MikroTribologie Centrum μTCEtwa 80 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter aus Ingenieur- und Naturwissenschaften bearbeiten in Karlsruhe und Freiburg tribologische Fragestellungen. Sie verfolgen bei der Untersuchung und Optimierung tribologischer Systeme einen ganzheitlichen Ansatz bestehend aus Modellexperimenten, hochaufgelöster Analytik und Multiskalensimulation, der erst die Offenlegung der elementaren Mechanismen erlaubt.
Reibung und Verschleiß sind ein großer Wirtschaftsfaktor – kleinste Verbesserungen bringen enorme Effekte
© Fraunhofer IWM
Warum MikroTribologie Centrum μTC?
Maßgeschneiderte Modellexperimente
Wir bilden komplexe tribologische Systeme unserer Kunden in vereinfachten aber relevanten Modellsystemen ab,
Verschleißraten messen wir kontinuierlich mit hoher Auflösung,
anwendungsnahe tribologische Prüfungen führen wir an Werkstoffen und Bauteilen durch,
wir untersuchen die tribochemischen Einflüsse auf Reibung und Verschleiß und verknüpfen elektrochemische Methoden mit tribologischen Modell- und Prüfstandsversuchen,
in situ-Verschleißmessungen zur Erfassung kleinster Verschleißraten und deren Änderung führen wir bei variablen Prüfbedingungen direkt und in einem einzigen Versuch durch.
Hochaufgelöste Triboanalytik
Wir beschreiben orts- und zeitaufgelöst die chemische Zusammensetzung, die Mikrostruktur und die Topographie von Tribosystemen,
durch chemische Charakterisierung erfassen wir die elementare Zusammensetzung der Oberfläche und des oberflächennahen Volumens (möglichst mit atomarer Auflösung) und die chemischen Bindungsverhältnisse im darunter liegenden Tribomaterial,
wir erzeugen detaillierte Texturinformationen und unterscheiden amorphe von kristallinen Bereichen durch mikrostrukturelle Charakterisierung,
für eine räumliche Charakterisierung koppeln wir strukturelle und chemische Informationen mit hochaufgelösten topographischen Informationen.
Multiskalige Tribosimulation
Die chemische, mikrostrukturelle und topographische Komplexität experimenteller Tribosysteme bilden wir in virtuellen Modellen ab,
die numerische Simulation nutzen wir als virtuelles Mikroskop, die Submikrostruktur bilden wir mit Molekulardynamik ab und die chemische Komplexität stellen wir mit ab initio-Methoden dar,
durch die mesoskalige Behandlung der Elastohydrodynamik von Tribosystemen können wir Vorschläge für Topographien und für die rheologischen Eigenschaften von Schmierstoffen machen.
Oberflächendesign und Beschichtung
Wir geben Handlungsanweisungen, wie die Nanostruktur von Schichten einzustellen ist und welche Schmierstoffadditive sich günstig auf Reibung und Verschleiß auswirken,
für keramische Werkstoffe unter Medienschmierung und Umgebungseinflüssen erarbeiten wir Konzepte, um die Schädigungsentwicklung durch Verschleiß, Korrosion und Alterung zu modellieren,
durch den Einbau netzwerkmodifizierender Elemente in die Plasmabeschichtung stellen wir die Benetzbarkeit durch Schmiermittel ein und vermeiden unerwünschte Anhaftungen,
unterstützt durch Plasmadiagnostik erlaubt unsere Prozesstechnologie eine getrennte Steuerung von inhärenten und topographischen Eigenschaften von Schichten.
Kombination Experiment – Analytik – Simulation
Das Potenzial, das in der Kombination von Experiment, Analytik und Simulation liegt, schöpfen wir aus, indem wir realitätsnahe Modellexperimente mit möglichst wenig chemischer Komplexität identifizieren und so den Vergleich mit atomistischen Simulationen ermöglichen.
Da die Vorgänge im Schmierspalt in vielen Systemen nicht direkt experimentell beobachtbar sind, arbeiten wir daran, mit atomistischer Simulation Aussagen zu »schmutzigen« Experimenten machen zu können.
Synergien aus der Kopplung von Analytik und numerischer Simulation erzeugen wir durch möglichst präzise analytische Startstrukturen und die simulationsgestützte Interpretation von Spektren, um aus spektralen Fingerabdrücken auf chemische Bindungsverhältnisse schließen zu können.
Technische Ausstattung und Möglichkeiten im Überblick
Tribologische Experimente
Stift-Scheibe-Prüfstände
Mikrotribometer
Wälz- und Gleitverschleißprüfstände
Tribokorrosionsprüfstände
Frettingprüfstände
Motorprüfstände
Triboanalytik
Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS)
Mikroskopie (AFM, REM, TEM, FIB)
Spektroskopie (Raman, ICP-OES, FTIR)
Radionuklidtechnik
Tribosimulation
Kontinuumsmodelle (FEM, CFD)
Mesoskopische Partikelsimulation
Molekulardynamik
Tight-Binding
Dichtefunktionaltheorie
Eigene Codes (GPAW, Atomistica, SimPartix®)
Oberflächendesign und Beschichtung
Reaktives Magnetron-Sputtern (HF, DC, Puls-DC) mit HF-Substratbiasing
Ionenstrahltechniken
PECVD-Anlagen
Plasma-CVD-Beschichtungsanlagen CCP/ICP
Mehrkammerbeschichtung für Multilagen und Hybridschichten