Aktuelle Einblicke in die Arbeit des MikroTribologie Centrums

Aktuelles

Projekt »RuBio«: Verbesserung der Rutschhemmung von Sicherheitsschuhen

21.08.2020

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Abb. 1: Druckbild einer Person barfuß (links) und mit Schuhen (rechts).

Dr. B. Schlüter, Dr. R. Jaeger

Ein Fünftel aller meldepflichtigen Arbeitsunfälle sind auf Stolpern, Ausrutschen und Stürze zurückzuführen, im Jahr 2014 waren dies mehr als 171 000 Unfälle. Daher sind rutschfeste Arbeitsschuhe Bestandteil der „persönlichen Schutzausrüstung“ für Arbeitnehmer, die in Bereichen mit glatten oder feuchten Fußböden arbeiten. Die Prüfverfahren zur Bestimmung der Rutschhemmung von Arbeitsschuhen berücksichtigen die Wechselwirkung von Schuhwerk, Böden und Verschmutzungen und führen zu einer Klassifizierung, die die Eignung der Schuhe für bestimmte Verschmutzungsbedingungen beschreibt. Was in der Bewertung der Rutschhemmung von Arbeitsschuhen bisher eine untergeordnete Rolle gespielt hat, ist die individuelle Biomechanik des Benutzers: wie wird die Rutschhemmung des Schuhs durch das individuelle Gangprofil des Trägers beeinflusst?

Dieser Frage werden sich ab September 2020 die molibso GmbH und das MikroTribologie Centrum µTC im vom Bundesministerium für Wirtschaft geförderten Projekt „Verbesserte Rutschhemmung von Sicherheitsschuhen durch Berücksichtigung der individuellen Biomechanik des Trägers“ in den nächsten zwei Jahren widmen.

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Abb. 2: Druckbilder eines Sicherheitsschuhmodells vier verschiedener Personen.

Gang- und Videoanalysen, die die molibso GmbH auf einer mit 15.000 Sensoren bestückten Druckmessplatte durchgeführt hat, ergaben, dass die Druckverteilung auf der Kontaktfläche zwischen der Sohle von Arbeitsschuhen und dem Untergrund sowohl von dem individuellen Gangprofil als auch der individuellen Passung des Arbeitsschuhs abhängen (siehe Abbildung 1 und 2). Da die Druckbilder die Kontaktmechanik zwischen Sohle und Boden bestimmen, folgt daraus, dass die Rutschhemmung eines Arbeitsschuhs sowohl von Kennwerten des Schuhs, des Sohlenmaterials und -designs als auch von der individuellen Passform und dem individuellen Druckbild des Trägers beeinflusst wird.

Im Projekt wird eine mit einem Schmiermedium versehene schiefe Ebene mit einer Druckmessplatte ausgerüstet, über die Probanden mit verschiedenen Sicherheitsschuhen laufen und eine Rangfolge der Sicherheitsschuhe hinsichtlich der individuell erfahrenen Rutschsicherheit erstellen werden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sollen zwei wichtige Fragen beantworten:

  • Lässt sich aus dem individuellen Gangprofil des Trägers der Schuh mit der höchsten Rutschhemmung bestimmen? Sollte dies der Fall sein, ermöglichen die Ergebnisse des Projekts eine zielgerichtete Beratung der Kunden, die einen Arbeitsschuh kaufen wollen.
  • Lassen die Druckprofile nahe des Übergangs vom Rutschen zum Gleiten Rückschlüsse auf die auslösenden Faktoren des Ausrutschens zu? Ein besseres Verständnis dieser Faktoren kann zur Verbesserung der Rutschhemmung von Arbeitsschuhen eingesetzt werden.

Die Ergebnisse eines erfolgreichen Projekts können dem Einzelhandel für persönliche Sicherheitsausrüstungen, den Herstellern von Sicherheitsschuhen und den Berufsgenossenschaften zu Gute kommen.

