Charakterisierung ionischer Flüssigkeitsfilme mittels eines elektrochemischen Oberflächenkraftapparates im Hinblick auf tribologische Eigenschaften und Herleitung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des DFG – Forschungsstipendiums konnten substantielle Fortschritte in Bezug auf den aktuellen Forschungsstand erreicht werden. Die sehr erfolgreiche Erweiterung des Oberflächenkraftapparates in der Gruppe von Frau Prof. Perkin erlaubt nun die Umsetzung von Experimenten sowohl in einer kontrollierten elektrochemischen Umgebung wie auch in elektrischen Feldern. Die Durchführung von Experimenten mit vier unterschiedlichen ionischen Flüssigkeiten ergab keinen signifikanten Einfluss auf das tribologische Verhalten dieser, der unmittelbar auf die jeweilige Struktur zurückgeführt werden kann. Vielmehr wurde gefunden, dass die Eigenschaften der ionischen Flüssigkeiten im Kontakt bedeutend von der Rauigkeit des Substrates sowie vom Wassergehalt in den Grenzschichten abhängig sind. Die Rauigkeit des Substrates in einer Größenordnung, die mit der Größe der Ionen in der Flüssigkeit übereinstimmt, führt dazu, dass mit dem Oberflächenkraftapparat die bekannte Schichtstruktur nicht mehr aufgelöst werden kann. Dennoch bleiben Änderungen der Struktur hervorgerufen durch elektrochemische Modifizierung experimentell zugänglich. Wichtigstes Ergebnis des Projektes ist der Nachweis einer Änderung der Flüssigkeitsfilmdicke zwischen den Oberflächen in Abhängigkeit des Elektrodenpotentials. Für einen experimentellen Zugang zu diesen Daten wurde ein Programm entwickelt, welches sowohl elektrochemische Parameter wie das Elektrodenpotential und den Strom als auch die Reibungskraft zwischen zwei Oberflächen, die durch die ionische Flüssigkeit getrennt sind und den Abstand zwischen den genannten Oberflächen simultan aufzeichnet. Änderungen der Reibmechanismen in Abhängigkeit des Elektrodenpotentials innerhalb des ansonsten identischen Systems können somit ebenfalls charakterisiert werden. Zyklische Variationen des Abstandes während der Aufnahme der als „Friktogramm“ bezeichneten Experimente beeinflussen die Auflagekraft und ändern die Zusammensetzung des Flüssigkeitsfilms zwischen den Oberflächen, wodurch sie für tribologische Anwendungen von großer Bedeutung sind. Wissenschaftlich beschrieben sind diese Prozesse bisher nicht. Es zeigte sich, dass die Reibung nur relativ gering vom Elektrodenpotential abhing, wenn der Abstand zwischen den Oberflächen konstant gehalten wurde. Hierfür ist eine signifikante Änderung der Auflagekräfte notwendig, was im Einklang mit vielen tribologischen Untersuchungen steht, die eine Änderung der Reibung mit der Auflagekraft feststellen.
