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Auszeichnung für Innovation zur Detektion von PFAS-Verbindungen

Hochtemperaturtribologie bei Abgasbeaufschlagung

Energieeffizienz von wassergeschmierten Gleitpaarungen in Pumpen

Virtuelles Labor berechnet optimale Zusammensetzung von Schmierstoffen

Thermisch hoch belastete Tribokontakte im Gasmotor

Substitution von Hartmetallen durch Keramik – Ressourceneffiziente Gleitlagertechnologie für Pumpen

Die Bildung intermittierender kovalenter Bindungen bei hohem Kontaktdruck begrenzt die sehr geringe Reibung auf epitaktischem Graphen

Über das Einlaufverhalten amorpher Kohlenstoffschichten und deren nanoskaligen Fingerabdruck

Plasmagestützte Nanostrukturierung von Glasabdeckungen nach biologischen Vorbildern

Wälz- und Gleitlagerprüfung in Wasserstoffumgebung

Mechanochemische Aktivierung von Anthracen-[4+4]-Cycloaddukten

Skispringen auf Matten auch im Winter?

Doppelspitze im Geschäftsfeld Tribologie

24. internationale Konferenz »Wear of Materials«

Verschleiß von Kohlenstoffnanoröhren in hochbelasteten Kontakten

Einfluss chemisorbierter Schmierstofffragmente auf die Trockenreibung zwischen a-C-Oberflächen

Ausnutzung des Einlaufverhaltens von geschmierten PEEK

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Prof. Dr. Matthias Scherge

Der Einsatz von per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen (PFAS) ist längst nicht nur umstritten, sondern steht vor einem möglichen EU-weiten Verbot. Die damit einhergehenden Herausforderungen für Hersteller, die darauf angewiesen sein werden, Chemikalien zukünftig aufwändig zu prüfen, sind vielschichtig. In einer Kooperation zwischen dem MikroTribologie Centrum µTC und dem Thüringer Startup Kompass GmbH wurde nun ein innovatives Messsystem entwickelt, das bisherige Geräte zur Detektion von PFAS-Verbindungen in Handlichkeit, Flexibilität und Genauigkeit weit übertrifft. Am 16. November wurde das System mit dem Lothar-Späth-Award ausgezeichnet, der für besonders wegweisende Innovationen vergeben wird.

Bisherige PFAS-Detektionsmethoden, die beispielsweise auf der Infrarotspektroskopie (FTIR) beruhen, stellen unter anderem die Schwierigkeit dar, nicht mobil einsetzbar zu sein. Das bedeutet, dass PFAS-haltige Proben für die Analyse in Messlaboren nur sehr aufwändig vor Ort untersucht werden können. Ein weiteres Problem zeigt sich zudem in der Beschaffenheit der Proben: Die unterschiedlichen Molekülschwingungen, die in den Proben angeregt werden, können überlagert sein, sodass die Auswertung in den FTIR-Analysen nach Energie und Signalstärke nicht ausreichend ist.

Der neu entwickelte PFAS-Tester, im handlichen Handscanner-Format, wird diesen Herausforderungen gerecht. Das Gerät nutzt einen komplexen Messkopf, der Proben durch Infrarot- und Ultraviolettlicht anregt und Signale aufzeichnet, um eine breite Palette von Energiebereichen abzudecken. Dabei werden Rauheitseffekte minimiert, indem der Messkopf reflektierend und diffus in verschiedenen Richtungen zur Oberfläche misst. Zusätzliche Sensoren kompensieren Effekte durch die Probenfarbe. Die Vielfalt der Sensoren erfordert maschinelle Datenverarbeitung mit Tools, die auf Künstlicher Intelligenz beruhen oder auf Machine Learning zurückgreifen. Die integrierte KI-Lösung ist Hardware-technisch codiert und ermöglicht durch Cloud-Anbindung den Einsatz weiterer Algorithmen für eine umfassende Datenbank. Durch geeignete Anpassung des Geräts mit Informationen aus Infrarot- und Röntgenspektren sind nahezu alle PFAS-Verbindungen quantifizierbar.

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Tobias König

Durch gestiegene Umwelt- und Effizienzanforderungen nimmt die Komplexität heutiger Verbrennungsmotoren deutlich zu, die mit unterschiedlichsten Betriebsstoffen befeuert werden. Mehrstufige Aufladungen, Abgasrückführungen und -nachbehandlungen führen im Abgasstrang zu einem hohen Regel- und Steueraufwand, weshalb mehrere Klappensysteme und Aktuatoren eingesetzt werden müssen. Die ungeschmierten Lagerstellen dieser Abgasklappen sind kritische Tribosysteme mit hohem Verschleiß, hoher Ausfallwahrscheinlichkeit und geringer Lebensdauer. Innerhalb eines IGF-Forschungsprojekts (IGF-Nr. 21253 N) wurde eine zeit- und kosteneffiziente Qualifizierungsmethodik speziell für diese abgasbeaufschlagten Tribosysteme entwickelt und validiert, die aufwendige Vollmotorversuche ersetzen kann.