 

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Strukturoptimierte Systembeschichtung für die Abformung hochglänzender Kunststoffteile

14.08.2020

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Abb. 1: Idee und Umsetzung. Rasterkraftmikroskop-Aufnahmen der unterschiedlichen Beschichtungsstadien. Polierte Werkzeugoberfläche, PVD-Template-Beschichtung, vollständige Beschichtung mit antiadhäsiver Deckschicht.

Verschleißfeste PVD/PECVD-Systembeschichtungen mit angepasster Oberflächentopografie ermöglichen prozesssicher Abformung von hochglanzpolierten Kunststoffformwerkzeugoberflächen

Zur Erzeugung von Kunststoffartikeln mit hochglänzenden Oberflächen werden hochganzpolierte Werkzeugoberflächen bei hohen Temperaturen in Kontakt mit polymeren Formmassen gebracht und dabei so gut wie möglich abgeformt. Der formschlüssige Kontakt zwischen Polymer und Werkzeug resultiert in einer sehr großen effektiven Kontaktfläche, an der sich van-der-Waals-artige Anziehungskräfte sowie chemische Wechselwirkungen ausbilden, die bei einer anschließenden Entformung wieder über­wunden werden müssen. Dies kann speziell bei sehr glatten Werkzeugoberflächen soweit führen, dass eine prozesssichere Entformung nicht mehr gewährleistet werden kann.

Zur Lösung dieses Problems können zwei Ansätze verfolgt werden. Einerseits können durch eine chemische Veränderung der Werkzeugoberfläche oder durch Reduzierung der Kontaktfläche die Anziehungskräfte reduziert werden. Letzteres wird durch gezieltes mechanisches Aufrauen der Werkzeugoberfläche bewerkstelligt. So lassen sich Haftkräfte zwar oftmals reduzieren, die daraus resultierende, verminderte Oberflächengüte erlaubt allerdings nur eine Anwendung in Einzelfällen. Ähnlich verhält es sich bei der Aufbringung antiadhäsiver Beschichtungen. Zwar sind Beschichtungen mit möglichst niedriger Oberflächenenergie und geringem polaren Anteil (z.B. siliziumhaltige Beschichtungen auf DLC-Basis) in der Lage, Entformkräfte zu reduzieren, ihre Rauheit lässt sich aber nur schwer über den Beschichtungsprozess steuern, was zu einer ungewollten Aufrauhung der Form­werkzeugoberfläche führt.

Eine weitere Verbesserung kann daher nur erreicht werden, wenn durch eine Beschichtung sowohl die chemische Wechselwirkung, als auch die Kontaktfläche (Nanostruktur) optimiert wird. Für Hochglanzoberflächen ergibt sich daraus ein Spannungsfeld, in dem bisher die beiden Anforderungen nicht gleichzeitig erfüllt werden können.

 

Glatt ist nicht gleich glatt

Das MikroTribologie Centrum forscht deshalb an der Strukturaufklärung und der Optimierung der Kontaktfläche zwischen Polymer und Werkzeug in einem Skalenbereich, der stets im optischen Hochglanzbereich zu liegen kommt.

Als Hochglanzoberfläche werden im industriellen Umfeld Oberflächen mit einer mittleren Rauheit von Ra < 20nm, vorzugsweise Ra < 10 nm, definiert. Zur Aufklärung des Adhäsionsverhaltens ist eine exakte mathematische Beschreibung von Hochglanz­oberflächen notwendig, die insbesondere die Wahl aussagekräftiger Kenngrößen erfordert. Die Forschungsarbeiten am MikroTribologie Centrum haben gezeigt, dass die Beschreibung von Hochglanzoberflächen und der Korrelation der Werkzeug-Oberflächentopografie mit den gemessenen Entformungskräften äußert komplex ist und die Angabe der in der EN-ISO 4288:1997 definierten Oberflächenrauwerte Ra oder Rq nicht ausreicht.

