Assen, lagers en tandwielen moeten op een perfecte smeerfilm glijden en zo min mogelijk wrijving, slijtage en energieverlies veroorzaken. Hiervoor moeten de ingenieurs het gedrag van de smeerfilm kennen in het zogenaamde tribocontact, dat met experimenten echter nauwelijks meetbaar is. Het Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM) in Freiburg maakt smeereigenschappen berekenbaar met atomaire methoden. Het deed onder meer onderzoek naar een van de belangrijkste parameters, de drukafhankelijkheid van de viscositeit van smeermiddelen.
Om een nieuw smeermiddel te ontwikkelen of te verbeteren, is het belangrijk om het gedrag precies te kennen: druk, temperatuur, afschuifsnelheid en viscositeit zijn belangrijke factoren. Het experimenteel meten van de smeerfilm is erg moeilijk omdat de voorwaarden die daarvoor nodig zijn nauwelijks gecontroleerd kunnen worden ingesteld. In sommige bereiken is de druk bijvoorbeeld zo extreem dat er lokale druk is in het GPa-bereik.
Simulatie van smeermiddelen
Waar experimenten moeilijk zijn, kunnen simulaties helpen. Tot nu toe zijn voorspellingen voor het smeermiddelgedrag bij hoge druk meestal verkregen uit extrapolatie van de resultaten van experimenten in een normaal drukbereik. Helaas mislukt deze procedure bij de extreem hoge drukken die plaatselijk optreden in gesmeerde wrijvingscontacten.
Met atomaire moleculaire dynamica simulaties kunnen natuurkundigen smeereigenschappen zoals viscositeit onder gecontroleerde, vrij instelbare druk- en temperatuuromstandigheden voorspellen. De onderzoekers in Freiburg hebben de viscositeit berekend voor verschillende modelsmeermiddelen bij drukken tot 700 MPa. De model smeermiddelen bestonden uit eenvoudige lineaire of vertakte alkanen. Alkanen of paraffines zijn stabiele ketens van koolstof en waterstof en vormen het basisbestanddeel van veel gangbare oliën en brandstoffen.
Moleculaire eigenschappen
Het echte doel van de onderzoekers was om een praktischer prognosemodel te krijgen dan voorheen. Het moet het mogelijk maken om viscositeitswaarden te berekenen voor bepaalde omstandigheden in het wrijvingsgebied zonder dat complexe moleculaire dynamica-simulaties moeten worden uitgevoerd. De onderzoekers hebben simulaties ontwikkeld die inzicht geven in de microscopische structuur en dynamiek van de smeermiddelmoleculen, bijna als een ‘virtuele superloep’.
Ze ontdekten welke drie moleculaire eigenschappen van een smeermiddel de viscositeit grotendeels bepalen: de dwarsdoorsnedeoppervlakken van het molecuul, de ketenflexibiliteit en de afstand tussen de afzonderlijke moleculen. Zodra deze eigenschappen zijn bepaald, kan de viscositeit van een smeermiddel onder verschillende omstandigheden eenvoudig en nauwkeurig worden berekend.
Bij omgekeerd gebruik is deze simulatiemethode ook te gebruiken om de juiste moleculen te vinden voor bepaalde tribologische spanningen. In combinatie met aanvullende kwantumchemische simulaties over de interactie van het smeermiddel met oppervlakten van componenten, kunnen de onderzoekers gebruikers het juiste smeermiddel voor hun toepassing voorstellen.
In de toekomst zullen de resultaten ook worden gebruikt om het smeermiddelgedrag bij hoge snelheden en dus hoge afschuifsnelheden te onderzoeken. Ook er wordt overwogen hoe een smeermiddel zich gedraagt in een zeer nauwe wrijvingsspleet die slechts enkele moleculaire diameters breed is. De onderzoekers kunnen ook nieuwe smeermiddelen karakteriseren, bijvoorbeeld smeermiddelen op waterbasis voor milieuvriendelijke toepassingen.