Die Qualifizierungsstrategie besteht aus zwei sich ergänzenden Versuchsmethoden (vgl. Abbildung), deren Eignung innerhalb des Projekts durch den Vergleich mit verschlissenen Komponenten aus Feldversuchen überprüft wurde. Zum schnellen und einfachen Werkstoffscreening wurde ein linear reversierender Gleitversuch mit einer Linienkontaktgeometrie eingesetzt. Zur anwendungsnahen tribologischen Prüfung wurde außerdem ein neuer Prüfaufbau entwickelt, der einen Wellen-Buchsen-Kontakt mit anwendungsspezifischen Abmaßen beinhaltet und mit einer realen Abgasatmosphäre beaufschlagt werden kann. Bei der abschließenden Validierung und Bewertung der Strategie durch den Vergleich mit verschlissenen Feldkomponenten wurde eine gute Eignung der Strategie sowie eine hohe Übertragbarkeit der Ergebnisse nachgewiesen. 

_{König, T.; Kimpel, T.; Kürten, D.; Kailer, A.; Dienwiebel, M., Influence of atmospheres on the friction and wear of cast iron against chromium plated steel at high temperatures, Wear 522 (2023) Art. 204695, 17 Seiten Link}

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Dr. Andreas Kailer

Ein wesentlicher Teil des Energieverbrauchs in Pumpen ist auf Reibungsverluste der Gleitlagerungen und Gleitringdichtungen zurückzuführen. Obwohl in den letzten Jahren der Energieverbrauch durch Reibungsoptimierung deutlich reduziert werden konnte, besteht weiterhin Bedarf an neuen Lösungsansätzen zur Reibminimierung und damit Effizienzverbesserung der Pumpen.

Als Lösungsansatz wurden im Rahmen eines vom BMWK geförderten Verbundprojekts der Partner Wilo, EagleBurgmann, SGL Carbon, Oerlikon Balzers und dem Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM so genannte Hart/Weich-Paarungen betrachtet, bei denen eine DLC-beschichtete Gleitkomponente als Axiallager, Radiallager oder Gleitringdichtung mit einem Gegenläufer aus Kohlegrafit kombiniert wird. Im Rahmen des Projekts wurden sowohl DLC-Beschichtungen als auch Grafitwerkstoffe für die Anwendung unter typischen Einsatzbedingungen in Pumpen (für überwiegend wässrige Medien bei erhöhten Temperaturen) entwickelt und tribologisch bewertet.

Die Ergebnisse zur tribologischen Untersuchung der Gleitlager und Gleitringdichtungen zeigen, dass einige DLC-Beschichtungen und Grafitwerkstoffe Verbesserungen im Vergleich zum Stand der Technik ermöglichen. Es gibt Konzepte und erste Ergebnisse für Systemprüfungen, die diese Vorteile ebenfalls zeigen. Eine Herausforderung ist und bleibt allerdings die Langzeitbeständigkeit der Beschichtungen, insbesondere unter hohen tribologischen Beanspruchungen und Medientemperaturen. Hierzu müssen je nach Anwendungsfall maximale Beanspruchungen im Hinblick auf eine geforderte Laufdauer und Stabilität gefunden werden.

_{Das Projekt »Steigerung der Energieeffizienz von wassergeschmierten Reibpaarungen in Pumpen – EWARP« wird im Rahmen des BMWK-Förderprogramms »Forschung für eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung« gefördert (Förderkennzeichen: 03ET1662, Projektlaufzeit: 2019 bis 2023).}

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Prof. Dr. Michael Moseler

Mechanische Lager und Getriebe, wie sie in Elektrofahrzeugen und Windkraftanlagen vorkommen, werden meist mit Schmierstoffen versorgt, um Reibung und Verschleiß zu mindern. Allerdings können an diesen Bauteilen elektrische Spannungen anliegen, die die Funktionsweise der Schmierstoffe so stark beeinträchtigen, dass Schäden an den tribologischen Kontakten entstehen. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM haben im Verbundprojekt »Lube.Life« ein virtuelles Schmierstofflabor entwickelt, mit dem sich die Auswirkungen elektrischer Felder auf die Stabilität von Schmierstoffen vorhersagen lassen. Damit sind maßgeschneiderte Formulierungen neuer Schmiermittel möglich.

