Skalenübergreifendes tribologisches Verhalten von hierarchisch strukturierten biologischen und technologischen Materialien [article]

Felix Christian Wählisch, Universität Des Saarlandes, Universität Des Saarlandes
2013
Eidesstattliche Versicherung Hiermit versichere ich an Eides statt, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig und ohne Benutzung anderer als der angegebenen Hilfsmittel angefertigt habe. Die aus anderen Quellen direkt oder indirekt übernommenen Daten und Konzepte sind unter Angabe der Quelle gekennzeichnet. Die Arbeit wurde bisher weder im In-noch im Ausland in gleicher oder ähnlicher Form in einem Verfahren zur Erlangung eines akademischen Grades vorgelegt. Felix Wählisch Die vorliegende
more » ... h Die vorliegende Arbeit wurde am INM-Leibniz-Institut für Neue Materialien in Saarbrücken im Programmbereich Nanotribologie angefertigt. Ich danke dem Institut für die Möglichkeit zur Durchführung der Arbeit und insbesondere bedanke ich mich bei Herrn Prof. Dr. E. Arzt, dem wissenschaftlichen Geschäftsführer des Instituts, für die fortwährende Unterstützung des Projektes. Ein großer Dank geht an meinen Betreuer, Herrn Prof. Dr. R. Bennewitz, für die vielen Diskussionen und Gespräche und das Vertrauen in meine Arbeit. Herrn Prof. Dr. R. Birringer danke ich für die freundliche Übernahme der Berichterstattung. Zusammenfassung Ein neuartiges Messgerät wurde durch die Kombination von einem AFM und zwei Tribometern entwickelt. Dieses Gerät ist in der Lage eine Probe mechanisch und tribologisch auf verschiedenen Längenskalen zu charakterisieren. Die Leistungsfähigkeit wird anhand von drei sehr unterschiedlichen Proben und Messaufgaben demonstriert, die im Folgenden beschrieben werden. Als Erstes wird das Reibungs-und Verschleißverhalten von Graphenlagen auf SiC und Cu untersucht. Die makroskopische Reibung auf SiC ist nach dem Abscheren des Graphens durch die Grenzflächenschicht bestimmt, auf Cu dominiert die Deformation der Oberfläche. Diese Arbeit zeigt außerdem, dass Wasser eine wichtige Rolle in der Reibung von Graphen auf der mikroskopischen Skala spielt. In der zweiten Untersuchung wird ein transparenter, viskoelastischer Kunststoff deformiert und die anschließende Formrelaxation profilometrisch vermessen. Zusätzlich wird mittels Polarisationsmikroskopie die Spannungsrelaxation bestimmt. Aus beidem zusammen werden die Kriechfolgefunktion und das Relaxationsspektrum berechnet. Zuletzt wird das Reibungs-und Verschleißverhalten des Periostracums der Miesmuschel im nassen und trockenen Zustand untersucht. Diese Arbeit zeigt, dass es im nass sehr abriebsresistent ist, während es im trockenen Fall schnell verschleißt. Zusätzlich wurden E-Modul und Härte mittels Nanoindentation bestimmt. Alle drei Projekte belegen die Wichtigkeit des skalenübergreifenden Ansatzes in mechanischen Untersuchungen. I Abstract A novel instrument is developed by combination of an AFM and two tribometers. This instrument is capable of characterizing tribological and mechanical properties of a specimen on different length scales at the same position. It is designed to handle biological hierarchical samples. The performance of the apparatus is proven by three very different samples and measurement tasks described below. First, friction and wear behavior of graphene layers on SiC and Cu are investigated. The macroscopic friction on SiC is governed by the interfacial layer after delamination of graphene; on Cu it is governed by deformation of the substrate. This work also revealed the dominate role water plays in microscopic friction behavior of graphene. In the second study, a transparent viscoelastic plastic is deformed and the surface recovery is measured by profilometry. Additionally, polarization microscopy is used to determine the stress relaxation. Both data sets are used to compute creep compliance and retardation spectrum. Lastly, the friction and wear behavior of the blue mollusk?s periostracum is measured unter wet and dry conditions. This work demonstrates that the periostracum is highly abrasion resistant when wet, but this wears off rapidly when dry. In addition Young?s modulus and hardness are tested via nanoindentation. All three projects demonstrate the importance of multi-scale mechanical investigations. III 6 Zusammenfassung und Ausblick 116 Danksagung 119 Literaturverzeichnis 120 V Abkürzungsverzeichnis ADC Analog Digital Converter (Analog-Digital-Wandler) AFM Atomic Force Microscope (Raster-Kraft-Mikroskop) DMTA dynamisch-mechanische thermische Analyse DSC Dynamic Scanning Calorimetry (Dynamische Differenzkalorimetrie) FOS Fiberoptischer Sensor MB Messbereich MuScaT Multi Scale Tester (Multiskalen Tester) OEM Original Equipment Manufacturer SEM Scanning Electron Microscope (Raster-Elektronen-Mikroskop) SLS Standard linear Solid (Standard-linearer Festkörper) TEM Transmissions-Elektronen-Mikroskop XPS Xray Photon Spectroscopy (Röntgenphotonenspektroskopie) VI
doi:10.22028/d291-22906 fatcat:ne3pfb4ulvebpdk6bldq5d2h2y