Aktuelles

Effiziente Berechnung von Hochdruck-Viskositäten aus Molekulardynamik-Daten

02.05.2024

© Fraunhofer IWM
Abb.: Unterschiedliche Berechnungsmethoden (grün: über Spannungstensor, orange: über Geschwindigkeitsvektor) der Viskosität mittels Gleichgewichts-Molekulardynamik-Daten

Lars Kruse, Dr. Kerstin Falk, Prof. Dr. Michael Moseler

In technischen Anwendungen sind Schmierstoffe unerlässlich, um Reibung und Verschleiß zu minimieren. Hierbei stellt die steigende Nachfrage nach umweltfreundlichen Technologien erhöhte Anforderungen an diese Schmierstoffe. Zusätzlich stoßen herkömmliche Auswahlverfahren, besonders bei extremen Betriebsbedingungen, oft an ihre Grenzen. Daher ist eine präzise Beschreibung der Schmiereigenschaften von entscheidender Bedeutung für die Optimierung von Maschinen hinsichtlich ihrer Reibungseigenschaften. Wobei insbesondere die newtonsche Viskosität (scherunabhängige Viskosität) in der Auslegung von Schmierstoffen Anwendung findet.

Neben experimentellen Messverfahren bieten atomistische Computersimulationen verschiedene Berechnungsmethoden zur Bestimmung von Viskositäten in Abhängigkeit von Temperatur, Druck und Scherrate. In Molekulardynamiksimulationen wurden die Viskositäten bisher typischerweise entweder aus der Scherspannung gescherter Systeme oder in sogenannten Gleichgewichtssimulationen eines ungestörten Schmierstoffvolumens aus dem Spannungstensor ermittelt. Anstatt aus dem Spannungstensor die Viskosität zu ermitteln, wurde der Diffusionskoeffizient D aus den Molekül-Geschwindigkeiten berechnet. Mittels der Stokes-Einstein-Beziehung D = (kBT)/(4πRη) und dem hydrodynamischen Molekülradius R, kann dann wiederum die newtonsche Viskosität η ermittelt werden.

In unserer Veröffentlichung haben wir für ein typisches Basisöl (PAO4) im Temperatur- und Druckbereich von T = 20 … 150°C und P = 0 … 300MPa drei verschiedene Methoden für die Viskositätsberechnung aus Molekulardynamik-Daten verglichen. 

Kruse, L. B.; Falk, K.; Moseler, M., Calculating high-pressure PAO4 viscosity with equilibrium molecular dynamics simulations, Tribology Letters 72 (2024) Art. 40, 15 Seiten Link

 

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Supraschmierung von Keramik-DLC-Tribokontakten im Vakuum: Der Einfluss des Wasserstoffgehalts auf die Transferfilmbildung

02.04.2024

© American Chemical Society
Abb.: (a) Zeitliche Entwicklung des Reibkoeffizienten beim Reiben von Siliziumnitrid (Si3N4) gegen a-C:H-Beschichtungen mit unterschiedlichen Wasserstoffgehalten. Im Fall von 20 at. % H ergibt sich hohe Reibung und hoher Verschleiß, weil die Scherverformung in Si3N4 und der Si3N4/a-C:H-Grenzfläche lokalisiert ist (b). Im Gegensatz dazu findet die Scherung innerhalb der a-C:H-Beschichtung statt, wenn der Wasserstoffgehalt 36 at. % beträgt (c). In diesem Fall bildet sich ein a-C:H-Transferfilm aus. Adaptiert mit Genehmigung aus der Originalveröffentlichung (Kuwahara et al., Superlubricity of Silicon-Based Ceramics Sliding against Hydrogenated Amorphous Carbon in Ultrahigh Vacuum: Mechanisms of Transfer Film Formation, ACS Applied Materials & Interfaces 16/6 (2024) 8032-8044).