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Dr. Dominik Kürten, Dr. Andreas Kailer

Die Klimaneutralität der Wirtschaft ist eine große Herausforderung. Bis 2030 sollen 55% der CO₂-Emissionen gegenüber 1990 eingespart werden. Um dieses Ziel erreichen zu können, werden Speichertechnologien benötigt, um regenerativ erzeugten Strom zu speichern. Power-to-X bietet hier interessante Lösungsansätze, den erzeugten Strom zu speichern und bei Bedarf erneut in Strom zu wandeln. Für die Rückverstromung werden Gasmotoren eingesetzt, die unterschiedliche regenerative Kraftstoffe flexibel nutzen können. Im Verbundprojekt GESIR (Gasmotoren mit energieeffizienten Systemtechnologien und integraler Robustheit) arbeitet das MikroTribologie Centrum µTC gemeinsam mit Industriepartnern an Lösungen zur Steigerung der Belastbarkeit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer von tribologisch höchstbeanspruchten Komponenten in Gasmotoren. Ziel ist es, weitere Verbesserungen des Wirkungsgrads zu ermöglichen und die Emissionen zu reduzieren.

Zu den größten Herausforderungen von Gasmotoren gehören die Schmierungsbedingungen im Bereich der Ventilsitze und -führungen. Durch hohe Temperaturen und geringe Schmierstoffversorgung kann adhäsiver Verschleiß auf den Komponenten entstehen.

Zur anwendungsnahen Untersuchung von Ventilführungen hinsichtlich Reibverhalten und Verschleiß wurden Hochgeschwindigkeits-Oszillationsprüfungen (HOGO) durchgeführt. Der Prüfaufbau ist eine Eigenentwicklung, welche speziell auf die tribologischen Herausforderungen im Ventiltrieb angepasst wurde. So können motorähnliche Bedingungen hinsichtlich Schmierung, Temperatur und Querkräften auf die Ventile eingestellt werden. Für die Versuche werden Komponenten aus dem Motor verwendet. Dies ermöglicht einen direkten Vergleich von Schmierstoffen, Ventilschäften und Führungshülsen auf einer anwendungsnahen Prüfebene. Teure Motorprüfläufe können eingespart werden. 

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Dr. Andreas Kailer

In den Bereichen Chemie- und Anlagentechnik (Kraftwerke, Industrie, Gebäude) werden verbreitet Pumpen eingesetzt. Für die dort benötigten mediengeschmierten Gleitlager wird nach Lösungen gesucht, die standardmäßig wolfram-, nickel- und cobalthaltigen Hartmetall­komponenten und -schichten zu ersetzen. In einer vom Land Baden-Württemberg geförderten Zusammenarbeit des Fraunhofer IWM mit dem Institut für Fertigungstechnik keramischer Bauteile IFKB der Universität Stuttgart sowie dem Kompetenzzentrum für Spanende Fertigung KSF der Hochschule Furtwangen wurden keramische Schichten entwickelt, mit denen die heute üblichen wolfram-, nickel- und cobalthaltigen Hartmetalle substituiert werden können.

Am IFKB wurde mit dem Hochgeschwindigkeits-Suspensionsflammspritzen ein Verfahren entwickelt, mit dem keramische Schichten mit hoher Qualität auf metallische Grundkörper aufgebracht werden können (vgl. Abbildung). Damit ist es möglich, Lagerhülsen mit verschiedenen, mehrphasigen Keramiken zu beschichten. Eine weitere fertigungstechnische Herausforderung war die geforderte hohe Maßhaltigkeit der Keramikschichten sowie die gute Oberflächenqualität. Hierzu wurden am KSF für die verschiedenen keramischen Schichtsysteme Bearbeitungsverfahren entwickelt.

Mit tribologischen Bauteilprüfungen wurde gezeigt, dass die keramischen Lagerhülsen hinsichtlich Reibung und Verschleiß mit Hartmetallen vergleichbar oder sogar besser sind. Hierbei zeigte sich gerade im vollständig keramischen System mit einer Gleitpaarung aus einer beschichteten Wellenhülse und einer vollkeramischen Lagerbuchse das vorteilhafte Verhalten im Vergleich zum Referenzzustand: Da die keramischen Oberflächen (im Gegensatz zu Hartmetall) im Gleitkontakt in wässrigen Medien eingeglättet werden, wird ein vorteilhaftes Verhalten mit insgesamt geringem Verschleiß und geringer Reibung erreicht. Auch im Dauerversuch, in einer vom Industriebegleiter HERMETIC-Pumpen GmbH zur Verfügung gestellten Pumpe, erwiesen sich die keramikbeschichteten Lagerhülsen als sehr stabil: Selbst nach jeweils 2.000 An- und Abfahrzyklen, bei denen in der Pumpe die größten tribologischen Beanspruchungen auftreten, wurden auf den Wellenhülsen keinerlei kritische Veränderungen der Beschichtungen festgestellt. Damit ist der Funktionsnachweis dieser Schichten erbracht und es wurde gezeigt, dass diese Schichten tatsächlich Hartmetallschichten ersetzen können.

Gemeinsam mit den Industriebegleitern wurden Möglichkeiten für einen Transfer in Pumpenanwendungen diskutiert. Bei einem solchen Transfer entscheiden neben technischen Vorteilen auch die wirtschaftlichen Aspekte. Vielversprechende Ansatzpunkte hierzu sind jedoch vorhanden.

