Aktuelle Einblicke in die Arbeit des MikroTribologie Centrums

Aktuelles

Maurice Godet Award für µTC-Doktorandin Julia Lehmann

02.09.2019

Auf dem diesjährigen 46. LeedsLyon Symposium der Tribologie in Lyon wurde die Nachwuchswissenschaftlerin Julia Lehmann vom KIT IAM-CMS MikroTribologie Centrum µTC für das beste Paper und die beste Präsentation zum Thema „Velocity-dependence of tribologically-induced oxidation of high-purity copper“ mit dem Maurice Godet Award ausgezeichnet.  Der mit 500€ dotierte Preis ist zu Ehren des Mitgründers des Symposiums Maurice Godet gestiftet worden und würdigt die Arbeit junger Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen auf dem Gebiet der Tribologie.

Wir gratulieren Julia Lehmann ganz herzlich zur Auszeichnung!

Masterarbeit zum Thema: Kontaktmechaniksimulation des Systems Ski-Schnee

26.08.2019

© Fraunhofer IWM

Matthias Scherge, Michael Moseler

Mit modernen Skischleifautomaten lässt sich eine nahezu grenzenlose Vielfalt an Strukturen erzeugen. Diese Anzahl ist derart groß, dass ein vollständiges Testen der neuen Schliffe unmöglich ist. Ein Ausweg aus diesem Dilemma bietet die Computersimulation des Kontaktes von geschliffenem Polyethylen und Schnee verschiedener Komposition. In einem ersten Schritt soll auf Basis moderner Kontaktmechaniksimulation die reale Kontaktfläche berechnet werden, um Aussagen zur Reibung zu erhalten. Die Kontaktmechanik setzt auf neuentwickelten Berechnungspaketen des Fraunhofer IWM MikroTribologie Centrums auf. Die Modelle sollen um ein realistisches Schneemodell erweitert werden, um verschiedene Schneekornformen und Härtegrade zu berücksichtigen.

Wir suchen nach geeigneten Kandidaten aus der Physik oder den Ingenieurswissenschaften. Der Kandidat oder die Kandidatin sollte Skifahren können und die Bereitschaft für Feldtests mitbringen.

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Vakuumtribologie mit Extras

19.08.2019

© Fraunhofer IWM

Abbildung 1: UHV Anlage am MikroTribologie Centrum µTC mit XPS, Massenspektrometer, Effusionszelle und Tribometer.

Jennifer Honselmann

Reibungsmessungen im Ultrahochvakuum (Drücke bis 10-7 Pa) sind nicht nur für die Luft- und Raumfahrttechnik von großer Bedeutung. Das Messen von Reibkoeffizienten in kontrollierter Atmosphäre ermöglicht, Reibphänomene fundamental zu untersuchen, ohne äußere Einflussfaktoren berücksichtigen zu müssen.

Das UHV-Tribometer ist Teil einer größeren UHV Anlage (vgl. Abb. 1). Neben einer XPS - Anlage zur chemischen Analyse der oberflächennahen Zusammensetzung vor und nach Reibversuchen ist eine Effusionszelle angeschlossen. Durch thermische Verdampfung können Proben mit verschiedenen organischen Substanzen beschichtet werden. Der Prozess wird mit einem Massenspektrometer überwacht. Die chemischen Eigenschaften der aufgedampften Schicht können mit der XPS überprüft werden, bevor der Einfluss auf das Reibverhalten im UHV-Tribometer untersucht wird.

© Fraunhofer IWM

Abbildung 2: Reibwerte der Reibpaarungen Diamantkugel gegen mit zwei verschiedenen organischen Verbindungen bedampfte Eisenplättchen (Normalkraft 5 mN, Hertz‘sche Pressung 70 MPa, Reibstrecke pro Zyklus 200 µm, Geschwindigkeit 50 µm/s, Kammerdruck 10-7 Pa).

Der Einfluss unterschiedlicher organischer Schichten auf den Reibwert wurde in einer Pilotstudie untersucht. In Abb. 2 sind die Reibkoeffizienten einer Probe gezeigt, die mit verschiedenen organischen Reibverminderern bedampft wurde. Die Organik 1 zeigt einen konstanten Reibwert von 0,08 während die Organik 2 bei einem Reibwert von 0,04 beginnt und innerhalb der Versuchsdauer auf 0,06 ansteigt.

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Untersuchungen zur Wasserstoffdiffusion im Membranmaterial mithilfe eines Permeationsprüfstands

12.08.2019

© Fraunhofer IWM

1. Photographie des Wasserstoff-Permeationsprüfstands

Lukas Gröner

Ein am IWM bereits vorhandener Permeationsprüfstand zur Charakterisierung der Barrierewirkung von diversen Schichten gegenüber Wasserstoffdiffusion (vgl. Blogeintrag vom 05.04.2019) wurde gezielt weiterentwickelt und bietet nun neue Analysemöglichkeiten zur Identifizierung verschiedener Diffusionsphänomene von Wasserstoff.

Der Permeationsprüfstand besteht dabei aus zwei Kammern, welche durch eine Membran (z.B. Stahl- oder Nickel-Bleche) voneinander getrennt sind. Wird auf der Hochdruckseite ein bestimmter Wasserstofffluss eingelassen, kann der molekulare Wasserstoff auf der Membran adsorbieren und nach einer Dissoziation in das Membranmaterial eindringen. Durch den Konzentrationsgradienten gegenüber der Niederdruckseite diffundieren die Wasserstoffatome auf die UHV-Seite des Prüfstandes (<10-8 mbar), wo diese wieder rekombinieren und anschließend desorbieren. Ein Quadrupol-Massenspektrometer detektiert den Wasserstoff nach der Permeation durch das Membranmaterial, welches sowohl beschichtet wie unbeschichtet eingesetzt werden kann. Eine Abbildung des Permeationsprüfstandes ist in Abb. 1 dargestellt.

