Ab-initio-Modellierung der mechano-chemischen Reaktion atmosphärischer Gase mit tribologisch belasteten Kohlenstoffverschleißschutzschichten

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Moseler
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 250640060

Hauptziel des beantragten Projekts ist die Aufklärung der Bildungsmechanismen, der chemischen Struktur und der mechanischen Eigenschaften des amorphen Dritten Körpers, der sich nach dem Einlauf von C-Hartstoffschichten unter Atmosphärenbedingungen und unter Schmierung bildet. Hierzu sollen großskalige Dichtefunktionalrechnungen der Wechselwirkung von O2, N2, H2O, CO2, H2 und Glycerin mit den durch die Reibung erzeugten sp2- und sp1-hybridisierten amorphen Kohlenstoffdeckschichten durchgeführt werden. Der Schwerpunkt der simulativen Arbeiten soll hierbei auf den mechano-chemischen Reaktionen, die durch die extremen plastischen Deformationen zwischen den Reibflächen und im darunterliegenden a-C getrieben werden, liegen. Etwaige Unterschiede in den Reaktivitäten der verschiedenen Moleküle sollen durch Analyse der elektronischen Struktur der betrachteten Tribosysteme erklärt werden und es sollen Trends und geeignete Lastkollektive aufgezeigt werden, wie die durch die Reaktionen getrieben Bildung von H,N,O-a-C-Phasen gesteuert werden kann. Durch Vergleich von quasistatischen Rechnungen mit molekulardynamischen Simulationen bei verschiedenen Temperaturen soll zwischen aktivierten und mechano-chemischen Reaktionen unterschieden werden. Zusätzlich sollen äquivalente Zellen durch Unterkühlen entsprechend konstituierter Schmelzen erstellt. Hier sollen mögliche Unterschiede in mechanochemischer und thermischer Amorphisierung und Moleküldissoziation geklärt werden.Die aus den DFT-Rechnungen resultierenden (O,H,N)-a-C-Proben sollen anschließend mechanisch charakterisiert werden. Hierzu werden die Proben diversen Deformationsmoden ausgesetzt um die elastischen Konstanten und die Fließspannungen zu berechnen. Bei Vorliegen einer Kontinuumsformulierung eines mechano-chemischen Phasenumwandlungsmodells und einer ausreichend großen Datenbasis der mechanischen Kennwerte (Meilenstein nach 24 Monaten) soll in einem Verlängerungsantrag ein Kontinuumsverschleißmodell erarbeitet werden, das die Evolution der Dicke und der mechanischen Eigenschaften des Dritten Körpers als Funktion des Lastkollektivs, der Partialdrücke der Umgebungsgase und der Starttopographie beschreiben kann. Dazu soll in dieser zweiten Phase die ab-initio Datenbasis durch linear-sklaierenden Tight-Binding-Rechnungen mit längeren Simulationszeiten kompletiert werden um visko-plastische Materialmodelle abzuleiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen