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Korr: Diamantreibung: Simulation zeigt auf molekularer Ebene bislang unbekannte Reibungsmechanismen

Auf Schneidwerkzeugen, Lagern und Dichtungen helfen Diamantbeschichtungen, Reibung und Verschleiß zu reduzieren. Wasser vermindert die Reibung dabei erheblich. Die Gründe dafür sind bislang nicht vollständig verstanden. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM und das Institut für Physik der Universität in Freiburg liefern mit einer Simulation neue Erklärungen für das Reibungsverhalten von Diamantoberflächen unter Wasserzugabe: Nicht nur die bekannte Passivierung der Oberflächen mittels Wasserspaltung spielt eine Rolle, es tritt auch eine aromatische Passivierung mittels Pandey-Rekonstruktion auf. Die Ergebnisse wurden im Magazin Physical Review Letters publiziert.

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Diamantbeschichtungen sind heute gängig, um hochbelastete Werkzeuge und Maschinenbauteile vor Verschleiß zu schützen und so die Lebensdauer zu verlängern. Bekannt ist: Reiben zwei Diamantflächen trocken aneinander, so entsteht sehr starke Reibung, weil die reaktiven Kohlenstoffatome an der Oberfläche Bindungen mit den entsprechenden Atomen des Reibpartners eingehen. Kommen Wasser oder Luftfeuchtigkeit dazu, werden die Wassermoleküle aufgespalten und Wasserstoff und Hydroxyl-Gruppen gehen Bindungen mit dem reaktiven Kohlenstoff ein. Die Oberfläche ist gesättigt und der Reibungskoeffizient sinkt stark ab. Allerdings können bei fortgesetzter Reibung erneut reaktive Kohlenstoffatome auftreten, die wieder Bindungen mit dem Reibpartner eingehen. Deshalb ist es wichtig, eine schnelle Wiederabsättigung zu erreichen. »Um in diesem Punkt weiterzukommen, wollten wir präziser verstehen, wie genau die Reibung von der Wassermenge abhängt«, sagt Prof. Dr. Moseler, Leiter der Gruppe Multiskalenmodellierung und Tribosimulation am Fraunhofer IWM. Deshalb führte er gemeinsam mit seinen Kollegen Dr. Takuya Kuwahara und Dr. Gianpietro Moras großskalige Quantenmolekulardynamikrechnungen mit wassergeschmierten Diamantoberflächen durch. Um die Reibungsmechanismen exakt nachvollziehen zu können, wurden unterschiedliche Mengen von Wassermolekülen zugegeben.

Simulation zeigt vier unterschiedliche Reibungsmechanismen

Die Simulation führte zu überraschenden Ergebnissen. Der erste Durchgang mit sehr wenigen Wassermolekülen bestätigte die bereits bekannten Bindungen zwischen den Reibpartnern, auch Kaltverschweißung genannt, die zu starker Reibung führt. Dabei kommt es auch zur Amorphisierung von Kohlenstoff, also der Auflösung der kristallinen Struktur an der Oberfläche. Eine weitere Simulation mit etwas mehr Wasser zeigte bereits einen neuen Fall. Hier verbanden sich die Oberflächen der Reibpartner über Äthergruppen.

Bildtitel: Passivierung von wassergeschmierten Diamantoberflächen durch aromatische Pandey-Rekonstruktion (orange)

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Redaktion: Dipl.-Ing. Fahima Fischer
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