Studierenden bereits im dritten Semester des Bachelorstudiums mit dem Thema Tribologie vertraut machen.
Im Rahmen von Abschlussarbeiten und als studentische Hilfskräfte werden zahlreiche Studierende in die Forschungsarbeiten sowohl direkt am µTC als auch bei Kooperationspartnern aus der Industrie eingebunden. So kann der „Nachschub“ an geeigneten wissenschaftlichen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern für die Forschungsprojekte am µTC sichergestellt werden.
Detaillierte Informationen zum Vorlesungsangebot des µTC am KIT finden sich auch auf der folgenden Website: http://www.iam.kit.edu/cms/Studium_und_Lehre.php
Die Härte des Eises ist in den meisten Wintersportdisziplinen von ausschlaggebender Bedeutung für den Erfolg des Athleten. Leider gibt es nur wenige Zahlenwerte unter mechanischen Belastungen, wie sie z.B. beim Eisschnelllauf auftreten. Das soll sich ändern. Hierfür suchen wir nach einem sportbegeisterten Studenten des Maschinenbaus, der Werkstoffwissenschaft oder der Physik. Die Arbeiten erfolgen am MikroTribologie Centrum in Karlsruhe unter der Leitung von Prof. Dr. Matthias Scherge.
23.09.2019
Dr. Raimund Jaeger
Polyethylen (PE) wäre ein ideales Material für den Leichtbau: energieeffizient, auch aus nachwachsenden Rohstoffen herstellbar, nahezu rückstandslos rezyklierbar. Wirklich mechanisch belastbar sind jedoch bisher nur PE-Bauteile, die als Komposite mit integrierten Kohlenstoff- oder Glasfasern verstärkt werden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer IWM, MikroTribologie Centrum µTC, haben gemeinsam mit dem Freiburger Materialforschungszentrum und dem Polyolefinhersteller LyondellBasell nun ein tragfähiges, »sortenreines PE-Komposit« hergestellt und qualifiziert. Der Clou: Die verstärkenden Faserstrukturen bestehen ebenfalls aus PE und bilden sich sogar im Spritzguss selbst.
Die Kohlenwasserstoffe Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) machen gut die Hälfte aller weltweit produzierten Kunststoffe aus. PE findet sich in vielen Kunststoffprodukten des täglichen Gebrauchs. Als sortenreines Material ist es einfach und quasi unendlich häufig wiederverwendbar: gebrauchtes Produkt raspeln, aufschmelzen und zu neuen Bauteilen formen bei gleichbleibend guter Qualität. Oder PE wird erhitzt und zu Rohstoffen für die chemische Industrie oder zu Bausteinen für die Herstellung von Kohlenwasserstoffmaterialien zurückverwandelt – ganz ohne Rückstände. Darum und aufgrund ihres geringen Gewichts sind Kohlenwasserstoffmaterialien allgemein ideal für den nachhaltigen Leichtbau: beispielsweise in der Automobilindustrie, die bei ihren Produkten die Wiederverwertbarkeit zu einem gewissen Prozentsatz gesetzlich nachweisen muss.
Jedoch können aus regulärem PE bis heute keine tragfähigen Bauteile hergestellt werden, da es als Werkstoff nicht widerstandsfähig genug ist. Zur Verstärkung werden bisher Füllstoffe genutzt, besonders Kohlenstoff- oder Glasfasern. Dabei verschlechtert sich die Energie-, Rohstoff-, Umwelt- und Kostenbilanz dramatisch: Die Herstellung sowie das Recycling sind erheblich erschwert und kostspielig. Eine Alternative bietet sogenanntes ultrahochmolekulares PE (UHMWPE), das als Hochleistungswerkstoff beispielsweise in medizinischen Implantaten wie Hüftpfannen oder Kniegelenken verwendet wird. Dieser sortenreine, hochfeste und abriebbeständige Werkstoff lässt sich jedoch nicht im Spritzguss verarbeiten: Er muss aufwändig und kostenintensiv als Pulver in eine Form gepresst, gesintert und danach zum exakten Bauteil gefräst werden. Fasern aus UHMWPE können zwar die Festigkeit von Stahl erreichen, sind jedoch teuer und für ein Werkstoffrecycling ungeeignet.
»Im Projekt SusCOMP forschten wir an sortenreinen Kompositen aus PE, die sich im Spritzguss verarbeiten lassen und dabei direkt selbst verstärken – besonders interessierten uns dabei natürlich, welche mechanischen Eigenschaften diese Komposite erreichen«, erklärt Raimund Jaeger, Gruppenleiter »Polymertribologie und biomedizinische Materialien« am Freiburger Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM. »Die Firma DSM spinnt zwar bereits Hochleistungsfasern aus langen UHMWPE-Molekülketten, die sich entlang der Faserrichtung orientieren, sogenannte Dyneemafasern.« Solche Fasern als Verstärkung in PE einzubringen wäre technisch möglich, sei aber mit einem hohen Arbeits- und Kostenaufwand verbunden und für das Werkstoffrecycling ungeeignet.