Die geförderten Partner bedanken sich beim Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg für die finanzielle Unterstützung und interessierte Betreuung des Projekts, sowie bei den Vertretern der Firmen obz innovation gmbh, Voith Turbo, Voith Hydro GmbH & Co. KG, HERMETIC-Pumpen GmbH und ELBE Schleiftechnik GmbH für die intensive Begleitung und Unterstützung des Projekts.

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Prof. Dr. Michael Moseler

Graphen ist ein ausgezeichnetes Schmiermittel aufgrund der relevanten Eigenschaften zweidimensionaler Materialien: starke Bindungen in der Ebene führen zu hoher Festigkeit und Verschleißfestigkeit. Schwache Wechselwirkungen außerhalb der Ebene sorgen für chemische Inertheit und leichte Scherbarkeit.

Die hervorragenden tribologischen Eigenschaften von Graphen wurden in vielen Experimenten bestätigt, bei denen Graphen als Additiv in flüssigen Schmiermitteln, als Festschmierstoff, Festschmierstoffbeschichtung oder bei Flach-auf-Flach-Kontakten eingesetzt wurde, wo strukturelle Schmierfähigkeit zu sehr geringer Reibung führt. So weist z.B. epitaktisches Graphen auf SiC(0001) aufgrund seiner schwachen Wechselwirkungen mit Gegenkörpern eine sehr geringe Reibung auf. Reibungskraftmikroskopie mit Siliziumspitzen zeigt jedoch einen abrupten Anstieg der Reibung um eine Größenordnung oberhalb eines Schwellenwerts in der Normalkraft, so dass die Reibvorteile von Graphen verloren gehen.

Am MikroTribologie Centrum µTC wurden dichtefunktionalbasierte Tight-Binding-Simulationen durchgeführt, die darauf hindeuten, dass diese hohe Reibung auf einer intermittierenden sp3-Rehybridisierung von Graphen bei einem Kontaktdruck von über 10 GPa beruht (vgl. Abbildung). Gleichzeitig kommt es zur Bildung kovalenter Bindungen mit der Siliziumdioxidoberfläche der Spitze und der darunter liegenden SiC-Grenzschicht, wodurch das ganze System beim Reiben plastisch deformiert werden muss, was die hohe Reibung erklärt. 

_{[1] Szczefanowicz, B.; Kuwahara, T.; Filleter, T.; Klemenz, A.; Mayrhofer, L.; Bennewitz,  R.; Moseler, M., Formation of intermittent covalent bonds at high contact pressure limits superlow friction on epitaxial graphene, Physical Review Research 5/1 (2023) Art. L012049, 7 Seiten Link}

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Prof. Dr. Matthias Scherge

Die Frage, ob und wie DLC einen tribologischen Einlauf absolviert, hat Joachim Faller in seiner Dissertation beantwortet. Die Ergebnisse finden Sie in Kürze hier.

Die Schrift befasst sich mit dem Einlaufverhalten amorpher Kohlenstoffschichten in einem geschmierten Tribosystem mit einem metallischen Gegenkörper. Es wurde untersucht, inwiefern sich Reibung und Verschleiß in Abhängigkeit von der Abfolge der Belastung und der Endbearbeitung der amorphen Schichten entwickeln. Dazu wurden Versuche in einem Stift-Scheibe-Tribometer mit Echtzeitverschleißmessung (RNT) im Mischreibungszustand durchgeführt. Die Messungen zeigen einen ausgeprägten Einlauf, vergleichbar mit einem Metall-Metall-Tribosystem, der von hoher initialer Belastung profitiert. Für die durch die Endbearbeitung erzielte Rauheit gibt es einen schmalen Korridor, in dem sich kleinste Reibwerte und Verschleißraten einstellen (vgl. Abbildung). Mittels mehrerer Analyseverfahren konnte gezeigt werden, dass der Einlauf zu einer Anreicherung des sp2-Gehalts in der Randzone führt.

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Dr. Frank Burmeister

Für viele Anwendungen besteht ein hoher Bedarf an hochtransparenten und medienabweisenden Abdeckscheiben, z.B. für Sensoren und Kameras im Automobilbereich. Aus Gründen der Beständigkeit sollten diese vorzugsweise aus Glas gefertigt werden. In einer aktuellen Kooperation mit einem großen Hersteller von Automobilverglasungen wurde vom Fraunhofer IWM nun eine Alternative zu konventionellen Verfahren wie Antireflex- und Kratzschutzbeschichtungen erforscht. Dazu wurden Floatglasscheiben einem reaktiven HF-Plasma ausgesetzt und über selbstorganisierte Strukturbildung eine Nanostrukturierung der Glasoberfläche erzeugt (vgl. Abbildung 1). Entscheidend dabei war die Kombination von reaktiven Prozessen (über Fluor-Radikale) und physikalischem Sputtern (über Beschuss mit Ar-Ionen). Die erzeugte Struktur ähnelt in ihrer Topografie dem biologischen Vorbild des Flügels des Glasflügelfalters und bewirkt eine effektive und breitbandige Entspiegelung. Über eine Kombination mit einer weiteren Plasmabehandlung mit HMDSO-Precursor konnten die erzeugten Oberflächen wahlweise extrem hydrophil oder hydrophob ausgestaltet werden. 