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

Ungeschmierte tribologische Grenzflächen zwischen siliziumbasierten Keramiken wie Siliziumnitrid (Si3N4) oder Siliziumkarbid weisen hohe Reibung und hohen Verschleiß auf. Eine Lösung dieses Problems ist, die Keramik mit einer Gegenfläche aus wasserstoffhaltigem amorphem Kohlenstoff (a-C:H) zu kombinieren. Von dieser kann eine passivierende Kohlenstoffschicht auf die Keramikoberfläche übertragen werden. Die Mechanismen, die diesem Filmtransfer zugrunde liegen, und die Bedingungen, die ihn begünstigen, waren bis jetzt jedoch weitestgehend ungeklärt.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des MikroTribologie Centrums µTC und der École Centrale de Lyon untersuchten diese Fragestellung gemeinsam. In einer kürzlich erschienenen, aus dieser Kooperation resultierenden, wissenschaftlichen Veröffentlichung werden Reibungsexperimente im Ultrahochvakuum diskutiert, bei denen Reibungskoeffizienten unter 0,01 beim Reiben von Si3N4 gegen a-C:H mit einem Wasserstoffgehalt von 36 at. % gemessen wurden. Im Gegensatz dazu erhöht sich der Reibungskoeffizient auf über 0,7, einhergehend mit hohem Verschleiß, wenn der Wasserstoffgehalt der a-C:H-Schicht auf 20 at. % reduziert wird (vgl. Abbildung).

Durch chemische Oberflächenanalysen konnte bestätigt werden, dass sich die supraschmierende Reibgrenzfläche durch den Transfer eines Kohlenwasserstoff-Nanofilms auf der Si3N4-Oberfläche gebildet hat. Mittels atomistischer Simulationen konnte gezeigt werden, dass ein passivierender a-C:H-Transferfilm nur dann erfolgreich übertragen wird, wenn nach dem anfänglichen Kaltverschweißen der Keramik und der a-C:H-Schicht die plastische Scherverformung innerhalb der a-C:H-Schicht lokalisiert ist. Dies ist nur dann der Fall, wenn die Scherfestigkeit von a-C:H geringer ist als die der Keramik und die der a-C:H-Keramik-Grenzfläche (vgl. Abbildung). Dazu muss der Wasserstoffgehalt der a-C:H-Schicht zwischen ∼30 und ∼50 at. % liegen.

Während bisher bekannt war, dass ein hoher Wasserstoffgehalt für eine effiziente Selbstpassivierung von a-C:H-Oberflächen im Vakuum erforderlich ist, zeigt diese Arbeit, dass der Wasserstoffgehalt auch für die Bildung eines stabilen a-C:H-Transferfilms entscheidend ist. Interessanterweise lassen sich diese Ergebnisse auch auf Glas, Siliziumcarbid und Stahl übertragen, was die Allgemeingültigkeit des vorgeschlagenen Mechanismus hervorhebt.

Weitere Informationen zur Veröffentlichung finden Sie unter dem folgenden Link:

Kuwahara, T.; Long, Y.; Sayilan, A.; Reichenbach, T.; Martin, J. M.; De Barros Bouchet, M. I.; Moseler, M.; Moras, G., Superlubricity of silicon-based ceramics sliding against hydrogenated amorphous carbon in ultrahigh vacuum: Mechanisms of transfer film formation, ACS Applied Materials & Interfaces 16/6 (2024) 8032-8044 Link

 

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Mikrofretting an elektrischen Kontakten beherrschen

05.03.2024

© Fraunhofer IWM
Abb.: Aufbau des Mikrofrettingtesters mit Kraftaufnehmer und Piezotisch. Das Diagramm zeigt einen beispielhaften Hysteresenverlauf.

Dr. Dominic Linsler

Elektrische Kontakte werden durch Schwingungen einer tribologischen Belastung (Fretting) ausgesetzt. Um das Verhalten von Kontakten zu verstehen und die Lebensdauer zu verbessern, ist es wichtig, die tribologischen Vorgänge in einem bauteilnahen Test zu untersuchen. Am MikroTribologie Centrum µTC wurde ein Nanoindenter mit einem piezoelektrischen Positionierer ergänzt, um die Kontaktbeanspruchung im Kraftbereich der realen Anwendung nachzustellen. Der Nanoindenter ermöglicht lastkontrollierte Versuche im Bereich von 10 Millinewton bis zu mehreren Newton und dient als Mikrofrettingtester. Der Testaufbau erlaubt es, das Kontaktaussehen aus der realen Anwendung mit realistischer Normalkraft und kleinsten lateralen Bewegungen im Mikrometerbereich zu reproduzieren. Die Lateralkraftverläufe geben Aufschluss über die Vorgänge und Veränderungen im Kontakt. So können Schlüsse auf einen stabilen Zustand des elektrischen Kontakts oder aber auch auf Degradationsmechanismen gezogen werden. Die Analyse von Einflussgrößen wie Schichthärte, Kontaktmaterial und -aufbau auf die Ausbildung des sogenannten »dritten Körpers« und damit letztendlich auf die Haltbarkeit des Steckkontakts wird mit analytischen Methoden wie Ionenfeinstrahl- und Rasterelektronenmikroskopie und klassischer Nanoindentation durchgeführt. Die Verknüpfung tribologischer Experimente bei kleinen Kräften und Wegen in Kombination mit der Analyse dieser tribologischen Kontakte ermöglicht gezielte Maßnahmen zur Erhöhung von Lebensdauer und Zuverlässigkeit der elektrischen Kontakte.