Abb. 2: Bauteile aus sortenreinen PE-Kompositen: Mittels Katalysator werden unterschiedliche, unverzweigte PE-Ketten hergestellt (oben) und die in der 3D-Druckdüse entstehenden Faserstrukturen in der gewünschten Orientierung im gedruckten Bauteil abgelegt. (© Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM)
»Im Projekt SusCOMP forschten wir an sortenreinen Kompositen aus PE, die sich im Spritzguss verarbeiten lassen und dabei direkt selbst verstärken – besonders interessierten uns dabei natürlich, welche mechanischen Eigenschaften diese Komposite erreichen«, erklärt Raimund Jaeger, Gruppenleiter »Polymertribologie und biomedizinische Materialien« am Freiburger Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM. »Die Firma DSM spinnt zwar bereits Hochleistungsfasern aus langen UHMWPE-Molekülketten, die sich entlang der Faserrichtung orientieren, sogenannte Dyneemafasern.« Solche Fasern als Verstärkung in PE einzubringen wäre technisch möglich, sei aber mit einem hohen Arbeits- und Kostenaufwand verbunden und für das Werkstoffrecycling ungeeignet.
Die Lösung für diese Herausforderung fand Prof. Dr. Rolf Mülhaupt mit seinem Team am Freiburger Materialforschungszentrum FMF der Albert-Ludwigs-Universität: Er platziert unterschiedliche Katalysatoren, mit deren Hilfe PE in verschiedenen Kettenlängen gezielt hergestellt werden kann, fein verteilt auf dem gleichen Katalysatorträger. An diesem Katalysator werden bei der folgenden Synthese des PE durch Ethylenpolymerisation gleichzeitig Mischungen aus nieder-, mittel- und ultrahochmolekularem PE hergestellt, sogenannte Reaktorblends. »Mit diesem Trick entstehen direkt bei der Polymerisation PE-Blends, die sich problemlos spritzgießen lassen«, erklärt Prof. Dr. Mülhaupt. Das Verfahren vermeidet hohe Viskositäten, die normalerweise eine Herausforderung sind, wenn ein hoher Anteil von UHMWPE-Molekülketten im Spritzguss verarbeitet werden soll. Die hohen Scherströmungen, die beim Spritzguss in schmale Spritzgussformen auftreten, sind dann dafür verantwortlich, dass sich aus den ultrahochmolekularen Bestandteilen durch Selbstorganisation des Werkstoffs faserartige UHMWPE-Strukturen ausbilden. Diese Fasern verstärken das Bauteil, orientieren sich beim Spritzguss sogar in der gewünschten Richtung und sorgen so für mechanische Stabilität. Und diese Bauteile lassen sich gut wiederverwerten: »Wir haben Proben davon insgesamt zehn Mal werkstofflich rezykliert und immer die gleich gute Qualität erhalten, da sich die gewünschten Werkstoffstrukturen durch Selbstorganisation immer erneut ausbilden«, so Prof. Dr. Mülhaupt. Proben dieses neuen Hochleistungsmaterials prüften die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Fraunhofer IWM auf ihre Werkstoffeigenschaften hin. Die mechanischen Eigenschaften zeigen: Es sind viele Anwendungen vorstellbar, beispielsweise lange Möbelteile, Schienen- und Rolladenführungen oder Teile fürs Autointerieur. Neben dem geringen Gewicht haben die Bauteile auch den Vorteil, Schmierstoffe auf Wasserbasis sehr gut zu vertragen.
In dem Nachfolgeprojekt 3D-SusCOMP geht es nun darum, das Material per 3D-Drucker zu verarbeiten. Bisher ließen sich die guten Eigenschaften der sortenreinen Komposite nur erreichen, wenn die Polymere in einer schmalen Spritzgussform orientiert wurden. Jedoch: die Verstärkung durch Selbstorganisation erfolgt ausschließlich in der Richtung, die durch die Spritzgussform vorgegeben ist. Das ist bereits ein großer Fortschritt, allerdings sind auch andere Bauteilformen und Werkstoffe, sogenannte multidirektionale Komposite, wünschenswert. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler fanden heraus: In der Düse eines 3D-Druckers bilden sich die Faserstrukturen ebenfalls aus. Deren Orientierung im Bauteil kann jedoch im Gegensatz zum Spritzguss über die Bewegung des Druckkopfs gesteuert werden. Hierdurch sind viele neue Anwendungen für diesen recyclinggerechten Werkstoff denkbar: neben Zahnrädern im Automobil oder für die Lebensmittelindustrie können auch sich anschmiegende Robotergreifer, medizinische Orthesen oder Steckverbinder »aus einem Guss« hergestellt werden.
