Mehrskalige Bestimmung von Adhäsions- und Reibkräften an Metalloxiden mit Metall-Isolator-Übergang und verschiedener Stöchiometrie
Final Report Abstract
Eine Reihe von Vanadiumoxide zeigen bei der Variation der Temperatur einen reversiblen Metall-Isolator-Übergang (MIT) in der elektrischen Leitfähigkeit. Oberhalb der Temperatur des MIT, d.h. für die metallische Phase, wurde eine signifikant geringere Adhäsion gemessen. Inwiefern dieses unterschiedliche Adhäsionsverhalten einen Einfluss auf die Reibung hat, wurde an VO2 Schichten und VO2 Sinterproben untersucht. Die Temperatur des MIT für VO2 liegt bei etwa 341 K und damit bei einer Temperatur, die experimentell gut für tribologische Untersuchungen realisierbar ist. Makroskopischen Reibmessungen an den Schichten im UHV ergaben: Die Schichten haben eine geringe mechanische Stabilität. Es kommt schon nach einer kurzen Beanspruchungsdauer zum Schichtversagen. Temperaturabhängige Messungen des Reibwertes bei kleinen Gleitwegen unterhalb und oberhalb der Temperatur des MIT zeigten keinen Einfluss eines unterschiedlichen Adhäsionsverhaltens. Mit der Temperaturerhöhung von 328 K auf 353 K steigt der Reibwert von anfänglich 0,45 auf 0,8. Beim nachfolgenden Abkühlvorgang steigt der Reibwert weiter bis auf 1, unterhalb der Temperatur des MIT, und erreichen bei der Ausgangstemperatur (328 K) einen Wert von etwa 0,8. Makroskopische Reibmessungen an den Sinterproben unter Laborluftbedingungen ergaben: Es konnte ebenfalls kein Einfluss eines unterschiedlichen Adhäsionsverhaltens vor und nach der Temperatur des MIT ermittelt werden. Die stationären Reibwerte bei 15000 Zyklen lagen im Temperaturbereich von 313 bis 373 K zwischen 0,14 und 0,34. Unter Laborluftbedingungen (Einfluss von Adsorptionsschichten) ist das Reibverhalten wesentlich günstiger als für die Schichten unter UHV Bedingungen. Adhäsionskraftmessungen an VO2 Einkristallen zeigten eine Reduzierung der Adhäsion schon unterhalb und einen geringfügigen Anstieg der Adhäsion oberhalb der Temperatur des MIT. Dieses Verhalten wird als eine Ursache dafür gesehen, dass keine Differenzierung im Reibwertverhalten durch die adhäsive Wechselwirkungen ermittelt werden konnte. Aus den Untersuchungen wird deutlich, dass VO2 ein geeignetes Material für Festschmierstoffe und Beschichtungen sein kann. Existieren bei den Beschichtungen noch mechanische Stabilitätsprobleme, so zeigen die Sinterproben ein gutes Reib- und Verschleißverhalten unter Trockenreibbedingungen. Um das Potenzial von Vanadiumoxid für eine praktische Anwendung zu nutzen, sollten zukünftig Schichtherstellung, Schichtcharakterisierung und tribologische Prüfung in gemeinsamen Projekten bearbeitete werden.
