Atomistic insights into dry friction and shear-induced nonequilibrium phase transitions in silicon and carbon materials

Media type: E-Book

Title: Atomistic insights into dry friction and shear-induced nonequilibrium phase transitions in silicon and carbon materials

Contributor: Reichenbach, Thomas [Verfasser]; Moseler, Michael [Akademischer Betreuer]; Moseler, Michael [Sonstige]; Schilling, Tanja [Sonstige]

Corporation: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Fakultät für Mathematik und Physik

imprint: Freiburg: Universität, 2022

Extent: Online-Ressource

Language: English

DOI: 10.6094/UNIFR/232189

Identifier:

Keywords: Tribologie ; Reibpaarung ; Schmierstoff ; Molekulardynamik ; Technische Oberfläche ; (local)doctoralThesis

Origination:

University thesis: Dissertation, Universität Freiburg, 2022

Footnote:

Description: Abstract: This work addresses tribologically loaded silicon- and carbon-based materials using atomistic simulations. The main focus is on nonequilibrium processes such as shear-induced structural transformations of the two solids in contact or of a solid lubricant between them. Additionally, dry, passivated tribological interfaces that undergo purely elastic deformations are studied with the goal of understanding the fundamental energy dissipation mechanisms. First, nonequilibrium phase transitions at cold-welded diamond-cubic silicon and diamond sliding interfaces are investigated. Reactive molecular dynamics simulations show the mechanically induced formation of amorphous solids with a liquidlike structure at the sliding interface. Analogous to the solid-to-liquid transitions, the crystalline-to-amorphous transitions lead to a densification in silicon and to a volume expansion in diamond. As a result, pressure enhances amorphization in silicon and suppresses it in diamond. In silicon, the formation of the amorphous shear bands between the two crystals is limited by a shear-induced recrystallization process resulting in a constant thickness of the amorphous interface layer. The interplay of amorphization and recrystallization can cause this layer to migrate in the direction normal to the interface plane as a result of different shear elastic responses of the two crystals, i.e., one crystal grows at the expense of the other. This ‘‘triboepitaxy’’ concept could form the basis for a novel mechanical nanolithography technology for the selective growth of crystalline nanostructures. Next, the lubrication of steel contacts by a solid polytetrafluoroethylene (PTFE) nanolayer is studied. Motivated by accompanying model experiments of PTFE-lubricated rolling bearings, a force field based on density-functional theory is developed for this system. It allows for large-scale molecular dynamics simulations which show that shear induces a chain alignment in PTFE leading to a pseudo-crystalline arrangement of the molecules that reduces friction. Moreover, friction is shown to be strongly affected by the local shear rates in PTFE, which in turn can be controlled by the thickness of the film. The last part of the thesis explores dry sliding without any material transformation. In this case, friction originates from elastic instabilities. However, the impact of the surface structure on friction is rather elusive. Hydrogen- and fluorine-terminated diamond and diamond-like carbon interfaces are compared to understand the relationship between the chemical surface passivation and friction. The simulations (based on a force field developed in this thesis) show that the optimization of the ratio and arrangement of the terminations for minimal friction is essentially a geometric problem to minimize the interface energy corrugation. The presented approach provides a general framework for computer-aided design of surface chemistry for minimal friction

Abstract: In dieser Arbeit werden Silizium- und Kohlenstoffmaterialien unter tribologischer Belastung mittels atomistischer Simulationen untersucht. Der Schwerpunkt liegt auf Nichtgleichgewichtsprozessen wie scherinduzierten Strukturveränderungen der beiden in Kontakt stehenden Festkörper oder eines sich dazwischen befindlichen Festschmierstoffs. Außerdem wird die Trockenreibung von sich rein elastisch verformenden, passivierten Reibkontakten betrachtet, um die grundlegenden Energiedissipationsmechanismen zu verstehen. Zuerst werden Nichtgleichgewichtsphasenübergänge erforscht, die an kaltverschweißten Silizium- und Diamant-Reibkontakten auftreten. Reaktive Molekulardynamiksimulationen zeigen, dass sich an der Grenzfläche in Folge der mechanischen Belastung amorphe Festkörper mit einer flüssigkeitsartigen Struktur bilden. Übereinstimmend mit den Übergängen von fest zu flüssig führen auch die Übergänge von der kristallinen zur amorphen Struktur zu einer Volumenkontraktion im Fall von Silizium und zu einer Volumenausdehnung im Fall von Diamant. Infolgedessen wird die Amorphisierung von Silizium durch erhöhten Druck begünstigt, während bei Diamant das Gegenteil der Fall ist. In Silizium wirkt ein scherinduzierter Rekristallisationsprozess dem Wachstum der amorphen Scherbänder zwischen den beiden Kristallen entgegen, sodass die amorphe Grenzschicht eine konstante Dicke annimmt. In Folge von unterschiedlichen scherelastischen Antworten der beiden Kristalle kann das Zusammenspiel von Amorphisierung und Rekristallisation zu einer Bewegung der amorphen Schicht senkrecht zur Grenzflächenebene führen, sodass ein Kristall auf Kosten des anderen wächst. Dieses Konzept der ‘‘Triboepitaxie’’ könnte die Grundlage für neuartige mechanische Nanolithographiemethoden für das selektive Wachstum kristalliner Nanostrukturen bilden. Als Nächstes wird die nanoskalige Feststoffschmierung von Stahlkontakten mit Polytetrafluorethylen (PTFE) untersucht. Motiviert durch begleitende Modellexperimente PTFE-geschmierter Wälzlager wird mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie ein Kraftfeld für dieses System entwickelt. Dieses ermöglicht großskalige Molekulardynamiksimulationen, die zeigen, dass Scherung zu einer Kettenausrichtung und schließlich zu einer pseudokristallinen Anordnung der Moleküle in PTFE führt, wodurch die Reibung verringert wird. Außerdem wird gezeigt, dass die Reibung stark von den lokalen Scherraten in PTFE abhängt, welche wiederum direkt durch die Dicke des Films gesteuert werden können. Im letzten Teil der Arbeit wird Trockenreibung in Abwesenheit von Materialumwandlungen betrachtet. In diesem Fall liegen der Reibung elastische Instabilitäten zugrunde. Der Einfluss der Oberflächenstruktur auf die Reibung ist jedoch nur schwer zugänglich. Um die Beziehung zwischen chemischer Oberflächenpassivierung und Reibung zu verstehen, werden wasserstoff- und fluorterminierte Diamant- und amorphe Kohlenstoffoberflächen verglichen. Die Simulationen (die auf einem in dieser Arbeit entwickelten Kraftfeld basieren) zeigen, dass die Optimierung des Verhältnisses und der Anordnung der Terminierungen zur Minimierung der Reibung im Wesentlichen einem geometrischen Problem entspricht, um die energetische Grenzflächenkorrugation zu minimieren. Der vorgestellte Ansatz bietet einen allgemeinen Zugang für das computergestützte Design der Oberflächenchemie zur Minimierung der Reibung

Access State: Open Access

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