Sandfisch

26.4.2019

© Fraunhofer IWM

Dr. Christian Greiner, Dr. Johannes Schneider

in zwei kürzlich veröffentlichten Artikeln beschreiben die beiden µTC-Wissenschaftler zusammen weiteren KIT-Kollegen zum einen wie die Haut von in der Sahara lebenden Echsen in verschiedene Richtungen eine Variation des Reibungskoeffizienten aufweisen. Zum anderen wurden mittels Laserstrahlung biologisch inspirierte Oberflächentexturen tribologisch getestet.

Eidechsen der Gattung Scincus sind unter dem Namen Sandfisch weithin bekannt, da sie im lockeren, äolischen Sand schwimmen können. Einige ältere Studien berichteten, dass diese faszinierende Eigenschaft von Sandfischen mit besonderen tribologischen Eigenschaften ihrer Haut einhergehen. Zu diesen zählen extrem geringe Haftung, Reibung und Verschleiß. Die meisten dieser früheren Berichte basierten jedoch auf Experimenten, die mit einem recht groben Sand-Tribometer durchgeführt wurden. In der neuen Arbeit hingegen wurden die mikroskopische Anhaftung, Reibung und Abnutzung einzelner Sandfisch-Schuppen mittels nanoskaliger Rasterkraftmikroskopie charakterisiert. Die Analyse der Reibungseigenschaften mit verschiedenen Sonden (scharfe Siliziumspitzen, sphärische Glasspitzen und Sandkörner) zeigte, dass die tribologischen Eigenschaften von Sandfischschuppen im Nano- und Mikromaßstab im Vergleich zu Schlangenschuppen oder technischen Oberflächen wie Aluminium, Teflon oder Aluminium weniger außergewöhnlich sind als erwartet. Neueste, noch unpublizierte, Ergebnisse deuten auf einen interessanten Effekt hinsichtlich der richtungsabhängigen Eigenschaften hin.

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In jüngerer Vergangenheit sind Tribologen auf die Anwendung von biologisch inspirierten Oberflächentexturen, wie zum Beispiel bei Eidechsen und Schlangen, aufmerksam geworden. In der zweiten Arbeit der KIT-Wissenschaftler präsentierten sie Ergebnisse für die geschmierten und trockenen tribologischen Eigenschaften biologisch-inspirierter, schuppenartiger Strukturen, die mit Laserlicht auf die Oberfläche eines  Wälzlagerstahls aufgebracht werden. Diese wurden in unidirektionalen Versuchen gegen metallische (100Cr6), polymere (PEEK) und keramische (Al2O3) Gegenkörper gepaart. Außerdem wurde ein möglicher Größeneffekt untersucht, indem der Schuppendurchmesser zwischen 13 und 150 µm variiert wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass eine biologisch-inspirierte Oberflächenmorphologie die Reibungskräfte um mehr als 80% reduzieren kann. 

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Unter bestimmten Bedingungen können diese Oberflächenmorphologien jedoch die Reibung erhöhen; insbesondere bei sich langsam bewegenden geschmierten Kontakten aus Stahl auf Stahl und Stahl auf Keramik. Ähnlich wie bei klassischen Oberflächentexturen müssen diese biologisch inspirierten Morphologien für jedes tribologische System sorgfältig optimiert werden. Es gibt keine Standardlösung für alle Gleitbedingungen. Es wird erwartet, dass künftige Forschung auf dem Gebiet der biologisch inspirierten Oberflächenmorphologie an tribologischen Kontakten neue und faszinierende Ergebnisse ermöglichen werden.

Publikationen im Beilstein Journal of Nanotechnology: https://doi:10.3762/bjnano.9.243 und https://doi: 10.3762/bjnano.9.238

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