Ab-initio-Modellierung der mechano-chemischen Reaktion atmosphärischer Gase mit tribologisch belasteten Kohlenstoffverschleißschutzschichten
Beschichtungs- und Oberflächentechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Kohlenstoff-Hartschichten finden zunehmend Verwendung in technologischen Anwendungen zur Reduktion von Reibung und Verschleiß. Die mikroskopischen Mechanismen, die den hervorragenden Reib- und Verschleißverhalten dieser Materialsysteme zugrunde liegen sind jedoch nur unzureichend erforscht. Im Rahmen des vorliegenden Projekts wurden erste Schritte in Richtung eines mikroskopischen Verständnisses der Reibvorgänge an Kohlenstoff-Hartschichten in Kontakt mit atmosphärischen Gasen und im Kontakt mit Wasser unternommen. Die Wechselwirkung atmosphärischer Gase mit amorphem Kohlenstoff (a-C) wurde zum einen ohne weitere mechanische Belastung im thermodynamischen Gleichgewicht studiert. a-C bildet sich als Zwischenphase bei der tribologischen Belastung von Kohlenstoff-Hartschichten aus. In einer systematisch angelegten Ab-initio-Thermodynamik-Studie wurden Gleichgewichts-Konzentrationen dissoziierter und chemisorbierter Gasmoleküle berechnet. Mittels einer Analyse verschiedener Szenarien für das Umgebungs-Gasgemisch, konnten diverse Einflussfaktoren der Gleichgewichts- Konzentrationen bestimmt werden. Einige dieser Effekte, können auch auf tribologisch belastete Systeme verallgemeinert werden. Ein entsprechender Fachartikel befindet sich in Vorbereitung. Die benötigte Rechenzeit wurde vom John von Neumann-Institut für Computing (NIC) gewährt. Der Gesamt-Antrag für die Rechenzeit in der letzten Phase mit dem Titel „Ab-initio-Untersuchung von Grenzflächen: Eigenschaften und Reaktionen“ wurde 2017 als John von Neumann Exzellenzprojekt ausgewählt. Komplementär zu den Gleichgewichts-Betrachtungen wurden in Kollaborationen mit dem Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, MikroTribologie Centrum µTC verschiedene Reibregime für wassergeschmierte Diamantoberflächen untersucht. Hierzu wurden großskalige Quantenmolekulardynamikrechnungen durchgeführt. Die Simulationen führten zu überraschenden Ergebnissen: Es konnten bislang unbekannte Reibregime aufgedeckt werden. Zum einen die Kaltverschweißung mittels Ethergruppen einhergehend mit einem hohen Reibungskoeffizienten. Zum anderen kam es bei der Zugabe von wenigen Wassermolekülen bei einem der Reibbpartner zu einer Aromatisierung der Oberflächenstruktur durch Selbstpassivierung mittels ringförmiger Anordnung der Kohlenstoffatome (Pandey-Rekonstruktion). Der andere Reibpartner wurde mit Wasserstoff und Hydroxygruppen abgesättigt, was zusammen zu einem sehr kleinen Reibungskoeffizienten führte. In einer weiteren Zusammenarbeit mit dem Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Angewandte Materialien und dem Fraunhofer IWM, µTC wurde in einem allgemeinen Kontext der Frage nachgegangen, wie sich spektroskopische Signaturen der tribologisch erzeugten Phasen durch Simulation vorhersagen lassen. Eine der bevorzugten Untersuchungsmethoden in Kohlenstoffsystemen ist die Oberflächen-sensitive Photoelektronenspektroskopie von Kernelektronen (XPS). Es wurde aufgezeigt, wie sich absolute Bindungsenergien von Kernelektronen in Molekülen und Festkörpern mittels einer semiempirischen Methode vorhersagen lassen, wobei die einzige empirische Zutat ein Elementspezifischer Versatz ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Offset-corrected Δ-Kohn-Sham scheme for semiempirical prediction of absolute x-ray photoelectron energies in molecules and solids“, Physical Review B 94, 041112 (2016)
M. Walter, M. Moseler und L. Pastewka
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„Friction Regimes of Water-Lubricated Diamond (111): Role of Interfacial Ether Groups and Tribo-Induced Aromatic Surface Reconstructions“, Physical Review Letters 119, 096101 (2017)
T. Kuwahara, G. Moras und M. Moseler
