© Fraunhofer IWM
Tribologische Prüfung in Wasserstoff und anderen Atmosphären
Oxidierte Mechanoradikale als Ursprung der triboelektrischen Aufladung von Teflon identifiziert
Erfolgreiche Zusammenarbeit mit der Concordia University
Mehr Stabilität für reaktives HiPIMS durch RF-Superposition
Maximilian Baur, Dr. Dominik Kürten, Dr. Andreas Kailer
Für tribologische Untersuchungen unter definierten Gasatmosphären wurde ein spezieller Prüfaufbau für oszillierende Reibungs- und Verschleißprüfungen entwickelt und in Betrieb genommen. Ziel ist die experimentelle Bewertung von Werkstoffen und Schmierstoffen unter Wasserstoffatmosphäre sowie unter Luft oder Inertgas.
Die Untersuchungen erfolgen in einer gekapselten Prüfzelle, in der Gasdrücke bis zu 10 bar realisiert werden können. Die tribologischen Tests werden in einer Pin-on-Plate-Konfiguration mit Kunststoffpins mit einem Stiftdurchmesser von 6 mm durchgeführt. Die Normalkraft kann bis zu 600 N variiert werden, was einer maximalen Flächenpressung von etwa 21 MPa entspricht.
Die Relativbewegung erfolgt oszillierend mit einer Amplitude von ±2 mm (maximaler Hub 4 mm). Abhängig von der Amplitude können Frequenzen bis zu 40 Hz erreicht werden. Daraus resultieren maximale Gleitgeschwindigkeiten von bis zu 0,5 m/s. Zusätzlich kann die Temperatur der Kontaktzone geregelt werden. Die Grundtemperatur der Platte erreicht bis zu 200 °C und wird über ein Thermostatsystem mit variabler Gegenkühlung kontrolliert.
Während der Versuche werden Reibwerte für Haft- und Gleitreibung, Normalkraft, Reibkraft sowie die Temperatur an der Plattenoberfläche kontinuierlich erfasst. Erste Versuche haben bereits gezeigt, dass der Einfluss von Wasserstoff auf die Schmierung sowie die Werkstoffe erheblich ist und die Reibungs- und Verschleißwerte sich stark verändern können.
17.03.2026
Dr. Lukas Gröner, Dr. Frank Burmeister
Die Transformation hin zu einer klimaneutralen Gesellschaft erfordert einen schnellen Ausbau der Wasserstoffwirtschaft. Betreiber von Anlagen zur Erzeugung, Speicherung, Verteilung und Nutzung von Wasserstoff müssen dazu eine hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit ihrer Anlagen gewährleisten. Dazu müssen insbesondere wasserstoffinduzierte, mechanische Degradationen von Komponenten ausgeschlossen werden. Wasserstoffbarriereschichten, als eine mögliche Lösung, reduzieren den Eintrag von Wasserstoff in metallische Bauteile um mehrere Größenordnungen. Damit tragen sie dazu bei, die Lebensdauer von Komponenten zu verlängern, die Anlagensicherheit zu erhöhen sowie Wartungsaufwand und Ausfallrisiken zu senken.
Eine zentrale Herausforderung bei der Erzeugung derartiger Schichten ist die verlässliche und vergleichbare Bewertung ihrer Barrierewirkung. Dazu existieren bis heute keine reproduzierbaren Verfahren. Ohne standardisierte Messverfahren lassen sich Materialien und Schichtsysteme jedoch nicht vergleichend bewerten, Auslegungen und Lebensdauerabschätzungen von Komponenten werden erschwert bis unmöglich.
Vor diesem Hintergrund werden einheitliche Standards zur Bestimmung der Wasserstoffpermeation und der Barrierewirkung von Schichten von der Industrie immer stärker nachgefragt. Mit der DIN EN ISO 17081 und ASTM G148 können zwar metallische Materialien elektrochemisch geprüft werden, diese Verfahren sind jedoch anfällig für Messartefakte durch Oberflächenreaktionen.