Elektrische Kontakte sind teilweise geschmiert. Die Schmierstoffe sind typischerweise PFPE-basiert. Mittelfristig kann die Verfügbarkeit dieser Schmierstoffe für Steckkontakte eingeschränkt sein. Die vorgestellte Methode bietet die Möglichkeit, alternative Schmierstoffe oder Beschichtungen systemnah und quantitativ zu charakterisieren und so auf den Wegfall der fluorierten Chemikalien zu reagieren.

 

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Das kratzt mich nicht!

29.02.2024

© Fraunhofer IWM
Abb.: Beispiel eines Scratch Tests. Oben gezeigt ist die Lichtmikroskopaufnahme des Scratches, darunter die gemessene Eindringtiefe (blau) und die Querkraft (magenta).

Alexander Fromm

Funktionale und tribologische Beschichtungen müssen i.d.R. eine Vielzahl von Anforderungen erfüllen, wie z.B. Überrollfestigkeit, Korrosionsstabilität, Temperaturwechsellastbeständigkeit, etc. Grundvoraussetzung dafür ist immer eine gute Anbindung der Schicht zum Substrat, i.e. eine gute Schichthaftung. Diese jedoch in einem industrietauglichen Verfahren zu charakterisieren und zu bewerten ist nicht immer trivial. Gängige Prüfungen wie Kugeleindruck, Kreuzschnittverfahren oder Scotch-Tape-Test haben alle ihre Daseinsberechtigung, aber gerade bei dünnen Schichten auch ihre Schwächen.

Der neue Nano Scratch Tester, wie er am MikroTribologie Centrum µTC seit wenigen Monaten zur Verfügung steht, eignet sich auf Grund seiner feinen Kraft- und Tiefenauflösung hervorragend, um eine Schichtentwicklung zu begleiten und die Wirkung verschiedener Vorbehandlungsmethoden auf Schichthaftung und spätere Schichtperformance vergleichend bewerten zu können. Dazu wird mit einer Diamantspitze mit einem typischen Radius von 5 µm linear über die zu prüfende Schichtoberfläche geritzt und dabei die Last ebenfalls linear bis zu einer Maximalkraft von bis zu 1000 mN erhöht. Für sehr dünne Schichten steht nun auch ein High-Sensitivity-Mode von 1 mN – 10 mN zur Verfügung. Dabei können mit nm-Auflösung die Eindringtiefe, die verbleibende Eindringtiefe, die Querkraft (~Reibwert) und mit dem Ritzbild synchronisierte, lichtmikroskopische Analysen herangezogen werden, um jeweils schichtspezifische, kritische Kräfte zu definieren. 

Dazu werden Schichtschädigungen wie Einbrüche und Delaminationen, beginnende Rissbildung aber auch abrupte Anstiege im Querkraftsignal herangezogen. Damit kann der Einfluss von Reinigungsverfahren auf die Schichthaftung ebenso untersucht werden, wie eine Alterung der Schicht, z.B. nach einer Auslagerung, und die damit verbundenen Änderungen der Schicht. Zusätzliche elektronenmikroskopische Analysen und begleitende FE-Simulationen erlauben weitergehende Interpretationen zum Versagensmechanismus wie Kohäsivversagen vs. Adhäsivversagen o.ä. Dabei bringt das MikroTribologie Centrum µTC seine gesamte Erfahrung zu Beschichtungsverfahren, Materialverhalten und Bruchmechanik mit ein.

Bei besonders dicken Schichten oder Schichten mit bereits sehr guter Haftung und Beständigkeit kann am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM darüber hinaus zur Steigerung der Selektivität ein Scanning Scratch Test durchgeführt werden, bei dem der Ritznadel eine zusätzliche, laterale Schwingung überlagert wird. Dies verlängert den Ritzweg und steigert die Auflösung der Methode.

