Skalenübergreifendes tribologisches Verhalten von hierarchisch strukturierten biologischen und technologischen Materialien

Abstract

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.

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.