Ausgabe zur BLECHEXPO 2017

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Ausg.Nr._20/2017 17 Schneidwerkzeuge
»Um in diesem Punkt weiterzu-
kommen, wollten wir präziser
verstehen, wie genau die Rei-
bung von der Wassermenge ab-
hängt«, sagt Prof. Dr. Moseler,
Leiter der Gruppe Multiskalen-
modellierung und Tribosimulati-
on am Fraunhofer IWM. Deshalb
führte er gemeinsam mit seinen
Kollegen Dr. Takuya Kuwahara
und Dr. Gianpietro Moras groß-
skalige Quantenmolekulardyna-
mikrechnungen mit wasserge-
schmierten Diamantoberflächen
durch. Um die Reibungsmecha-
nismen exakt nachvollziehen zu
können, wurden unterschiedli-
che Mengen von Wassermolekü-
len zugegeben.
Simulation
zeigt vier unterschiedliche
Reibungsmechanismen
Die Simulation führte zu über-
raschenden Ergebnissen. Der
erste Durchgang mit sehr we-
nigen Wassermolekülen be-
stätigte die bereits bekannten
Bindungen zwischen den Reib-
partnern, auch Kaltverschwei-
ßung genannt, die zu starker
Reibung führt. Dabei kommt
es auch zur Amorphisierung
von Kohlenstoff, also der Auflö-
sung der kristallinen Struktur
an der Oberfläche. Eine weitere
Simulation mit etwas mehr Was-
ser zeigte bereits einen neuen
Fall. Hier verbanden sich die
Oberflächen der Reibpartner
über Äthergruppen. Diese Form
der Kaltverschweißung führt
ebenfalls zu hoher Reibung,
es tritt aber keine Amorphi-
sierung auf. Simulationen mit
ausreichend Wasser bestätig-
te die ebenfalls bekannte Ab-
sättigung der Oberflächen mit
Wasserstoff und Hydroxylgrup-
pen. Die Forscher konnten in
ihrer Simulation aber noch ei-
nen weiteren bislang vollkom-
men unbekannten Reibungsfall
ausmachen. »Bei der Zugabe
von wenigen Wassermolekülen
kam es bei einem der Reibpart-
ner zu einer Aromatisierung der
Oberflächenstruktur in Form der
Pandey-Rekonstruktion«, erklärt
Gianpietro Moras, »das heißt
durch eine ringförmige Anord-
nung der Kohlenstoffatome
passiviert sich die Diamantober-
fläche selbst.« Der andere Reib-
partner sättigt in diesem Fall
seine Oberfläche mit Wasserstoff
und Hydroxylgruppen. Folge ist
ebenfalls ein sehr kleiner Rei-
bungskoeffizient.
Die Ergebnisse sind auf
andere Materialien übertragbar
Die Pandey-Rekonstruktion kann
als Schritt hin zu einer vollstän-
digen Rekonstruktion der Ober-
flächen betrachtet werden. »In
der Simulation konnten wir in
weitergehenden Schritten se-
hen, dass sich in der Ringstruk-
tur Graphenkuppeln bilden, die
die Reibung weiter reduzieren«,
so Moseler. In weiteren Schrit-
ten soll untersucht werden, wie
die Aromatisierung gezielt for-
ciert werden kann, beispiels-
weise durch eine Dotierung der
Diamantoberfläche. »Wichtig ist
zudem, dass sich ein Großteil
unserer Ergebnisse auch auf an-
dere wasserspaltende Materi-
alien übertragen lassen, wobei
aromatische Passivierung eine
Spezialität des Kohlenstoffs
ist.«, ergänzt Moras. Daher ge-
hen die Forscher davon aus, dass
auch bei amorphen Kohlenstoff-
oberflächen eine aromatische
Umstrukturierung möglich ist.
Text & Bild:
Fraunhofer-Institut für
Werkstoffmechanik IWMW
Wöhlerstraße 11
D-79108 Freiburg