Der Scratch Test wird am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM nicht nur begleitend für eigene Schichtentwicklungen angewendet, die Gruppe »Tribologische und funktionale Schichtsysteme« bietet dies bereits seit vielen Jahren auch für Industriekunden als Dienstleistung an. Für z.B. Qualitätssicherungsmaßnahmen ist die Methode hervorragend geeignet. Sie ist bereits für mehrere Anwendungen in der Praxis erprobt und wird bei Kooperationspartnern für Ausgangskontrollen ihrer Produkte eingesetzt. 

 

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Ein tiefer Blick ins Plasma

22.02.2024

Alexander Fromm

Für die Elektronik, Sensorik und Medizintechnik sowie für spezielle Anwendungen in der Tribologie und für den Korrosionsschutz werden dünne, isolierende Beschichtungen benötigt. Diese werden i.d.R. über plasmabasierte PVD-Prozesse wie Magnetronsputtern aufgebracht. Dabei wird meist ein metallisches Target in einer Reaktivgasatmosphäre atomar zerstäubt. Die Prozesse beinhalten dabei in der Regel eine HF- oder MF-Anregung des Plasmas (Hochfrequenz bzw. Mittelfrequenz). Mit HF-Sputtern werden allerdings oftmals unterstöchiometrische Schichten mit einer prozessbedingten, aber unerwünschten Restporosität abgeschieden.

Vor etwa 25 Jahren wurde erstmals HiPIMS (engl. high power impulse magnetron sputtering) beschrieben. HiPIMS-Sputtern stellt eine Weiterentwicklung der gepulsten Gleichspannung (MF) dar, mit dem Ziel, durch hohe Leistungspulse Plasmen mit einer sehr hohen Dichte und hohem Ionisationsgrad zu erzeugen. Durch den hohen Ionisierungsgrad bietet HiPIMS-Sputtern so die Möglichkeit, die kinetische Energie der gesputterten Teilchen mit Hilfe elektrischer Felder zu manipulieren. Zusammen mit den bereits höheren mittleren kinetischen Energien der gesputterten Teilchen ergeben sich signifikante Vorteile gegenüber konventionellen Sputterverfahren, wie etwa die Erzeugung von Schichten mit hoher Adhäsion und Dichte. Im Vergleich zur konventionellen Abscheidung mit HF sind zudem häufig niedrigere Abscheidetemperaturen zum Erreichen ausgewählter Schichtmikrostrukturen und Kristallmodifikationen realisierbar. Bestimmte gehärtete Stähle können so z.B. erstmals beschichtet werden. Allerdings sind die Abscheideraten niedriger als bei einem HF- oder DC-Prozess gleicher mittlerer Leistung und auch die Prozessstabilisierung ist durch die hohen Peakströme und kurzen Pulsdauern nicht trivial – es kommt oftmals zu elektrischen Überschlägen (Arcing) zwischen isolierenden Bereichen auf dem Target oder sogar zwischen Target und Substrat. Dies führt zu einer sogenannten Dropletbildung, ähnlich wie bei Arc-Verfahren für die Erzeugung teilamorpher Kohlenstoffschichten (ta-C). Die erreichbare Schichtqualität wird so erheblich gemindert. Daher wird in der Literatur diskutiert, HiPIMS im hybriden Prozess mit anderen Abscheidemethoden zu kombinieren, um eine Erhöhung der Abscheiderate und Stabilisierung des Prozesses zu gewährleisten. Dabei wurde beispielsweise schon HiPIMS mit einer Mittelfrequenzanregung (MF) kombiniert.

Durch die gemeinsame Entwicklung mit der MELEC GmbH im Rahmen des ZIM-Projektes »HErO – Hybrides HiPIMS/HF-Sputterverfahren zur wirtschaftlichen Erzeugung kompakter Oxidschichten« ist es nun erstmals gelungen, einen hybriden Prozess mit gleichzeitiger HF- und HiPIMS-Anregung zu realisieren. Dabei ist es möglich, die HF-Anregung sowohl kontinuierlich zu betreiben, als auch mit der HiPIMS-Anregung zu synchronisieren, so dass z.B. die HF nur während den Off-Zeiten der HiPIMS-Anregung wirksam ist. 

Im Videoclip wird eindrücklich gezeigt, wie der hybride Betrieb die Plasmabedingungen stabilisiert und störendes Arcing unterdrückt.

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