Promotionsvortrag von Adrian Wittrock
- Verteidigung
Die strukturellen und chemischen Eigenschaften des Tribomaterials von künstlichen Hüftgelenken und MoS2-Stahl Kontakten werden spektroskopisch untersucht.
Modulare Hüftimplantate werden häufig zur Behandlung von Arthrose eingesetzt. Jedoch kann der Kontakt zwischen Kopf und Konus zu tribologisch bedingten Komplikationen und Revisionsoperation führen. Die mechanisch-chemischen Reaktionsprodukte und strukturellen Merkmale an der Kopf-Konus-Verbindung von Ti6Al4V und einer kohlenstoffarmen Kobaltlegierung oder Stahl, die in vitro Frettingkorrosionstests unter Verwendung von Rinderkalbserum unterzogen wurden, werden Raman spektroskopisch untersucht. Aus diesen Spektren lässt sich die Faltung/Entfaltung von Proteinen, die Bildung von Proteinclustern und das Adsorptionsverhalten von kurzen und langen aliphatischen Ketten ableiten. Diese strukturellen Veränderungen hängen von der Hydrophilie der Metalle und der Dauer des Fretting-Prozesses ab. Es gibt signifikante Unterschiede in der Zusammensetzung der agglomerierten Verschleißpartikel, darunter Chromate, Eisenoxide und adsorbierte Proteine. Bei beiden Materialien führt eine lange Fretting-Dauer zur Bildung von sp2-hybridisiertem amorphem Kohlenstoff. Zudem wird die Bildung eines dünnen (15 nm), flächigen, nanokristallin-amorphen CoSx-Tribofilms auf der Co-Oberfläche nachgewiesen. Dieser Tribofilm bildet sich aus Schwefelionen (Freisetzung durch die Zersetzung von Cystein) und Kobaltionen (Tribokorrosion) und kann als Schutzschicht bei extremem Druck wirken. So kann sie die Langlebigkeit verbessern und korrosive Beschädigungen vermindern. Die Struktur der CoSx-Verbindung ähnelt der des Festschmierstoffs MoS2.
Der tribologischen Kontakt zwischen MoS2 und Stahl führt zu strukturell-chemischen Veränderungen, welche ein weiterer Schwerpunkt sind. Die Raman-Spektroskopie zeigt Verspannungen innerhalb des MoS2-Transfermaterials. Ist MoS2 nicht mehr im Kontaktbereich vorhanden, wird die Oxidation von Mo, S und Fe nachgewiesen. Dabei hängt die Bildung von tribochemischen Oxiden vom Modifikationselement ab. In dieser Arbeit werden auch einige Schichten von ungeordnetem Graphen auf dem Gegenkörper nachgewiesen. Die Ergebnisse zeigen die strukturell-chemischen Merkmale des MoS2-Transfermaterials und ermöglichen somit die Vorhersage von Materialversagen auf mikroskopischer Ebene.
Zusätzlich zu diesen Mechanismus getriebenen Untersuchungen wird eine neuartige Methode, die Ablations-Raman-Schichtdickenanalyse (ARCTA), für die Schichtdickenmessung entwickelt. Dabei wird ein hochenergetischer gepulster Laser verwendet, um einen Teil der MoS2-Beschichtung (µm-Bereich) abzutragen, gefolgt von Raman Messungen, um den Übergang von der Beschichtung zum Substrat zu erkennen. Die Methode wird an ebenen Oberflächen kalibriert und auf gekrümmten Oberflächen angewandt, wobei die erforderliche Anzahl an Laserpulsen annähernd linear mit der Schichtdicke zunimmt. ARCTA hat Potenzial für verschiedene Anwendungen mit Vorteilen gegenüber anderen Messverfahren.
In dieser Arbeit werden die strukturell-chemischen Eigenschaften von biologischen Tribofilmen an Hüftimplantaten und von Transfermaterial bei Verschleißpaaren aus MoS2-Stahl spektroskopisch analysiert und eine neue Methode zur Schichtdickenmessung entwickelt.