Atomare Mechanismen der Kontaktalterung

• Antragsteller: Dr. Dirk Dietzel
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 403024866

In der Tribologie beschreibt der Ausdruck Kontaktalterung den fundamentalen Effekt von Reibungsänderungen, die aufgrund eines zeitlich ausgedehnten Kontaktes zwischen Oberflächen entstehen. Typischerweise beobachtet man einen Anstieg der Haftreibung mit zunehmender Kontaktzeit, gleichzeitig hängt aber auch die Reibung bewegter Systeme von der dynamischen Kontaktdauer und daher von der Gleitgeschwindigkeit ab. Beide Effekte spielen für technische und ökologische Systeme eine wichtige Rolle. So können z.B. Haftreibungsspitzen nach längerer Kontaktzeit zu hohem Verschleiß führen, während Kontaktalterung gleichzeitig wichtig ist, um die wechselnden dynamischen und statischen Phasen seismischer Aktivität zu beschreiben.Man versucht daher schon seit geraumer Zeit, Kontaktalterung in tribologische Modelle zu integrieren. Die Alterung wird dabei oft als zeitliche Zunahme der effektiven Kontaktfläche interpretiert, die sich aus den Berührungspunkten der sog. Asperitäten ergibt. Allerdings kann auch die Kontaktstärke der einzelnen Berührungspunkte zeitlich variabel sein. Hier spielen besonders Prozesse auf atomarer Skala eine wichtige Rolle, wie z.B. das Ausbilden chemischer Bindungen oder strukturelle Relaxation. Diese Abläufe sind bislang nur unzureichend verstanden, was dazu beiträgt, dass Kontaktalterung oft phänomenologisch beschrieben werden muss. Ziel dieses Projektes ist es nun, die Grundlagen der Kontaktalterung auf atomarer Skala experimentell zu erforschen. Aus theoretischen Überlegungen lässt sich vorhersagen, dass Schlüsselparameter wie z.B. Druck, Scherspannung oder Temperatur einen wesentlichen Einfluss auf die atomaren Prozesse haben können. Die gezielte Untersuchung dieser Parameter zusammen mit einer systematischen Variation der Materialien in Kontakt, erlaubt es, die verschiedenen Mechanismen atomarer Kontaktalterung zu identifizieren und ihre Relevanz für technologisch wichtige Materialkombinationen einzuschätzen. Aus Sicht der Grundlagenforschung besonders interessant sind speziell die Fragen, in wieweit die verschiedenen Grenzflächenvorgänge mit den grundlegenden Konzepten der thermischen Aktivierung vereinbar sind und welchen konkreten Einfluss mechanische Spannungen auf atomare Prozesse haben. Die experimentellen Methoden in diesem Projekt basieren dabei auf der sog. Rastersondenmikroskopie, wobei im Vorfeld dieses Projektes ein neuartiges Verfahren entwickelt wurde, mit dem erstmals nanoskalige Kontaktalterung unabhängig von den komplexen Vorgängen beim Aufbrechen der Kontakte untersucht werden kann.In einem zweiten Projektteil wird zudem untersucht, wie sich Kontaktalterung auf Nanometerskalen aktiv steuern lässt. Basierend auf den Ergebnissen des ersten Projektteils werden dabei verschiedene Formen mechanischer Anregung implementiert, um Alterungsprozesse zu reduzieren bzw. zu verstärken. Beide Aspekte können für Nano- bzw. Mikro-Elektromechanische Systeme relevant sein und stellen ein ungelöstes technologisches Problem dar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen