Die tribologischen Eigenschaften Silicium-basierter Keramiken in Isooctan unter Berücksichtigung der Umgebungsatmosphäre

Im Rahmen dieser Arbeit wurden die tribologischen Eigenschaften von selbstgepaartem Siliciumcarbid (SSiC) und Siliciumnitrid (Si₃N₄) unter dem Einfluss verschiedener Atmosphären (feuchte Luft, trockene Luft und trockener Stickstoff) charakterisiert, wobei die Wirkflächen der Keramiken zu jeder Zeit der Experimente durch Einsatz eines Tauchbades vollständig von Isooctan bedeckt waren. Die Versuche wurden allesamt in einer konformen Pellet Platte Konfiguration (Kontaktfläche nominell: ⌀ 9,5 mm) durchgeführt und es wurden eine reversierende Gleitbewegung mit Hublänge s = 5 mm, Hubfrequenzen von f = 2,5 bis 20 Hz und eine Normalkraft von Fₙ = 200 N gewählt.
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Die Ergebnisse zeigen, dass die chemischen Einflüsse aus der Umgebung trotz des Tauchbades signifikante Effekte auf das Reibungs- und Verschleißverhalten der beiden keramischen Werkstoffe haben. Im Falle des SSiC führte eine Atmosphäre aus feuchter Luft zu unruhigen Reibzahlverläufen mit kurzzeitigen Reibzahlüberhöhungen und generell höheren Reibwerten als in trockener Luft oder Stickstoffatmosphäre. Für Si₃N₄ äußerte sich der Einfluss überwiegend in veränderten Verschleißbeträgen und entstehenden Oberflächentopographien, hierbei führte Feuchtigkeit zur Bildung inselartiger, sauerstoffreicher Bereiche auf den Kontaktflächen. Durch den Einsatz kleinster Mengen einer grenzflächenaktiven Substanz (AOT) konnten Reib- und Verschleißverhalten beider Keramiken auf ein näherungsweise einheitliches Niveau gebracht werden.
Zudem konnte nachgewiesen werden, dass für selbstgepaartes SSiC in Kombination mit Isooctan ein Übergang des Tribosystems in die flüssige Supraschmierfähigkeit mit Reibwerten von µ < 0,003 trotz reversierender Gleitbewegung eintritt. Erklärungsansätze in der Literatur für diesen Zustand in wässrigen Medien stützen sich häufig auf elektrochemische, Ionen-basierte Oberflächeneffekte, welche vor dem Hintergrund des verwendeten Isooctans nicht anwendbar sind. Die plausibelste Ursache für die verschwindend geringe Reibung ist ein oberflächentrennender Film aus Isooctan.

Frictional properties of silicon carbide (SSiC) and silicon nitride (Si₃N₄) were characterized in a series of tribological experiments under the influence of various atmospheres, i.e. humid air, dry air and dry nitrogen, while the samples were submerged in isooctane at all times during the experiments. The investigations were performed on a home-built tribometer, where the self-mated ceramic samples were tested in a conformal pellet-on-plate setup, forming a nominal contact of ⌀ 9.5 mm under a normal load of Fₙ = 200 N. A reciprocating sliding motion with a stroke length of s = 5 mm and stroke frequencies ranging from f = 2.5 to 20 Hz were chosen for the experiments.
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Significant effects on friction and wear due to atmospheric influences were observed despite the submersion in isooctane. In case of SSiC traces of humidity coming from the atmosphere lead to unsteady friction forces, with reoccurring friction spikes and in general higher friction than under the influence of dry air and dry nitrogen. For Si₃N₄ the atmospheric conditions mainly affected the amounts of wear and the evolution of surface topography, with humid air leading to the formation of oxygen-rich tribofilm patches. By adding miniscule amounts of a surfactant (AOT), it was shown that the ongoing interfacial processes can be deliberately manipulated by suitable chemical species and by that the ceramics’ responses to tribological loading.
The results indisputably show that self-mated SSiC may exhibit liquid superlubricity with coefficients of friction µ < 0.003 in combination with the nonaqueous medium isooctane. Commonly used electrochemical or ion-based concepts in literature for low friction of SSiC in aqueous solution are not applicable due to the properties of isooctane. The most plausible explanation for the vanishing friction forces in the considered case is, despite the reciprocating nature of motion, a surface separating thin film of isooctane.