17. FEBRUAR 2019

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Mechanismus der Supraschmierung aufgeklärt


Das Phänomen der Supraschmierung ist bekannt, es war jedoch auf atomarer Ebene bislang nicht zu erklären. Forscher der Fraunhofer-Institute IWM und IWS entschlüsselten einen Mechanismus der Supraschmierung bei diamantähnlichen Kohlenstoffschichten.
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Eine der wichtigsten Voraussetzungen für nachhaltige und umweltfreundliche Mobilität ist, Reibung zu minimieren. Diesem Vorhaben widmen sich Forschung seit Jahren. Supraschmierung könnte nicht nur kleine, sondern extreme Reibungsreduzierungen erzielen. Würden beispielsweise die Reibung in den Motoren und Getrieben von Fahrzeugen auf minimale Werte vermindert, wie sie bei der Supraschmierung auftreten, sänke der jährliche CO2-Ausstoß um viele Hundert Millionen Tonnen.

Dieser Zukunftsvision sind zwei Fraunhofer-Institute einen wichtigen Schritt näher gekommen. In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) finanzierten Projekt Pegasus II haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg und des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden den atomaren Mechanismus aufgedeckt, der einer Supraschmierung in einem speziellen Reibpartnersystem zugrunde liegt.

Sie untersuchten tribologische Systeme, bei denen die Oberflächen der Reibpartner aus speziellen diamantartigen Kohlenstoffschichten bestehen, die mit einer am Fraunhofer IWS entwickelten Beschichtungstechnik hergestellt werden. Diese tetraedrischen amorphen Kohlenstoffschichten (ta-C) wurden mit organischen Schmierstoffen kombiniert. Das Forschungsteam fand heraus, dass sich der Schmierstoff tribochemisch zerlegt und sich dadurch Graphen-artige Oberflächen bilden: die Voraussetzung für eine Supraschmierung.

Atomare Voraussetzungen der Supraschmierung
Dr. Volker Weihnacht, Abteilungsleiter Kohlenstoffschichten, und Stefan Makowski, Gruppenleiter Schichteigenschaften, untersuchten systematisch die Wechselwirkung von Schmierstoffen mit ta-C-Kohlenstoffoberflächen. Mit ungesättigten Fettsäuren oder Glycerol stellten sich extrem niedrige Reibwerte auf dem Niveau der Supraschmierung ein. Erstaunt waren sie, dass mit kleinsten Änderungen in der Molekülstruktur dieser Effekt nicht eintrat und die Reibung viel höher war. So erzielten gesättigte Fettsäuren und Alkane keinen Supraschmiereffekt.

Den Grund dafür klärten Prof. Michael Moseler und Dr. Gianpietro Moras am Fraunhofer IWM auf. »Mit quantenchemischen Simulationen konnten wir nachweisen, dass Schmierstoffmoleküle, die mindestens zwei Reaktivzentren haben und damit gleichzeitig mit beiden ta-C-beschichteten Oberflächen eine chemische Bindung eingehen können, durch die Gleitbewegung auseinandergerissen und in ihre Bestandteile zerlegt werden«, erläutert Prof. Moseler, Leiter der Gruppe »Multiskalenmodellierung und Tribosimulation«.


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Datum:
24.01.2019
Unternehmen:
Bilder:
Fraunhofer IWM

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