Aufgrund eines hohen Untergrundsignals von Wasserstoff (1H) wird für Untersuchungen dieser Art das Isotop Deuterium (2H) verwendet.  Zudem besteht im Permeationsprüfstand die Möglichkeit über einen Heizstrahler die Temperatur der Membran zwischen 30<T<300°C einzustellen.

Soll der temperaturabhängige Diffusionskoeffizient von Wasserstoff im Membranmaterial bestimmt werden, wird bei konstanter Temperatur zur Zeit t=0 Deuterium in die atmosphärendruckseitige Kammer eingelassen. Das Massenspektrometer detektiert für Zeiten t>0 einen ansteigenden Permeationsstrom, bis ein Gleichgewichtszustand vorliegt und der Strom konstant bleibt.

Im vorliegenden Fall wurde die Permeation von Deuterium in Nickel untersucht, siehe Abb. 2. Anhand des zeitlichen Verlaufes des Permeationsstroms wurde der temperaturabhängige Diffusionskoeffizient bestimmt. In der Abbildung links ist zu erkennen, dass der theoretische Verlauf des Permeationsstroms, welcher sich aus dem zweiten Fick’schen Gesetz ergibt, gut mit der Messung übereinstimmt. Dies lässt darauf schließen, dass Oberflächeneffekte bei der Permeation vernachlässigt werden können und allein die Bulk-Diffusion den Permeationsstrom steuert.

Durch die Bestimmung weiterer Werte des Diffusionskoeffizienten für andere Temperaturen konnten die Literaturwerte im Rahmen der Messgenauigkeit gut reproduziert werden. Diese Methode kann daher sowohl für neue oder unbekannte Materialsysteme als auch für bekannte Materialien mit modifizierten Oberflächen verwendet werden um Diffusionsphänomene von Wasserstoff zu untersuchen. Geplant sind Untersuchungen an überrollfesten Barriereschichten für Anwendungen in Wälzlagern sowie an Edelmetallhaltigen Schichtsystemen für Anwendungen in der Photonik.

© Fraunhofer IWM

2 Links: Transiente des Permeationsstroms von D in Ni im Vergleich zum theoretischen Verlauf.

© Fraunhofer IWM

Rechts: Die daraus bestimmten temperaturabhängigen Diffusionskoeffizienten von H2 in Ni im Vergleich zu Literaturwerten.

Abrieb durch Zahnpasten

05.08.2019

© Fraunhofer IWM

Abb. 1: Anordnung von Kelchbürste und Probe im Bürstabriebprüfstand (hier ohne Zahnpastenaufschlämmung gezeigt)

Dr. Raimund Jäger

Zur reinigenden Wirkung von Zahnpasten tragen Putzkörper bei, die Zahnbeläge bei der Zahnpflege entfernen. Auf dem Markt sind Zahnpflegeprodukte mit unterschiedlich hoher abtragender Wirkung verfügbar: von „milden“ Zahnpasten, die beispielsweise bei empfindlichen Zahnhälsen verwendet werden, bis zu abrasiveren Pastenformulierungen, die für „strahlend weiße“ Zähne sorgen sollen. Die Abrasivität der Zahnpasta wird durch den „RDA - Wert“, den „Radioactive Dentin Abrasion“ - Wert beschrieben. Bei der Ermittlung des RDA-Werts werden standardisierte Putztests an radioaktiv markiertem Dentin durchgeführt. Der RDA-Wert wird dann aus der Aktivität des Dentins ermittelt, das beim Putzen abgetragen wurde.

Abriebversuche mit der Radionuklidtechnik bieten gegenüber „konventionellen“ Abriebversuchen viele Vorteile (z.B. die Möglichkeit einer kontinuierlichen Verschleißmessung oder der Ermittlung geringster Verschleißraten), sind in der Regel jedoch mit erheblichem experimentellem Aufwand verbunden. Während der Entwicklungsphase eines Zahnpflegeprodukts kann es daher wünschenswert sein, ein einfacheres Verfahren für sondierende Tests zur Verfügung zu haben. Hierfür steht am µTC ein Bürstabriebprüfstand für vergleichende Untersuchungen der Abrasivität von Zahnpasten oder auch der Abriebbeständigkeit von Zahnfüllmaterialien zur Verfügung.

© Fraunhofer IWM

Abb. 2: RDA Wert und Abriebwerte, die mit dem Bürstabriebprüfstand für verschiedene Pasten gemessen wurden

Im Bürstabriebprüfstand rotieren eine Kelchbürste und die Probe in einer Pastenaufschlämmung gegenläufig um exzentrisch versetzte Achsen (siehe Abb. 1). Als geeignete Modellsysteme für Dentin haben sich kunststoffbasierte Zahnfüllmaterialien oder auch Poly(methylmethacrylat) (PMMA, „Plexiglas“) erwiesen. Der Abrieb der Proben wird während eines Versuchs mehrfach durch Wägung ermittelt. In der Regel wird ein linearer Anstieg des Abriebs mit zunehmender Anzahl der Umdrehungen beobachtet. Eine vergleichende Untersuchung mehrerer Zahnpasten mit unterschiedlichen RDA-Werten ergab eine gute Korrelation zwischen im Bürstabriebprüfstand gemessenem Abrieb und dem RDA-Wert der Pasten (siehe Abb. 2) - wobei berücksichtigt werden muss, dass RDA - Werte wegen der Verwendung von natürlichem Zahnmaterial auch eine gewisse Streuung aufweisen können.

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