Ein Verfahren für Messungen aus der Gasphase bietet demgegenüber den Vorteil, dass Temperatur und Druck anwendungsnah und definiert über einen großen Bereich eingestellt werden können. So lassen sich Kennwerte wie Diffusivität, Permeabilität und Löslichkeit unabhängig voneinander bestimmen – und damit auch die tatsächliche Barrierewirkung von Beschichtungen unter anwendungsnahen Bedingungen.
Zu diesem Zweck wurde erst kürzlich bei der DIN der Normungsausschuss DIN NA 062-02-101-01 gegründet. Die dort zu erarbeitende Norm soll ein Messverfahren zur Bestimmung der Wasserstoffpermeabilität und Diffusivität in metallischen Materialien als auch zur Bewertung der Barrierewirkung dünner Schichten auf metallischen Membranen umfassen. Der Ausschuss wird von Mitarbeitern des MikroTribologie Centrums geleitet. Dabei bringt das µTC seine große Expertise auf dem Gebiet mit ein. Das µTC erforscht und optimiert bereits seit knapp 10 Jahren Wasserstoffbarriereschichten, betreibt anwendungsnahe Wasserstoffpermeationsmessungen und baut dazu Prüfstände auf und entwickelt diese stetig weiter. Im Rahmen einer Masterarbeit wurde nun erstmals die Messung der Wasserstoffpermeation nicht nur bei unterschiedlichen Temperaturen, sondern auch bei höheren Drücken realisiert. Dabei konnte das Sievertsche Gesetz (wurzelförmige Abhängigkeit der Permeation vom Druck) im Rahmen der experimentellen Fehler sehr gut bestätigt werden. Damit wird erstmals eine vollständige Beschreibung der Permeation möglich: die Diffusion von Wasserstoff hängt von der Temperatur, die Löslichkeit vom Druck ab. Das Produkt beider Größen bestimmt die gemessene Permeation. Momentan sind Drücke bis 50 bar möglich, die Erweiterung auf 200 bar ist unmittelbar geplant.
13.02.2026
Dr. Leonhard Mayrhofer
Triboelektrische Aufladung gehört zu den ältesten Phänomenen der Physik – ihr Mechanismus ist jedoch noch immer umstritten und in vielen Fällen nicht verstanden. Dabei ist nicht einmal klar, ob Elektronen, Ionen oder geladene Materialfragmente für die Aufladung verantwortlich sind. Ein Team am MikroTribologie Centrum µTC hat nun mit DFT- und präziseren GW‑Rechnungen aufgeklärt, wie PTFE im Kontakt mit Gold durch Elektronentransfer negativ geladen wird [1]. Der Schlüssel hierbei sind Mechanoradikale im tribologischen Kontakt, die eine sehr Elektronenaffinität aufweisen, sobald sie mit Sauerstoff- und/oder Wassermolekülen aus der Umgebung reagieren.
Zunächst wurden atomistische Gold/PTFE‑Grenzflächen mit der Dichtefunktionaltheorie (DFT), dem Arbeitspferd für die Simulation der elektronischen Struktur in der Materialwissenschaft untersucht. Die Paarung Gold/PTFE wurde gewählt, da Gold aufgrund der geringen Neigung zur Oxidation einfach zu modellieren ist und PTFE dafür bekannt ist, sich im Kontakt mit praktisch allen anderen Materialien negativ aufzuladen. Allerdings zeigte sich schnell, dass konventionelle DFT-Rechnungen bei Ladungstransferprozessen an ihre Grenzen stoßen, indem sie z.B. zwischen Au und Mechanoradikalen in PTFE einen nur teilweisen Elektronentransfer vorhersagen, obwohl physikalisch nur ganzzahlige Übergänge sinnvoll sind.