Eine Besonderheit des Vorhabens bestand darin, dass erstmals versucht wurde, nicht nur Quarzglas, wie oftmals in der Literatur, sondern technisches Floatglas zu strukturieren. Durch die Verwendung SiO₂-beschichteter Scheiben ist es gelungen, eine nur schwach wellenlängenabhängige und auch unter großem Betrachtungswinkel wirksame Antireflex-Strukturierung zu erreichen (vgl. Abbildung 2). Damit konnte gegenüber klassischen Antireflexbeschichtungen, die vorwiegend unter einem schmalen Winkel- und Wellenlängenbereich gut wirksam sind, eine wesentliche Verbesserung erreicht werden.

Der erarbeitete Prozess muss noch im Detail weiterentwickelt und validiert werden, zeigt aber jetzt schon ein hohes Potenzial für großtechnische Anwendungen. Die eingesetzten CCP-Plasmen (capacitively coupled) lassen sich leicht aufskalieren. Die Ätzraten von ca. 10 nm/min – 20 nm/min liegen in einem Bereich, der sie für industrielle Fertigungsprozesse mit kurzen Durchlaufzeiten interessant macht. 

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Dr. Dominik Kürten, Maximilian Baur, Dr. Andreas Kailer

Im Zuge der aufkommenden Wasserstoffwirtschaft werden dringend Konzepte benötigt, um tribologische Untersuchungen in Wasserstoffumgebungen durchzuführen. Die Herausforderungen bei der Entwicklung geeigneter Prüfaufbauten sind entsprechend groß, um definierte Gaszusammensetzungen zu erhalten und die Arbeitssicherheit zu gewährleisten. Am MikroTribologie Centrum µTC wurde ein Aufbau zur Prüfung von Wälz- und Gleitlagern in Wasserstoffatmosphäre entwickelt. Dieser besteht aus einer Hochdruckkammer, die mit Wasserstoff bei Drücken von bis zu 300 bar befüllt werden kann. Die Prüfungen können trocken oder geschmiert mit Ölen oder Fetten durchgeführt werden. Eine zusätzliche Temperierung der Prüfkammer ermöglicht Prüftemperaturen bis 200 °C. Im Fall der Wälzlagerprüfung werden zwei Axiallager gegeneinander verspannt eingebaut. Der Prüfaufbau kann dann Kontaktpressungen von bis zu 3 GPa realisieren. Ziel der Versuche ist es, Schmierstoffe, Werkstoffe und Beschichtungen unter anwendungsnahen Bedingungen in Wasserstoffatmosphären hinsichtlich ihrer tribologischen Eigenschaften zu untersuchen. Aufgrund der stark reduzierten Oxidbildung und der Interaktion der tribologischen Oberflächen und des Schmierstoffs mit der Atmosphäre ist grundsätzlich ein anderes tribologisches Verhalten als an Luft zu erwarten. Zusätzlich besteht das Risiko von Versprödungsreaktionen der Werkstoffe infolge der Wasserstoffatmosphäre. Ein bekanntes Beispiel hierfür ist das Auftreten von WEC-Schädigungen bei Wälzlagern aus gewöhnlichen Wälzlagerwerkstoffen wie 100Cr6. Für Wälzlager werden deshalb Lösungsansätze gesucht, um die Lebensdauer der Lager unter Wasserstoffeinfluss zu verbessern.  

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Dr. Michael Walter, Dr. Dominik Linsler, Prof. Dr. Michael Moseler, Dr. Leonhard Mayrhofer

Die kontrollierte Bildung und Auflösung schwacher chemischer Bindungen ist eine vielseitige Methode, um die Eigenschaften von Materialien zu verändern. Anthracen-[4+4]-Cycloaddukte sind ein Paradebeispiel hierfür, denn sie enthalten Bindungen, welche durch Licht gebildet und durch äußere Kräfte wieder geöffnet werden können. In einem kürzlich veröffentlichten Zeitschriftenbeitrag befassen wir uns mit der theoretischen Beschreibung der Mechanochemie dieser Cycloaddukte. Die dafür standardmäßig angewandte Methode »constraint geometry simulates forces (CoGEF)« versagt aufgrund der fehlenden Berücksichtigung der Temperatur. Eine explizite Einbeziehung externer Kräfte ermöglicht jedoch die Bestimmung der Übergangsbarrieren, welche eindeutig vom Bruch der [4+4]-Interanthracen-Bindungen dominiert werden. Andere Bindungsöffnungen kommen erst bei extrem großen Kräften ins Spiel, die unter Umgebungsbedingungen nicht zu erwarten sind.