Für eine aussagekräftige Beschreibung der Oberfläche mussten sowohl Flächenrauheits­parameter (Sa, ISO 25178-3), Abstandsparameter (Spitzendichte, Sds) und Hybridparameter (Steilheit der Oberfläche, Sdq) als auch Verteilungsfunktionen (Höhenverteilung, Spitzenverteilung, Krümmung) sowie die in der Tribologie gebräuchlichen Abbot Firestone Curve (AFC) und die Power Spectral Density (PSD) ausgewertet werden. Die Korrelation der Oberflächenparameter (Sa, Sds, Sdq, AFC, PSD) mit den gemessenen Haftkräften hat z.B. gezeigt, dass neben der Rauheit (Sa) vor allem die Spitzendichte (Sds) einen signifikanten Einfluss auf die Haftkräfte hat.

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Abb. 2: Vergleich der Haftkräfte von einer unbehandelten Hochglanzoberfläche (1), einer aufgerauten Stahloberfläche (2), einer hochglanzpolierten und mit antiadhäsiv beschichteten Oberfläche (3) und der erarbeiteten Kombi-Beschichtung (4) gegenüber PET.

Die Kombination macht’s

Um den Widerspruch zwischen Hochganzabformung und Kontaktflächenminimierung zu überwinden, entwickelt das MikroTribologie Centrum in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IST und dem Fraunhofer LBF ein mehrlagiges Schichtsystem, das aus einer nano­strukturierten PVD-Hartstoff-Templateschicht und einer antiadhäsiven Deckschicht besteht.

Durch gezielte Steuerung der Abscheideparameter Druck, Leistung und Sputterzeit gelang es, die Oberflächentopographie der Kombinationsschicht bezüglich der Parameter Rauheit (Sa = 1 nm - 20 nm), Spitzendichte (Sds 1μm-1 - 5 μm-1) und mittlerer Oberflächensteilheit (Sdq 1° - 10°) in den o.g. Grenzen gezielt so einzustellen, dass eine Aufrauhung der Oberfläche und damit die Reduktion der Kontaktfläche nur auf einer Längenskala stattfanden, die den optischen Hochglanzeindruck erhielten.

Durch diese PVD/PECVD-Kombinationsbeschichtung ist es gelungen, die Ablösekräfte in Heißprägeprozessen für PET gegenüber einer unbehandelten Werkzeugoberfläche, um ca. 60% zu reduzieren. Ohne eine Strukturoptimierung, d.h. nur mit einer antiadhäsiven Deckschicht, konnten die Kräfte nur um ca. 40% reduziert werden. Die Rauheit der abgeformten Teile wurde durch die mehrlagige Beschichtung zwar von einem Sa von 3,3 nm auf 7,5 nm erhöht, liegt jedoch immer noch deutlich innerhalb des als Hochglanz definierten Bereichs. Der optische Eindruck wurde durch diese Veränderung nicht nennens­wert gemindert.


 

Dank

Die Arbeiten wurden durch ein IGF-Vorhaben (Nr. 19545 N) der Forschungsvereinigung Forschungsgesellschaft Kunststoffe e. V. (FGK), Haardtring 100, 64295 Darmstadt über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

 

Dr. Frank Meyer,

Dr. Frank Burmeister,

Dr. Bernd Steinhoff,  Abteilung Kunststoffverarbeitung und Bauteilauslegung des Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF)

Dr. Hans Kothe, Arbeitsgruppe Thermoplastverarbeitung Bereich Kunststoffe der Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Dr.-Ing. Martin Keunecke, Leiter der Arbeitsgruppe Tribologische Systeme am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST

Mechanismen der Graphitschmierung unter hoher mechanischer Belastung

07.08.2020

© Fraunhofer IWM
Abb. 1: Elektronenmikroskopaufnahme von Graphitflocken auf einer polierten Eisenprobe vor der Belastung.

