Multiskalen Molekulardynamik-Simulationen von Zeit-abhängiger Kontaktmechanik

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Müser
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 192177457

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Adhäsion ist ein alltägliches Phänomen, welches meist auf den sogenannten Van-der-Waals-Kräften beruht. Obgleich diese Kräfte als klein gelten, waren sie prinzipiell in der Lage, Zugspannungen von etwa 400 MPa aufzubauen, also das Gewicht eines 1,6 t schweren Autos auf einen 4 mm^2 großen Querschnitt zu verteilen. Für die meisten makroskopischen Objekte sind die Effekte der Adhäsion jedoch unmessbar klein. Dafur gibt es zwei wichtige Gründe: Zum einen brechen die Van-der-Waals Bindungen in der Regel nicht alle simultan sondern durch Rissausbreitung, wie man erfahren kann, nachdem man in einen frisch ausgespuckten Kaugummi getreten ist. Zum anderen reduziert die mikroskopische Oberflächenrauigkeit die potentielle Energie, die beider Kontaktbildung gewonnen wird. Gegenstand unserer Forschung war vor allem die Frage, inwieweit die Oberflächenrauigkeit die Adhäsion auf mikroskopischer Skala reduziert. Diesbezüglich wurden in der jüngeren Literatur verschiedene Kriterien kontrovers diskutiert. Dabei standen sich makroskopische und mikroskopische Argumente entgegen. Ein Lager sah den Grund fur die Abwesenheit von beobachtbarer Adhäsion in einer globalen Energiebilanz, wahrend das andere Lager die Relevanz der Dynamik einzelner Kontaktstellen betonten. Vor diesem Hintergrund sei betont, dass Adhäsionskräfte im taglichen Leben in der Regel unmessbar klein sind, also wesentlich kleiner als das Produkt aus 400 MPa und echten Kontaktflächen, die je nach System Werte zwischen 0.01% und höheren Prozentzahlen der scheinbaren Kontakfläche betragen. Unsere Rechnungen ergaben keine gute Korrelation zwischen der Adhäsionskraft mit der mikroskopischen Kontaktfläche oder der Gesamtlänge der Kontaktlinien, stattdessen aber einen erstaunlich einfachen Zusammenhang: Ist die Oberflächenenergie großer als circa die Hälfte der elastischen Energie zur Bildung eines (nahezu) perfekten Kontakts, ergibt sich eine verhältnismäßig große maximale Zugspannung des Kontakts, die zumindest 0.1% des theoretischen Maximums aber meist großer ist, also im oben angegebenen Beispiel mindestens 1,6 kg je 4 mm^2 Querschnittsfläche. Dieses Ergebnis ergab sich für verschiedene Formen der Oberflächenrauigkeit und später auch für dünne Elastomere, also für Folien.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Contact-Patch-Size Distribution and Limits of Self-Affinity in Contacts between Randomly Rough Surfaces. Lubricants, 6(4), 85.
  Müser, Martin H. & Wang, Anle
  
• On the usefulness of the height-difference-autocorrelation function for contact mechanics. Tribology International, 123(2018, 7), 224-233.
  Wang, Anle & Müser, Martin H.
  
• Modeling Adhesive Hysteresis. Lubricants, 9(2), 17.
  Wang, Anle; Zhou, Yunong & Müser, Martin H.
  
• On the viscous dissipation caused by randomly rough indenters in smooth sliding motion, Appl. Surf. Sci. 6, art.-no. 100182
  Sukhomlinov, Sergey & Müser, Martin H.
  
• Is there more than one stickiness criterion?. Friction, 11(6), 1027-1039.
  Wang, Anle & Müser, Martin H.
  
• Mechanochemical Ionization: Differentiating Pressure-, Shear-, and Temperature-Induced Reactions in a Model Phosphate. Tribology Letters, 70(4).
  Sukhomlinov, Sergey V.; Kickelbick, Guido & Müser, Martin H.