Die theoretischen Ergebnisse stehen im Einklang mit der experimentellen Rheologie von [4+4]-gebundenen Anthracenpolymeren. Diese zeigt eine reversible Neubildung von [4+4]-Cycloadditionsbindungen mit UV-Licht nach einem mechanochemischen Bindungsbruch unter Scherbeanspruchung. Der Bindungsbruch wird dabei mechanisch in quervernetzten Polymerstrukturen erzeugt. Im Gegensatz dazu sind linear vernetzende Polymerstrukturen unter Scherung bei tribologischer Belastung stabil. Die Anthracenbindungen in linearen Polymeren / Schmierstoffen können bei Temperaturen über 140 °C oder unter UV-Einstrahlung niedrigerer Wellenlänge jedoch reversibel geöffnet und unter UV-Bestrahlung höherer Wellenlänge erneut vernetzt werden. Die so entstehenden Möglichkeiten eines »programmierbaren Materials« werden im Fraunhofer Cluster of Excellence Programmierbare Materialien CPM für einen in seiner Rheologie reversibel schaltbaren Schmierstoff genutzt. Eine vielversprechende technische Anwendung liegt in der Umformtribologie. 

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Prof. Dr. Matthias Scherge

Im Oktober 2022 gab es einen Anruf vom ARD Sportjournalisten Benjamin Wüst. Im Rahmen der Skisprung-Berichterstattung sollte über das Thema „Mattenspringen auch im Winter!?“ berichtet werden. Der Anlass war das erste Weltcupspringen auf Matten in Wisła, aber auch generell die Klima- und Energiekrise. Nach einem Drehtag beim Mattenhersteller Mr. Snow in Chemnitz und an der Schanze in Steinbach-Hallenberg, erfolgte der Dreh im Schneetribologielabor des MikroTribologie Centrums µTC in Karlsruhe. „Mr. Snow“ hatte uns mehrere Mattenstücke geschickt. Wir hatten diese in unser Reibungsmessgerät eingebaut und auf -10°C vorgekühlt. Vor der Kaltmessung wurde zu Vergleichszwecken die Reibung bei Raumtemperatur gemessen. Danach widmeten wir uns zwei Fragen: „Wie groß ist die Reibung im kalten Zustand?“ und „Würde Schnee auf den Matten halten?“. Durch die Versuche konnten beide Fragen simultan beantwortet werden. Die Reibung war im gekühlten Zustand geringer als bei Raumtemperatur. Als Wasser aus einer Sprühflasche als simulierter Regen auf die Matten auftraf, bildeten sich nahezu instantan kleine Eiskügelchen (siehe Bild), die nochmals die Reibung verringerten und als Andockstelle für den Fall von Neuschnee fungieren sollten. Somit konnte gezeigt werden, dass reibungs- und präparationstechnisch alles in Ordnung ist. Anders als im Sommer müssen die Matten nicht bewässert werden, um kleine Reibung zu erhalten. Natürlicher Schnee verträgt sich gut mit den Matten, so dass man für alle Winterbedingungen optimale Verhältnisse im Aufsprunghügel erzeugen kann.

Den Film kann man derzeit noch in der Mediathek finden.

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Seit dem 1. Januar hat das Geschäftsfeld Tribologie des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM eine Doppelspitze, bestehend aus Prof. Matthias Scherge und Prof. Michael Moseler. Mit dieser Umbildung reagieren wir auf die gestiegenen Mitarbeitendenzahlen des Geschäftsfelds sowie des MikroTribologie Centrums µTC. Letzteres besteht seit seiner Gründung im Jahr 2020 aus 5 Fraunhofer-Gruppen und 3 KIT-Gruppen. Insgesamt sind auf diese Weise ca. 130 Tribologen und Tribologinnen mit spannenden Aufgaben auf dem Gebiet von Reibung, Verschleiß und Schmierung betraut.

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Prof. Dr.  Martin Dienwiebel

In zwei Monaten findet die 24. internationale »Wear of Materials« statt. Nachdem die letzte Konferenz nur virtuell abgehalten werden konnte, treffen sich dieses Jahr Expert*innen auf dem Gebiet Verschleiß und Verschleißschutz wieder in Präsenz in Banff, Kanada. Die Konferenzserie, die 1977 von Prof. Ken Ludema ins Leben gerufen wurde, ist die weltweit führende Veranstaltung auf dem Gebiet der Verschleißforschung und präsentiert eingeladene Beiträge und Ergebnisse auf diesem Gebiet. Auch die diesjährige WOM wird mit großer Beteiligung und Vorträgen des MikroTribologie Centrums µTC stattfinden. Dazu gehören ein Keynote Vortrag von Prof. Dr. Christian Greiner, der die Tribooxidation von Kupfer beleuchtet, und ein Beitrag zum Thema Hochtemperaturtribologie.  