Carina E. Morstein

Festschmierstoffe kommen in tribologischen Systemen zur Anwendung, bei welchen konventionelle Flüssigschmierstoffe an ihre Grenzen kommen. Vor allem unter hoher mechanischer Belastung, bei hohen Temperaturen oder im Vakuum weisen sie eine deutlich bessere Schmierwirkung und Stabilität auf als flüssige Schmierstoffe. Ein vielseitig verwendeter Schmierstoff ist hierbei Graphit. Aufgrund des lamellaren Aufbaus aus einzelnen Graphenlagen wird bis heute das sogenannte „deck-of-cards-Modell“ verwendet, um seine guten Schmiereigenschaften zu begründen. Diesem Modell liegt die Argumentation zugrunde, dass die einzelnen Graphenlagen unter Scherspannung wie ein Kartendeck voneinander abgleiten können und dadurch niedrige Reibwerte erzielt werden können. Dieses Modell kann allerdings nicht alle experimentellen Ergebnisse erklären, z.B. die guten Schmiereigenschaften von einzelnen Monolagen Graphen. Es ist des Weiteren bekannt, dass die Schmierwirkung von Graphit stark abhängig von der umgebenden Luftfeuchtigkeit ist: Im Vakuum werden sehr hohe Verschleiß- und Reibwerte gemessen, erst ab einer gewissen Luftfeuchtigkeit kann eine gute Schmierwirkung beobachtet werden. Der zugrundeliegende Mechanismus für diese Beobachtung ist aber immer noch unbekannt.

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Abb. 2: Elektronenmikroskopaufnahme einer graphitbeschichteten Eisenprobe nach dem Reibexperiment im Mikrotribometer.

Im Rahmen des DFG Schwerpunktprojektes SPP2074 »Fluidfreie Schmiersysteme unter hoher mechanischer Belastung« wird diesen offenen Fragen nachgegangen. Das IAM-CMS und das IPEK des KIT sowie das Fraunhofer IWM MikroTribologie Centrum erforschen in Kollaboration die Mechanismen der Graphitschmierung in hochbelasteten Axialwälzlagern. Am IAM-CMS werden hierfür Laborexperimente auf Mikroebene durchgeführt, um die Schmiermechanismen von Graphit zu untersuchen und eine Datengrundlage für Simulationen bilden zu können. Hierfür werden mit Graphit beschichtete Eisenoberflächen in Reibversuchen belastet.

Im bisherigen Projektverlauf wurden die graphitbeschichteten Eisenproben in einem Mikrotribometer mit linearer Bewegung untersucht. Hierbei wurde mit einer 100Cr6 Kugel reversierend über die Probe verfahren und die Reibspuren anschließend mittels Konfokalmikroskopie, RAMAN Spektroskopie, Röntgenphotoelektronenspektroskopie und (Transmissions-) Elektronenmikroskopie untersucht. Um die zu Grunde liegenden Mechanismen genauer zu verstehen, wurden wichtige Einflussparameter variiert, u.a. die Graphitschichtdicke, Normalkraft, Rauheit des Substrates sowie die Luftfeuchtigkeit innerhalb des experimentellen Aufbaus. Die so gewonnenen Erkenntnisse werden anschließend in FEM- und atomistischen Simulationen des IPEK bzw. des Fraunhofer IWM MikroTribologie Centrums implementiert. Durch den ständigen Austausch zwischen den Instituten können somit die Ergebnisse aus Experiment und Simulation für die gegenseitige Validierung und Optimierung verwendet werden. Im weiteren Verlauf des Projektes wird u.a. ein Holographie-Tribometer verwendet, um die Schmiereigenschaften von Graphit unter Rollreibung zu untersuchen und in situ die Entwicklung der Probenoberfläche beobachten zu können.

 

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Programmierbare Reibung: Makroskopische Steuerung des Reibwerts mit ionischen Flüssigkeitsmischungen durch elektrische Potenziale

31.07.2020

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Abb. 1: Aufbau des Kugel-3-Stifte Versuchs mit integrierter 3-Elektrodenkonfiguration.