Daher wurde im Rahmen der Studie - vermutlich zum ersten Mal im Kontext der Tribologie - die wesentlich genauere, aber äußerst rechenintensive GW-Methode eingesetzt. Die GW-Methode berücksichtigt systematisch Quanteneffekte wechselwirkender Elektronen, die über die Standard-DFT hinausgehen. Mit ihrer Hilfe konnten nun diejenigen Radikale im Teflon identifiziert werden, welche hinreichend elektronenaffin sind, dass sie zu einer negativen Aufladung führen. Dies sind insbesondere O-zentrierte Alkoxy‑ und Carboxylat‑Endgruppen, während Mechanoradikale, die direkt durch mechanischen C-C-Bindungsbruch der PTFE-Ketten entstehen keine große Neigung zur Elektronenaufnahme besitzen.
Wie sich herausstellt, ist die Umgebungschemie entscheidend zur Bildung der elektronaffinen Radikale: Berechnete Reaktionspfade zeigen, dass die ursprünglich durch C-C-Bindungsbruch erzeugten Mechanoradikale in Anwesenheit von O2 bzw. H2O schnell über Zwischenstufen zu Alkoxy‑ bzw. Carboxylat‑Gruppen oxidieren – plausibel unter Umgebungsbedingungen.
Ein einfaches Modell erklärt zudem die Ladungserhaltung beim Auseinanderziehen: Durch die Kontaktseparation baut sich ein elektrisches Feld auf, das die statische Aufladung energetisch ungünstig werden lässt. Allerdings passiert dies erst bei einer Kontaktweite von einigen 10 nm, bei welcher quantenmechanisches Rücktunneln ausgeschlossen ist: die Aufladung bleibt bestehen.
Fazit: Die starke negative Triboelektrizität von PTFE beruht primär auf den elektronischen Eigenschaften oxidierter Mechanoradikale. Das Verständnis eröffnet Hebel zur gezielten Ladungssteuerung durch Defektchemie und Atmosphärenkontrolle – relevant für triboelektrische Nanogeneratoren (TENGs), Antistatik und Prozesssicherheit. Eine erste Arbeit, welche die Triboelektrizität gezielt durch geeignete Funktionalisierung von Goldoberflächen mit organischen redox-aktiven Molekülen einstellt, wurde kürzlich zusammen mit der Universität Freiburg veröffentlicht [2].
[1] Leonhard Mayrhofer, Mejdeddine Mokhtar, Michael Walter, Michael Moseler, Oxidized Mechanoradicals Drive Triboelectricity in Polytetrafluoroethylene: A First Principle Understanding, J. Phys. Chem. C 129, 43, 19592–19607 (2025). https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5c05695
[2] Nisha Ranjan et al., Contact Electrification via Redox‐Active Molecules, Angew. Chem. Int. Ed. 65, e10031 (2026). https://doi.org/10.1002/anie.202510031
Prof. Dr. Martin Dienwiebel
In einer Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Stoyanov an der Concordia University, Kanada wurden thermisch gespritzte kobaltoxidbasierte Beschichtungen entwickelt und untersucht, die unter Reib- und Verschleißbelastung gezielt sogenannte Glaze-Layers bilden sollen, wie sie sonst erst im Langzeitbetrieb von Hochtemperaturbauteilen entstehen. Ziel ist es, diese schützenden, glasartig verfestigten Reaktionsschichten schon vorab durch geeignete Beschichtungs- und Prüfparameter einzustellen, um Komponenten z.B. in Gasturbinen besser für extreme Umgebungen zu rüsten.
Experimentell wurden dazu Kobaltoxid- bzw. Co/Cr-oxid-Suspensionen mittels „Suspension Plasma Spraying (SPS)“ auf metallische Substrate wie Inconel 718 aufgebracht und zu dicht haftenden Oxidschichten verarbeitet. Die erzeugten Schichten wurden anschließend mikrostrukturell charakterisiert (Dichte, Porosität, Phasenbestand, Rissverteilung), unter anderem mit Querschliffen, Rasterelektronenmikroskopie und Phasenanalytik wie Raman-Spektroskopie bzw. Röntgendiffraktion.
