Atomic Wear
Final Report Abstract
Der Verschleiß mechanischer Komponenten wie Lager oder Getriebe begrenzt die Lebensdauer von Geräten und Maschinen und führt so zu Kosten, Rohstoffverbrauch und Ausfallzeiten. Die Vermeidung von Abrieb und Verschleiß in verschiedensten Bereichen ist von enormem wirtschaftlichem und ökologischem Interesse. In der klassischen Theorie zum Oberflächenverschleiß unterscheidet man zwischen adhäsivem und abrasivem Verschleiß. Ein allgemeines mikroskopisches Verständnis der zugrunde liegenden atomaren Abriebprozesse existiert bisher nicht. Ein sinnvoller Ansatz zur Untersuchung von solchen Prozessen ist es, Abriebphänomene an einzelnen Asperitäten zu untersuchen. Speziell die Rasterkraftmikroskopie hat sich hier als Messmethode bewährt, da ihre Geometrie dem idealisierten Einzelkontakt besonders nahekommt. Experimentelle Resultate der Reibungskraftmikroskopie haben in den letzten Jahren die Entwicklung von neuen Verschleißmodellen motiviert. Beim atomaren Abrieb weist der Verschleiß von Nanokontakten extrem niedrige Werte von nur einem Atom pro Millimeter Reibdistanz auf. Konsequenterweise wird in den aktuellen Ansätzen der Abriebprozess als das Herauslösen einzelner Atome aus der Oberfläche beschrieben, wobei das Überwinden der entsprechenden Energiebarriere mit der Ratentheorie modelliert wird. Trotz der ersten erfolgreichen Anwendungen der Ratentheorie ist dieses Modell nur eines von mehreren möglichen Ansätzen. Das Schlüsselexperiment zur Verifizierung des Ratenmodells für atomaren Abrieb ist die systematische Messung des Abriebs von Nanokontakten als Funktion der Temperatur. Solche Experimente wurden in diesem Projekt an zwei Materialklassen durchgeführt, unter sehr definierten Bedingungen im Ultrahochvakuum: Auf Ionenkristallen stellte sich heraus, dass nanoskaliger Abrieb in zwei charakteristische Regimes fällt, die durch eine Grenztemperatur getrennt sind. Unterhalb dieser Grenztemperatur kann das Ratenmodell die Experimente hinreichend gut beschreiben. Oberhalb der Grenztemperatur jedoch treten wellenförmige Abriebstrukturen auf, die eine zusätzliche Komplexität des Verschleißprozesses andeuten. Der atomare Abrieb bei Materialkombinationen von Silizium- und Diamantverbindung zeigt auch ein duales Verhalten: Bei tiefen Temperaturen ist der Abrieb hoch aber unabhängig von Temperaturvariationen von 35 K bis ca. 150 K. Oberhalb dieser Übergangstemperatur verschwindet der Abrieb fast vollkommen bis hin zu 350 K. Diese Ergebnisse sind mit der herkömmlichen Ratentheorie nicht zu erklären. Neue Modellvorstellungen müssen entwickelt werden um den atomaren Abrieb auf diesen Materialien zu verstehen.
Publications
- Temperature activates contact ageing in silica nanocontacts. Physical Review X 9 (2019) 041045
M. Vorholzer, J. G. Vilhena, R. Perez, E. Gnecco, D. Dietzel, and A. Schirmeisen
(See online at https://doi.org/10.1103/physrevx.9.041045)
