Um die Zusammenhänge zwischen strukturellen und chemischen Eigenschaften von Passivierungen und Reibung zu ergründen, entwickelten Forscher des Fraunhofer IWM ein sogenanntes interatomares Kraftfeld. Dieser maßgeschneiderte mathematische Formalismus beschreibt die Wechselwirkung der an der Reibung beteiligten Atome.
Fluor-Passivierung (unten) halbiert die Reibung im Vergleich zur Wasserstoff-Passivierung (oben).
Fraunhofer IWM
Diamant- und diamantähnliche Kohlenstoffschichten (DLC) verringern Reibung und Verschleiß in Lagern oder Ventilen mithilfe sogenannter Passivierungsschichten, die Anbindungen anderer Materialien verhindern. Für die Passivierung kommen allerdings zahlreiche Stoffe infrage. Während Wasserstoff der gängigste ist, bietet auch Fluor eine vielversprechende, technologisch relevante Alternative. Beide Varianten sorgen für stabile, monoatomare Passivierungen. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM wollten ergründen, unter welchen Umständen welche Passivierung besser ist und vor allem warum, da die Wirkweisen bisher noch kaum verstanden sind. Die vorherrschende Meinung der Fachliteratur besagt, dass die Ladung der für die Passivierung eingesetzten Atome für den Unterschied zwischen Wasserstoff und Fluor verantwortlich ist. Auf diesem Hintergrund erklärt sie auch die geringere Reibung von F-passivierten Flächen gegenüber den H-passivierten mit der größeren Abstoßung der beiden Fluor-Flächen. "Wir waren da skeptisch, denn das elektrische Feld von dicht gepackten Kohlenstoff-Fluor-Bindungen hat nur eine sehr geringe Reichweite. Genau das ist ja auch die Ursache für den Abperl-Effekt von Teflon-Beschichtungen in Bekleidung oder Kochutensilien", erläutert Thomas Reichenbach aus der Gruppe Multiskalenmodellierung und Tribosimulation.
Interatomares Kraftfeld beschreibt Reibung
Um die Zusammenhänge zwischen den strukturellen und chemischen Eigenschaften der Passivierungen und der Reibung zu erklären, entwickelten die Wissenschaftler vom Fraunhofer IWM ein sogenanntes interatomares Kraftfeld. Dieser maßgeschneiderte mathematische Formalismus beschreibt die Wechselwirkung der an der Reibung beteiligten Atome. Alle vermeintlich an der Reibung beteiligten Parameter fließen darin ein – etwa die Atomradien, -massen oder Ladungen. Auf Basis dieses rechnerisch effizienten Kraftfeld-Modells wiederum konnten sie im Computer etwa hunderttausend Atome in den Reibkontakten simulieren, Daten zu ihrem Verhalten und ihren Wechselwirkungen in der Anwendung prognostizieren und so die Reibung direkt bestimmen. Um herauszufinden, welche Parameter für die Reibung wirklich entscheidend sind, nutzte das Forschungsteam dann einen Trick: Da die Passivierung mit Fluor die Reibung auf atomar planen Diamantschichten gegenüber der Wasserstoffpassivierung in etwa halbiert, vertauschten sie im Kraftfeld Schritt für Schritt die Parameter von Wasserstoff und Fluor. "Sollte der Parameter wirklich relevant sein für die Reibung, hätten wir in der Simulation eine Umkehrung der Reibwerte von Wasserstoff und Fluor gesehen", so Reichenbach.
Alleine geometrische Parameter sind von Belang
Die Ergebnisse sind unerwartet: Sowohl bei den Atommassen als auch bei den Atomladungen erfolgte keine Reibwert-Umkehrung beim Parametertausch – dafür jedoch bei den Atomradien in Verbindungen mit deren Bindungslängen zu Kohlenstoff. Das heißt: allein geometrische Parameter sind für die Optimierung der Reibung von Bedeutung. Mit diesen grundlegenden Erkenntnissen konnte das Team um Reichenbach auch gleich die Vorteile der Fluor-Passivierung bei planen Diamantoberflächen begründen. Durch die größeren Atomradien wird bei zwei F-passivierten Reibpartner-Oberflächen das Ineinandergreifen der beiden Flächen verhindert: Die Reibpartner gleiten relativ störungsfrei aneinander vorbei, da sich der »atomare Reißverschluss« nicht schließen kann. Bei den kleineren Wasserstoffatomen ist das hingegen möglich: sie können sich verzahnen und so die Reibung vergrößern. Durch ihre Langlebigkeit ist die Fluor-Passivierung daher sehr interessant für tribologische Anwendungen. Ihr Nachteil: Die größeren Fluoratome können jedoch bei nicht planen DLC-Oberflächen zu Hindernissen werden, wenn sie sich an Oberflächenerhöhungen anhängen, wodurch sich die Reibung wieder erhöhen würde. Die neue Methode ließe sich ohne Probleme auch auf andere Reibkontakte übertragen. Dazu müsste das Kraftfeld-Modell an die speziellen Rahmenbedingungen angepasst werden, beispielsweise an andere Passivierungsatome oder Oberflächengeometrien. Die Methode ermöglicht, Designregeln für optimal terminierte reibungsarme Systeme zu entwickeln. Zum Beispiel könnten systematisch Alternativen zur Fluorpassivierung gefunden werden, da fluorierte Kohlenstoffmoleküle aufgrund der negativen Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt in einigen Anwendungsbereichen zunehmend gemieden werden.