Hochfrequenz-Kontaktmechanik an Kugel-Platte Kontakten: Grundlagen und Anwendungen in der akustischen Sensorik

• Antragsteller: Professor Dr. Diethelm Johannsmann
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und Theoretische Polymerphysik ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 282126828

Das Projekt befasst sich mit den Eigenschaften von Kugel-Platte-Kontakten bei hochfrequenter tangentialer Belastung. Es sollen unter anderem die Kontaktsteifigkeit und die pro Zyklus dissipierte Energie als Funktion der Anregungsamplitude untersucht werden. Instrumentell baut das Vorhaben auf der Verschiebung von Resonanz-Frequenz und Bandbreite von Quarz-Resonatoren auf, deren Oberfläche mit den betreffenden Kugeln in Kontakt gebracht wird. Weiterhin soll Nichtlinearitäten anhand es Auftretens von Obertönen (insbesondere von Third-Harmonic-Generation) quantifiziert werden. Eine zeitliche Entwicklung der Kontakteigenschaften nach einem Sprung in der Anregungsamplitude soll mit einem schnellen Messmodus zugänglich werden, der eine Zeitauflösung von etwa einer Millisekunde hat. Die Messungen sollen sowohl an Luft, als auch in Flüssigkeiten erfolgen. Es sollen auch Oberflächen untersucht werden, die mit weichen funktionalen Schichten (z.B. Polymerbürsten oder supported lipid bilayers) beschichtet sind. Randaspekte sind die Kontrolle des elektrischen Potentials der Sensor-Oberfläche sowie die Messung von Normalkräften. Eine zentrale inhaltliche Frage ist, ob der Übergang von einem haftenden zu einem gleitenden Kontakt (welcher auch bei MHz-Frequenzen beobachtet wird) als eine Instabilität auf der Zeitskala unterhalb der Oszillations-Periode anzusehen ist, oder ob es sich eher um einen graduellen Übergang von einem primär elastischen zu einem primär dissipativen Zustand handelt, wobei beide Grenzzustände im Wesentlichen lineare Kraft-Verschiebungsrelationen aufweisen würden. Im letzteren Fall würde der Kontakt im Laufe einer fortdauernden oszillatorischen Belastung seine Struktur und Geometrie in der Weise ändern, dass die Tangentialkräfte bei hohen Amplituden vor allem proportional zu Scherrate werden. Diese zeitliche Entwicklung, welche auf einer Zeitskala größer als die Oszillationsperiode abläuft, soll mit dem schnellen Messmodus kinetisch aufgelöst werden. Gegebenenfalls sollen die Mechanismen, die diesen Übergang treiben, identifiziert werden. Weiterhin soll untersucht werden, unter welchen Bedingungen eine langsame Entwicklung der Kontakteigenschaften nach einem Amplitudensprung in Richtung verringerter Dissipation ("shake-down") verläuft. Weiterhin stellt sich die Frage, unter welchen Umständen hohe Amplituden zu einer Versteifung des Kontakts ("junction growth") führen. Anwendungen dieser Arbeiten liegen im Bereich der akustischen Sensorik an weichen Proben. Solche Proben sollen in Kugel-Platte Kontakte inkorporiert werden; nachfolgend sollen die linearen und nichtlinearen mechanischen Eigenschaften dieser Kontakte vermessen werden. Auf diesem Wege soll ein vertieftes Verständnis der Schichten gewonnen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen