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- Friction (1)
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- Surface energy (1)
- Topography (1)
Das tribologische Verhalten wird neben den chemischen und physikalischen Eigenschaften der Reibpartner auch von deren Oberflaechentopographie bestimmt. Um deren Beitrag auf die Reibkraft zu untersuchen, wurden daher definierte Rauheitsstrukturen in Siliziumwafer geaetzt. Reibversuche mit einem Mikrotribometer [1, 2] gaben Aufschluss ueber den Einfluss dieser Strukturen auf das Deformationsverhalten im Kontaktbereich. Mit Hilfe der gewonnenen Daten wurde ein Deformationsmodell entwickelt, das eine Abschaetzung der Reibkraft in Abhaengigkeit von der Rauheit erlaubte. Treten starke Adhaesionskraefte im Reibkontakt auf, ist ein inverter Einfluss der Rauheit auf die Reibkraft zu verzeichnen. Um diesen Verlauf weiter zu charakterisieren, wurden mit einem UHV-AFM Adhaesionsmessungen an strukturierten Siliziumwafern durchgefuehrt. Diese zeigen den Verlauf der Adhaesionskraft in Abhaengigkeit von der Groesse der Kontaktflaeche auf. Ein Vergleich dieser experimentell gefundenen Korrelation mit den klassischen Kontaktmodellen machte dabei den Einfluss der Oberflaechenrauheit auf die Groesse der Adhaesionskraft deutlich. Danach ergab sich, dass bei gleicher Kontaktflaeche, aber unterschiedlicher Rauheit sich die Adhaesionskraefte um bis zu einem Faktor 3 unterscheiden. [1] K. Meine, T. Schneider, D. Spaltmann, E. Santner, Wear, 253, 2002, 725-732 [2] K. Meine, T. Schneider, D. Spaltmann, E. Santner, Wear, 253, 2002, 733-738
Adhesion measurements are presented which were carried out with an atomic force microscope between polymer balls attached to a cantilever and a silicon wafer under ultra high vacuum conditions. In using a silicon surface with a defined structure a correlation between adhesion force and contact area was found. This correlation could partly be explained by the Johnson-Kendall-Roberts model, if a change of the surface energy is assumed as a result of the structuring. For a constant geometric contact area an additional structuring leads to a decrease of the adhesion force.
Contact formation and development are the basis of friction and wear modelling and understanding. Unanimously topography formation and development in friction contacts are regarded of highest importance for understanding and modelling friction processes. The frequently found running in behaviour of sliding contacts is—aside from the build up of reaction and transfer layers-at least partly caused by the topography development due to friction processes until a stable equilibrium state is reached.
Experimental results of friction and topography measurements are presented which demonstrate the mutual modification of friction and contact topography.
A special experimental set up with an AFM allowed to correlate the measured friction forces with the contact position and the topography at this point. In this way, friction force transitions and changes can be assigned to topography changes due to abrasion, adhesion and wear particle agglomeration.
Contact surfaces with artificial regular structures have been prepared to avoid problems with topography and friction correlation due to the statistical nature of roughness on technical contact surfaces. The friction effects of roughness were simulated by etched ditches of defined width, depth and distance on silicon or metal surfaces. This allowed to explain the mutual influences of topography and friction. The effect of a single asperity and of the 'roughness structures' could be demonstrated.
Topography measurements with an AFM correlated with the friction force could help to understand friction changes without changing any parameter.