Felix Gatti, Dr. Tobias Amann

Die Viskosität und die Additivzusammensetzung eines Schmiermittels sind auf die Anforderungen der jeweiligen Anwendung zugeschnitten. Die Eigenschaften und Wirkung der Schmierstoffe können sich im Einsatz durch die Beanspruchungen verändern. Dies hat zur Folge, dass der optimale Betriebspunkt des Systems verlassen wird. Mithilfe von elektrischen Potenzialen als externem Trigger kann bei Verwendung von oberflächenaktiven und polaren Substanzen gezielt Einfluss auf den Reibwert und damit auf sich verändernde Parameter genommen werden. Durch eine solche automatisierte Steuerung der tribologischen Eigenschaften könnte fortlaufend der optimale Betriebszustand eingeregelt werden. Aus diesem Grund bietet die Reibungssteuerung ein enormes Potenzial zur Steigerung der Energieeffizienz und Lebensdauer tribologisch beanspruchter Bauteile. Deshalb wurde 2018 ein Forschungsteam aus den Fraunhofer-Instituten ICT, IWU und IWM innerhalb des Cluster of Excellence Programmierbare Materialien CPM mit dem Ziel der automatisierten Anpassung der Reibung bei sich verändernden Bedingungen zusammengestellt.

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Abb. 2: Reibwertänderung im Vergleich zum unpolarisierten Zustand in Abhängigkeit vom Mischungsverhältnis der beiden ILs bei a) anodischer Polarisation und b) kathodischer Polarisation.

Durch die Verwendung von ionischen Flüssigkeiten (ionic liquids, ILs) kann mithilfe von extern angelegten elektrischen Spannungen die Anlagerung der ILs im Reibspalt kontrolliert und somit die Reibung gezielt beeinflusst werden. In einem eigens gebauten Modellversuch wurde die Quantität der Reibwertsteuerung unter Einfluss von elektrischen Potenzialen gemessen (Abbildung 1). Dabei wurden Arbeitselektrode (AE), Referenzelektrode (RE) und ein Platindraht als Gegenelektrode (GE) als 3-Elektrodenanordnung in das Modell integriert, sodass elektrische Potenziale und Ströme eingestellt und variiert werden können. Als Schmiermittel wurden zwei ILs mit gleichem Kation (Phosphonium) und unterschiedlichem Anion (Sylfonylimd, BTA und Phosphat, DEHP) verwendet. Diese ILs wurden einzeln als auch in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen zueinander eingesetzt. In Abbildung 2 ist die maximale Reibwertänderung der unterschiedlichen IL-Mischungen dargestellt, die durch eine anodische Oberflächenladung (+300 µA) beziehungsweise kathodische Oberflächenladung (-300 µA) erreicht wurde. Der elektrische Strom wurde nach einer Einlaufphase (50 N, 100 rpm, 2 h, Raumtemperatur) eingestellt und für eine halbe Stunde gehalten. Die größte Reibwertsteigerung gegenüber dem unpolarisierten Zustand von 45 % konnte bei einem Verhältnis von 3:1 von BTA:DEHP (75 % BTA in DEHP) erzielt werden. Eine Reibwertreduktion um 10 % konnte bei einem 1:1 Verhältnis (50 % BTA in DEHP) erreicht werden.

Durch die Verbindung des Tribometers mit dem Potentiostat über einen »Tribo-Regler« sollen in Zukunft voreingestellte Sollwerte des Reibwerts automatisch und parameterunabhängig eingestellt werden.

Diese Ergebnisse entstanden im Fraunhofer Cluster of Excellence Programmierbare Materialien.

 

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Rätsel um Passivierung reibarmer, harter Kohlenstoffbeschichtungen gelöst

24.07.2020

Berechnung trockener Reibung mittels Kraftfeld für molekulardynamische Simulation

 

Diamant- und diamantähnliche Kohlenstoffschichten (DLC) sind als extrem beständige Oberflächen in Reibkontakten zu finden – von Raumfahrtkomponenten bis zu Rasiergeräten. Sie verringern Reibung und Verschleiß in Lagern oder Ventilen mithilfe sogenannter Passivierungsschichten, die Anbindungen anderer Materialien verhindern. Bisher war unklar, wie diese Schichten aufgebaut sein müssen, um minimale Reibung zu erzielen. Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM, MikroTribologie Centrum µTC, haben nun einen Durchbruch beim Verständnis der Passivierungen erzielt. Die unerwarteten Ergebnisse sind im Fachjournal »ACS Applied Materials & Interfaces« veröffentlicht.