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Dr. Andreas Klemenz

Um Reibung und Verschleiß zu verringern, werden häufig Öle und Fette zur Schmierung verwendet. Bei einigen Anwendungen, wie z. B. der Lebensmittelverarbeitung, können diese jedoch nicht eingesetzt werden. Stattdessen kommen in solchen Fällen oft Trockenschmierstoffe wie Graphit oder MoS₂ zum Einsatz. Neben diesen etablierten Materialien können auch Beschichtungen aus Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nanotubes, CNTs) eingesetzt werden. Dies ist jedoch ein relativ neuer Ansatz und das Verhalten von CNT-Beschichtungen unter tribologischer Belastung wurde bisher kaum untersucht. In den vergangenen Jahren wurden derartige Schichten daher mit Hilfe von Experimenten und atomistischen Simulationen in einem Gemeinschaftsprojekt mit der Universität des Saarlandes untersucht.

Neben einer Verringerung der Reibung wurde in den Experimenten beobachtet, dass bereits bei relativ geringen Drücken nach einiger Zeit eine Degeneration der CNTs eintritt und die reibungsmindernde Wirkung der Beschichtungen verloren geht. CNTs weisen eine hohe mechanische Stabilität auf, so dass sich die Frage stellt, warum es überhaupt zu einer Schädigung kommt und über welche Mechanismen sie abläuft. Um diesen Fragen nachzugehen, wurden Beschichtungen von CNTs unter tribologischer Belastung mittels klassischer Molekulardynamik untersucht (Abb. 1). Dabei stellte sich heraus, dass sowohl die Struktur der CNTs selbst, als auch die Struktur der Schichten einen maßgeblichen Einfluss auf das Verschleißverhalten haben. Der Durchmesser und die Anzahl der inneren Wände in einer mehrwandigen CNT bestimmen ihre mechanische Stabilität und damit auch ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber tribologischen Belastungen. Je größer die Anzahl der inneren Wände ist, desto stabiler ist die einzelne CNT. Ein Vergleich zwischen den atomistischen Simulationen und den Experimenten zeigte klar, dass die einzelnen CNTs eine zu hohe mechanische Stabilität besitzen, um den Verschleiß der Schichten mit den Eigenschaften der einzelnen CNTs erklären zu können. Dieser hat seine Ursache stattdessen in der Anordnung der CNTs in den Beschichtungen. Typischerweise haben diese eine relativ offene Struktur, in der die CNTs stark verknäuelt sind. Dies führt dazu, dass an den Kreuzungspunkten der CNTs bereits bei relativ geringen makroskopischen Drücken hohe lokale Drücke anliegen, die ausreichen um die CNTs zu schädigen.

Auf der Basis der Simulationsergebnisse konnten die makroskopischen Drücke berechnet werden, ab denen eine Degradation der CNTs auftreten sollte. Die berechneten Werte wiederum zeigten eine gute Übereinstimmung mit den tatsächlich im Experiment bestimmten Drücken. Darüber hinaus zeigten detaillierte Elektronenmikroskopische Untersuchungen der experimentellen Beschichtungen eine sehr gute Übereinstimmung mit den Vorhersagen des CNT-Schädigungsprozesses aus den Simulationen. Insgesamt ermöglichen die erzielten Ergebnisse ein tieferes Verständnis der Degradationsmechanismen von CNT-Schichten unter tribologischer Belastung.

Weitere Details können der Originalpublikation entnommen werden [1].

_{[1] MacLucas, T.; Klemenz, A.; Grünewald, P. ; Presser, V.;  Mayrhofer, L.; Moras, G.; Suarez, S.; Dienwiebel, M.; Mücklich, F.; Moseler, M., Multiwall carbon nanotubes for solid lubrication of highly loaded contacts, ACS Applied Materials & Interfaces 6/3 (2023) 1755-1769  Link}

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Dr. Kerstin Falk, Dr. Thomas Reichenbach, Prof. Dr. Michael Moseler, Dr. Gianpietro Moras

Bei der Modellierung und Simulation von tribologischen Systemen werden meist zwei grundlegende Fälle unterschieden: trockene und geschmierte Kontakte. Die Realität sieht aber oft komplexer aus. Laufen geschmierte Systeme trocken, können Rückstände des Schmiermittels auf den Oberflächen verleiben und diese gar chemisch verändern. In einer neuen Veröffentlichung [1] haben wir den Einfluss solcher chemisorbierter Öl-Schmierstofffragmente auf die Trockenreibung am Beispiel amorpher Kohlenstoffoberflächen (a-C) untersucht. Dafür wurden mittels Molekulardynamik atomistische Tribo-Modellsysteme aus a-C-Gegenkörpern simuliert, auf deren Oberfläche Alkane und Alkohole unterschiedlicher Länge und Dichte chemisch angebunden waren (siehe Abbildung). Die verschiedenen Reibpartner wurden bei 1 GPa Last mit 2 m/s konstanter Geschwindigkeit gegeneinander geschert und die resultierende Reibkraft ermittelt. Mit diesem Ansatz wurde zum Beispiel die Abhängigkeit der Reibung von der Länge der Fragmente und insbesondere von der Oberflächendichte der Fragmente untersucht. Weiterhin wurden auch verschiedene Polaritäten der Molekülfragmente betrachtet.