Zur tribologischen Charakterisierung wurden Hochtemperatur-Reibungsmessungen gegen Inconel-718-Gegenkörper bei verschiedenen Temperaturen (typisch Raumtemperatur bis etwa 450 °C und höher) durchgeführt, wobei Reibkoeffizient, Verschleißraten von Schicht und Gegenkörper sowie der Aufbau von Glaze-Layers in situ bzw. ex situ ausgewertet wurden. Es zeigte sich, dass insbesondere CoO-basierte Beschichtungen bei erhöhten Temperaturen in eine Co3O4-reiche Glaze-Schicht umwandeln, was mit deutlich reduziertem Reibwert, geringem Gesamtverschleiß und überwiegendem Materialabtrag am Gegenkörper einhergeht.
Die Autoren leiteten daraus Gestaltungsrichtlinien für Material, Prozessführung und Temperaturfenster ab, mit denen sich solche schützenden Glaze-Layers reproduzierbar einstellen lassen, anstatt sie dem zufälligen Einlaufprozess im Feld zu überlassen.
Quelle:
Mayer, A. R.; Zouina, O.; Dienwiebel, M.; Moreau, C.; Stoyanov, P. P., Recreating cobalt – based glaze layers through thermal spraying for extreme environments, Wear 570 (2025) Art. 205972, 13 Seiten, Link
Alexander Fromm
High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) bietet erhebliche Vorteile gegenüber etablierten Sputtertechniken wie DC-, MF- oder RF-Sputtern. Dünne Schichten, die mit HiPIMS abgeschieden werden, zeigen verbesserte Eigenschaften, lassen sich jedoch meist nur mit geringeren Raten abscheiden. Zudem neigen reaktive HiPIMS-Prozesse zum Arcing (i.e. unkontrollierte, elektrische Überschläge), was sich negativ auf die Schichtqualität auswirkt. Die Überlagerung unterschiedlicher Plasmaanregungen kann helfen, diese Limitationen zu überwinden.
In unserer Studie haben wir die Superposition von HiPIMS und RF auf einem einzigen Magnetron untersucht und dabei die Spannungs-Strom-Kennlinien, erreichbare Spitzenströme sowie den Einfluss des Drucks auf die Prozessstabilität und die Kathodenspannung für die reaktive und nicht-reaktive Abscheidung von Aluminium in einem Ar/O₂-Plasma analysiert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Superposition von RF auf HiPIMS einen stabilen Betrieb bei niedrigeren Drücken ermöglicht und das Arcing reduziert. Besonders bemerkenswert ist, dass der Effekt des überlagerten RF auf den Spitzenstrom je nach Prozessmodus unterschiedlich ausfällt: Im reaktiven Sputtern wird der HiPIMS-Spitzenstrom erhöht, während im nicht-reaktiven Modus der Spitzenstrom verringert wird. Dies wird auf die unterschiedlichen sekundären Elektronenemissionen im reaktiven und nicht-reaktiven Modus zurückgeführt.
Die Ergebnisse wurden im Dezember 2025 auf der »Reactive Sputter Deposition Conference 2025« (RSD 2025) in Manchester, UK, einem interessierten Fachpublikum vorgestellt und diskutiert. Aktuelle Arbeiten am MikroTribologie Centrum µTC zielen darauf, die Erkenntnisse in die Entwicklung neuer, leistungsfähiger Barriereschichten einfließen zu lassen.
Sie möchten sich tiefer mit dem Thema befassen? Weitere Informationen finden Sie im folgenden Artikel:
Müller, J.; Swoboda, J.; Burmeister, F.; Fromm, A.; Wirth, M.; Killinger, A.; Ulrich, S., Continuous superposition of high power pulses and radio frequency power on a single magnetron target, Surface and Coatings Technology 521 (2026) Art. 133104 Link
Oder Sie wenden Sich an unsere Kollegen Jonas Müller oder Frank Burmeister.
MikroTribologie Centrum μTC