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Reibkontakt zweier Fluor-terminierter DLC Oberflächen (Kohlenstoff grau). Die (grünen) Fluor-Terminierungen können zu »Hindernissen« im Reibspalt werden und Reibung erhöhen.

Harte Kohlenstoffbeschichtungen sind weltweit im großindustriellen Maßstab im Einsatz. Ein besonders starker Nutzer ist die Automobilindustrie, die jährlich mehr als 100 Millionen beschichteter Teile einsetzt mit einem Marktvolumen von mehreren 100 Millionen Euro. Weitere wichtige Anwendungsfelder sind Schutzschichten für Computerfestplatten und Aufzeichnungsköpfe als auch der Verschleißschutz von Schneid- und Formwerkzeugen in Produktionsmaschinen oder bei biomedizinischen Komponenten.

»Um die erwünschte ultrakleine Reibung zu erreichen, ist eine stabile Passivierung der ungesättigten Bindungen an der Kohlenstoff-Oberfläche notwendig«, erläutert Thomas Reichenbach aus der Gruppe Multiskalenmodellierung und Tribosimulation. Für die Passivierung kommen allerdings zahlreiche Stoffe infrage: der gängigste ist Wasserstoff. Eine vielversprechende, technologisch relevante Alternative hingegen ist Fluor. Beide Varianten sorgen für stabile, monoatomare Passivierungen. »Wir wollten ergründen, unter welchen Umständen welche Passivierung besser ist und vor allem warum, denn die Wirkweisen sind bisher noch kaum verstanden«, erklärt der Simulationsexperte für atomare Computermodelle. Für diese Arbeiten hat Thomas Reichenbach den mit 3.000 Euro dotierten Werkstoffmechanik-Preis 2020 des Fraunhofer IWM erhalten, der im Kuratorium verliehen wurde.
 
Die vorherrschende Meinung der Fachliteratur besagt, dass die Ladung der für die Passivierung eingesetzten Atome für den Unterschied zwischen Wasserstoff und Fluor verantwortlich ist. Auf diesem Hintergrund erklärt sie auch die geringere Reibung von F-passivierten Flächen gegenüber den H-passivierten mit der größeren Abstoßung der beiden Fluor-Flächen. »Wir waren da skeptisch, denn das elektrische Feld von dicht gepackten Kohlenstoff-Fluor-Bindungen hat nur eine sehr geringe Reichweite. Genau das ist ja auch die Ursache für den Abperl-Effekt von Teflon-Beschichtungen in Bekleidung oder Kochutensilien«, sagt Doktorand Reichenbach.

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Reibkontakt zweier Wasserstoff- (oben, weiß) und Fluor-terminierter (unten, grün)) Diamantoberflächen (grau): Fluor-Passivierung halbiert die Reibung im Vergleich zur Wasserstoff-Passivierung.

Interatomares Kraftfeld beschreibt Reibung

Um die Zusammenhänge zwischen den strukturellen und chemischen Eigenschaften der Passivierungen und der Reibung zu erklären, entwickelten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Fraunhofer IWM in langjähriger Kleinarbeit ein sogenanntes interatomares Kraftfeld. Dieser maßgeschneiderte mathematische Formalismus beschreibt die Wechselwirkung der an der Reibung beteiligten Atome. Alle vermeintlich an der Reibung beteiligten Parameter, bestimmt aus präzisen, aber rechnerisch aufwändigen quantenmechanischen Berechnung, fließen darin ein – etwa die Atomradien, -massen oder Ladungen. Auf Basis dieses rechnerisch effizienten Kraftfeld-Modells wiederum konnten sie als erste weltweit im Computer etwa hunderttausend Atome in den Reibkontakten simulieren, Daten zu ihrem Verhalten und ihren Wechselwirkungen in der Anwendung prognostizieren und so die Reibung direkt bestimmen.  
 