Dabei zeigte sich, dass die Reibung zwischen den mit Schmierstofffragmenten bedeckten Oberflächen durchweg höher war, als wenn die a-C-Oberflächen schlicht mit atomarem Wasserstoff abgesättigt wurden. Unter allen kettenpassivierten Systemen wiesen diejenigen mit einer sehr hohen Dichte gleich langer Alkanketten die geringste Schubspannung auf. Der Grund hierfür ist, dass durch sehr dicht gepackte Kettenenden vergleichsweise glatte Oberflächen entstehen, zwischen denen kaum Verhakungen stattfinden. Allerdings ist zu erwarten, dass dieses Szenario nur durch gezieltes Oberflächendesign und nicht durch die zufällige Adsorption von tribologisch degradierten Ölmolekülen realisierbar ist. Außerdem ergab sich für die Modellsysteme mit chemisorbierten Alkoholketten im Allgemeinen eine noch etwas höhere Reibung als im jeweils korrespondierenden unpolaren System. Die chemisorbierten Schmierstoffreste sorgen also durchweg für eine höhere Reibung im Vergleich zu den ursprünglichen, atomar glatten und H-terminierten a-C-Oberflächen.

Um diese qualitativen Trends besser zu verstehen, wurde außerdem der durch sterische Wechselwirkungen erzeugte Widerstand gegen die Gleitbewegung semi-quantitativ ausgewertet. Dafür wurde ein Überlappungsparameter definiert, der die atomare Verzahnung der zwei Oberflächen entlang der Gleitrichtung charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Variation der Reibwerte für die verschiedenen Grenzflächenstrukturen gut mit diesem Überlappungsparameter korreliert und somit durch die sterischen Wechselwirkungen erklärt werden kann. Im Falle polarer Schmierstofffragmente stellte sich heraus, dass die Elektrostatik, zusätzlich zur Sterik, die Reibung mitbestimmt. 

_{[1] Falk, K.; Reichenbach, T.; Gkagkas, K.; Moseler, M.; Moras, G., Relating dry friction to interdigitation of surface passivation species: a molecular dynamics study on amorphous carbon, Materials 15/9 (2022) Art. 3247, 17 Seiten. Link}

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Dr. Christof Koplin, Dr. Raimund Jaeger

Polyetheretherketon ist ein Thermoplast, welcher auch bei erhöhten Temperaturen eingesetzt werden kann, bei denen übliche Thermoplasten über ihre mechanischen und thermischen Belastungsgrenzen hinaus beansprucht werden. Mit zunehmender Bedeutung der E-Mobility rückt die Nutzung von PEEK stärker in den Blickpunkt. Widerstandsfähige Lager als auch Zahnräder aus Hochleistungspolymeren ermöglichen ruhigen, schwingungsdämpfenden Betrieb. Für PEEK sind dessen hohe Temperaturbelastbarkeit bei hohem elektrischen Durchschlagsschutz weitere Vorteile. Überdies ermöglicht der Ersatz von metallischen Antriebskomponenten durch Hochleistungsthermoplasten eine Verringerung der CO₂-Emission – Thermoplasten sind Leichtbauwerkstoffe und »low carbon materials«.

Unter geeigneten Belastungen können geschmierte PEEK-Stahl-Systeme ein sehr günstiges tribologisches Verhalten zeigen (Abbildung a). Die Verminderung von Reibung und Verschleiß entsteht durch die guten Spreitungseigenschaften von Öl zwischen Stahl und PEEK, die hohe mechanische Belastbarkeit des Kontakts aufgrund der ausbleibenden Überhitzung und den in Folge hoher Pressungen entstehenden dünnen Transferfilm von PEEK auf Stahl (Abbildung b). Der Transfer glättet die Stahloberfläche, unterstützt die Filmbildung der Schmierung und senkt somit signifikant Reibung und Verschleiß. Die Bildung des Transfers kann über eine gezielte Einlaufprozedur erhöht werden, wird über ein Anlösen des PEEKs durch den Schmierstoff verstärkt und entwickelt sich bei Kontakttemperaturen unterhalb der Glastemperatur besonders intensiv (Abbildung c). Welche Schmierstoffe für diese Einlaufprozedur förderlich sind, können wir in einem Screeningverfahren ermitteln.

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