Tribochemie[1]

 

Allgemein bekannt ist die Funkenentladung beim Kämmen von Haar, die im Dunkeln beobachtet werden kann. Es handelt sich um ein elektrostatisches Phänomen, das auch als Reibungselektrizität bezeichnet wird. Bei der Berührung (Reibung, Strömung) von elektrisch ungeladenen Stoffen mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten wandern Elektronen aus einem in den anderen Stoff. Die so entstehende Ladungsverschiebung bleibt bei einer raschen Trennung der beiden Stoffe erhalten und kann zur Ausbildung hoher elektrostatischer Potentiale (Spannungen) führen, deren Stärke durch das Coulombsche Gesetz definiert ist. Atomare und molekulare Vorgänge bei der Reibung zeigen sich somit als makroskopische Effekte. Die nach einer stärkeren mechanischen Behandlung zu beobachtende Reaktivitäts­steigerung (Bildung von Aktivstoffen) wird als mechanische Aktivierung bezeichnet. Beispiele[2]: Beim Verreiben von Kaliumcyanid (KCN) und Schwefel entsteht etwas Thiocyanat (KSCN), von Eisen-Pulver mit Schwefel-Blumen mikrochemisch nachweisbares Eisensulfid (FeS), beim Ritzen eines Calcit-Kristalls (CaCO₃) kann man in der Ritzspur etwas CaO und Ca(OH)₂ nachweisen, Gold in einer CO₂-Atmosphäre wird durch mechanische Energie zu Au₂O₃ oxidiert. Bei derartigen tribochemischen Vorgängen werden Bindungen gebrochen, Versetzungen können sich bilden oder verschieben, Elektronen können sich verschieben gegebenenfalls tritt Triboelektrizität und Tribolumineszenz auf.

 

Guillaume Amontons (1663-1705) machte die überraschende Beobachtung, dass der Reibungskoeffizient über weite Bereiche proportional zur Normalkraft ist.

 

Oberflächen sind nie ganz glatt	Zwei Oberflächen berühren sich an wenigen Stellen, welche für die Reibung verantwortlich sind.	F: Reibungskraft N: Normalkraft   Reibungskoeffizient: m = F/N

Abbildung 68 : Reibung ein Phänomen von rauhen Oberflächen

 

Die Haftreibung ist stark abhängig vom Material, der Oberflächenbeschaffenheit und der Schmierung, aber spannenderweise kaum von der Berührungsfläche.

Mit Hilfe von Simulationen auf molekularer Ebene ist abschätzbar, wie einige hundert oder tausend Atome und Moleküle zusammenstossen und dabei Impulse austauschen. Mit solchen Simulationen konnte nachgewiesen werden, dass die Faustregel des Schweizer Mathematikers Leonhard Euler (1707–1783), wonach die Haftreibung etwa doppelt so gross ist wie die Gleitreibung, auch im atomaren Massstab gilt[3]. Diese Linearität lässt sich molekular noch nicht begründen.

Grundsätzliches im Bereich der Reibung ist noch nicht bekannt: Noch heute lässt sich nicht exakt angeben, wie heiss zwei Körper werden, die man aneinander reibt, und welcher Anteil der mechanischen Energie in Wärme, in chemische Reaktionen oder in Verformung umgewandelt wird.

 

Die erst seit 1966 verwendete Bezeichnung Tribologie für die Wissenschaft, die sich mit der Wechselwirkung gegenseitig bewegender Oberflächen beschäftigt oder – einfacher – als Lehre von Reibung[4], Schmierung und Verschleiss, macht deutlich, dass die Reibung als bedeutendes Forschungsgebiet erkannt worden ist.

 

Man unterscheidet im wesentlichen 4 Verschleissmechanismen: Adhäsion, Abrasion (Abrieb), Oberflächenzerrüttung und tribochemische Reaktionen. Da die jährlichen Material- und Energieverluste durch Verschleiss betriebs- und volkswirtschaftlich bedeutsam sind, bemüht man sich, durch sorgfältige Materialauswahl (z. B. bei Lagerwerkstoffen), Oberflächenbeschichtung, Oberflächenhärtung (durch Temperatur-Behandlung oder Ionenimplantation) und Gleit- und Schmiermittel den Verschleiss zu verringern oder gar zu verhindern.