Um herauszufinden, welche Parameter für die Reibung wirklich entscheidend sind, nutzte das Forschungsteam dann einen Trick: »Man muss sich das vorstellen, als würde man Sicherungen in einer erleuchteten Wohnung durchprobieren, um die richtige zu finden«, veranschaulicht Reichenbach das Vorgehen. Da die Passivierung mit Fluor die Reibung auf atomar planen Diamantschichten gegenüber der Wasserstoffpassivierung in etwa halbiert, vertauschten sie im Kraftfeld Schritt für Schritt die Parameter von Wasserstoff und Fluor. »Sollte der Parameter wirklich relevant sein für die Reibung, hätten wir in der Simulation eine Umkehrung der Reibwerte von Wasserstoff und Fluor gesehen«, so Reichenbach.

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Elektronendichte zweier Wasserstoff-terminierter (links) und Fluor-terminierter (rechts) Diamantoberflächen: große Fluor-Atome verhindern Ineinandergreifen der Oberflächen und verringern so Reibung.

Alleine geometrische Parameter sind von Belang für Passivierung

Die Ergebnisse sind unerwartet: Sowohl bei den Atommassen als auch bei den Atomladungen erfolgte keine Reibwert-Umkehrung beim Parametertausch – dafür jedoch bei den Atomradien in Verbindungen mit deren Bindungslängen zu Kohlenstoff. »Das heißt: allein geometrische Parameter sind für die Optimierung der Reibung von Bedeutung«, verdeutlicht Reichenbach die Überraschung. Mit diesen grundlegenden Erkenntnissen konnte das Team um Reichenbach auch gleich die Vorteile der Fluor-Passivierung bei planen Diamantoberflächen begründen. Durch die größeren Atomradien wird bei zwei F-passivierten Reibpartner-Oberflächen das Ineinandergreifen der beiden Flächen verhindert: Die Reibpartner gleiten recht störungsfrei aneinander vorbei, da sich der »atomare Reißverschluss« nicht schließen kann. Bei den kleineren Wasserstoffatomen ist das hingegen möglich: sie können sich verzahnen und so die Reibung vergrößern. Fluor-Kohlenstoff-Bindungen sind die stärksten aller chemischen Bindungen. Durch ihre Langlebigkeit ist die Fluor-Passivierung daher sehr interessant für tribologische Anwendungen. Ihr Nachteil: Die größeren Fluoratome können jedoch bei nicht planen DLC-Oberflächen zu Hindernissen werden, wenn sie sich an Oberflächenerhöhungen anhängen, wodurch sich die Reibung wieder erhöhen würde. »Die Forschung an den Passivierungen steht noch am Anfang. Wir haben mit unserer Grundlagenforschung jetzt eine Tür aufgestoßen, aber die Ergebnisse müssen auch noch mit hochpräzisen Experimenten überprüft werden«, sagt der stellvertretende Gruppenleiter Dr. Gianpietro Moras. Die neue »Schalter-Methode« aus Freiburg ließe sich jedenfalls ohne Probleme auf andere Reibkontakte übertragen. Dazu müsste das Kraftfeld-Modell an die speziellen Rahmenbedingungen angepasst werden, beispielsweise an andere Passivierungsatome oder Oberflächengeometrien. Die Methode ermöglicht, Designregeln für optimal terminierte reibungsarme Systeme zu entwickeln. Zum Beispiel könnten systematisch Alternativen zur Fluorpassivierung gefunden werden. Denn fluorierte Kohlenstoffmoleküle besitzen zwar hervorragende tribologische Eigenschaften, werden aber aufgrund der negativen Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt in einigen Anwendungsbereichen zunehmend gemieden.
 
Die Forschungen der Gruppe Multiskalenmodellierung und Tribosimulation zu den Passivierungen waren Teil geförderter Forschungsprojekte vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, von der Deutschen Forschungsgemeinschaft sowie von der Deutsche Exzellenz Strategie – EXC.

 

Originalpublikation:

Reichenbach, T.; Mayrhofer, L.; Kuwahara, T.; Moseler, M.; Moras, G.: Steric Effects Control Dry Friction of H-and F-Terminated Carbon Surfaces; ACS Applied Materials & Interfaces 12, 7 (2020) 8805-8816; DOI: 10.1021/acsami.9b18019

 

Link zur Pressemitteilung auf der Seite des Fraunhofer IWM

 

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