Die beiden Projekte SusCOMP und 3D-SusCOMP des Freiburger Leistungszentrums Nachhaltigkeit werden vom Land Baden-Württemberg und der Fraunhofer-Gesellschaft gefördert. Grundlage bei der Katalysatorentwicklung ist eine langjährige, durch das BMBF geförderte Forschungskooperation des Freiburger Materialforschungszentrums und dem weltweit führenden Unternehmen LyondellBasell in Frankfurt.
Dr. Kerstin Falk
Zur optimalen Auslegung geschmierter tribologischer Kontakte ist die Kenntnis der Schmierstoffeigenschaften unter den im belasteten Kontakt vorherrschenden Bedingungen notwendig. Empirische Formeln zur Vorhersage der Viskosität, wie Barus oder Roelands, werden üblicherweise an experimentelle Werte im Normaldruck-Bereich angefittet und zu höheren Drücken extrapoliert. Für die in Reibkontakten lokal auftretenden extremen Pressungen (im GPa Bereich) können sie allerdings versagen.
Atomistische Molekulardynamik Simulationen erlauben die numerische Berechnung von Schmierstoff-eigenschaften unter kontrollierten, nahezu beliebig einstellbaren, Druck- und Temperaturbedingungen. In diesem Projekt wurde dies zunächst für die Viskositätsberechnung verschiedener Modell-Schmierstoffe aus linearen und verzweigten Alkanen bei Drücken bis etwa 0.7 GPa demonstriert.
Abbildung 1: Skalierung der Viskosität η als Funktion der Dichte ρ (Plot oben) mittels weniger Strukturgrößen (Skizze unten) für verschiedene lineare und verzweigte Alkane (rot: n-Dodecan, orange: n-Hexadecan, grün/hellblau/ dunkelblau: Polyalphaolefine C10-Dimer/-Trimer/-Tetramer) entsprechend des physikalisch motivierten Hochdruck und –temperatur Viskositätsmodells.
Über die explizite Berechnung der Viskosität hinaus, ermöglicht die atomistische Simulation auch eine mikroskopische Betrachtung der Schmierstoff Struktur und Dynamik. Mittels geeigneter statistischer Analysen konnte dadurch für Alkan-basierte Schmierstoffe ermittelt werden, welche molekularen Größen die Viskosität bestimmen. Daraus resultiert ein physikalisch motiviertes Viskositätsmodell, das nur von der Schmierstoff-Dichte und Temperatur, sowie von wenigen Molekül-Strukturgrößen abhängt. Diese Strukturgrößen sind der mittlere effektive Moleküldurchmesser, der mittlere Abstand zwischen benachbarten Molekülen, sowie die Flexibilität der Alkanketten. Diese drei Größen sind weitgehend unabhängig von der Dichte und können daher alle aus einer einzigen Molekulardynamik Simulation bei beliebiger Dichte -- beziehungsweise Druck, z.B. Normaldruck -- bestimmt werden. Zusammen mit einer akkuraten Zustandsgleichung für Druck, Temperatur und Dichte ergibt sich mit wenig Aufwand ein parameterfreies Viskositätsmodell, das auch als Konstitutivgesetz in Reynoldssolver implementiert werden kann.
Dieses physikalisch-basierte Viskositätsmodells soll in Zukunft gezielt adaptiert werden, um weitere anwendungsrelevante Bedingungen abbilden zu können. Dies beinhaltet als nächsten Schritt eine Erweiterung auf die rheologischen Eigenschaften in engen Spalten, die insbesondere auf Grund der Verwendung immer dünnflüssigerer Öle eine zunehmend wichtige Rolle spielen: Eine korrekte Beschreibung dieses Reibregimes mit nanoskaligen Schmierfilmdicken ist mit einer EHD-Betrachtung möglich, für die entsprechende Konstitutivgesetze auf der Nanoskala jedoch noch fehlen. Am IWM stehen atomistische Simulationen als ideales Werkzeug bereit, um die notwendigen Konstitutivgesetze aufstellen zu können.
Die bisherigen theoretischen Arbeiten zum Viskositätsmodell befinden sich aktuell bei der Zeitschrift Physical Review Letters unter Begutachtung.
MikroTribologie Centrum μTC
