de term ‘tribologie’ is voor vele mensen – zelfs voor sommige ingenieurs – onbekend. toch bestaat het woord al sinds de jaren 1960, toen vorsers en overheidsinstanties beslisten om het bestaande onderzoek en de technologische activiteit rond wrijving, smering en slijtage een vaknaam te geven. intussen zijn er verscheidene internationale tijdschriften die de intense wetenschappelijke activiteit in de wrijvingsleer beschrijven. toepassingen ervan in de dagelijkse praktijk maken belangrijke economische en ecologische besparingen mogelijk.

Tribologie: de leer van intieme contacten

Farid Al-Bender

In 1966 vonden vorsers en overheidsinstanties dat het hoog tijd werd om het al eeuwen bestaande onderzoek en de technologische activiteit rond wrijving, smering en slijtage, een vaknaam te geven. De keuze viel op ‘tribologie’, van het Griekse tribein, wat ‘wrijven’ betekent. De bedoeling was om zo de krachten te bundelen en te focussen op een oude, maar toen zeer actuele problematiek: de interactie van oppervlakken die ten opzichte van elkaar bewegen, en de daaraan verwante technologie. De motivering hiervoor was de bezorgdheid voor energiezuinigheid en de impact hiervan op het milieu. Vandaag is die problematiek nog acuter en actueler dan in de jaren 1960. De commissie ‘tribologie’ toonde aan dat belangrijke economische en ecologische besparingen mogelijk waren, alleen al door de bestaande kennis van de tribologie in de praktijk toe te passen. Oppervlakte-interactie heeft namelijk op directe en indirecte manier betrekking op energie-efficiëntie: op een directe manier door het verminderen van energieverlies te wijten aan wrijving, en op een indirecte manier door het verminderen van slijtage, defecten en afval. Het rapport van de commissie gaf aan dat uiteindelijk dertig procent van de geproduceerde energie in de geïndustrialiseerde wereld verloren ging in wrijvingsprocessen. Sinds de jaren 1960 zal dit aandeel ongetwijfeld verminderd zijn als gevolg van verbeterde smeringstechnieken en een betere keuze en productie van oppervlakken. Toch blijft de tribologie of wrijvingsleer zeer belangrijk, zowel voor zijn economische als voor zijn ecologische impact.

Piepende remmen, gierende banden of een knarsende deur – al die voorbeelden vinden hun oorsprong in wrijvingsonstabiliteit

De beheersing van de beweging van elementen die met elkaar in contact komen, zorgt ervoor dat er weinig tijd en energie verloren gaan door ongewenste trillingen en instabiliteiten. Piepende remmen, gierende banden, een knarsende deur of het knisperende geluid van stukken piepschuim die over elkaar bewegen – al deze voorbeelden vinden hun oorsprong in wrijvingsonstabiliteit. Ook bij het nauwkeurig positioneren is een beheersing van de wrijving noodzakelijk. Geautomatiseerde processen zoals robotassemblagesystemen kunnen slechts nauwkeurig verplaatsingen realiseren, als er rekening wordt gehouden met de wrijving in het systeem, bijvoorbeeld in de lagers en de afdichtingen. Dit kan gebeuren door vooraf een schatting te maken van het wrijvingsgedrag via een specifieke meetprocedure. Die opgedane kennis kan dan in een model worden gegoten dat de sturing van de machine toelaat om te anticiperen op de verwachte wrijving.

In vele gevallen levert de natuur een bron van inspiratie om tribologische problemen aan te pakken. Zelfreinigend glas voor ramen op moeilijk toegankelijke plaatsen of speciale deklagen op decoratieve elementen hebben een oppervlaktestructuur die vergelijkbaar is met die van het lotusblad. Die structuur zorgt ervoor dat het vuil geen vat krijgt op het oppervlak en door een windstootje of enkele druppels regen wordt weggenomen. In het geval van het lotusblad zorgt deze zelfreiniging van het oppervlak ervoor dat de fotosynthese, die van primordiaal belang is voor de gezondheid van de plant, ongestoord kan plaatsvinden. Wat betreft coatings en zelfreinigende glaspartijen behoren spons en zeemvel binnenkort misschien wel tot het verleden. Moderne zwempakken worden voorzien van een speciale toplaag die ervoor zorgt dat de zwemmer met minder moeite door het water klieft. Die specifieke oppervlakken werden dan weer ontwikkeld op basis van de eigenschappen van de huid van haaien. Op dezelfde manier worden speciale oppervlakken met ultralage wrijving ontworpen op basis van kennis verworven bij de studie van de menselijke gewrichten.

Het verminderen of het uitsluiten van wrijving is vaak wenselijk, maar niet altijd in de praktijk realiseerbaar. Het is echter niet de bedoeling om wrijving (en slijtage) helemaal uit de wereld te helpen. Wrijving is immers een noodzakelijk kwaad. Een wereld zonder wrijving zou veel weg hebben van een nachtmerrie: niets zou op zijn plaats blijven staan en er zou geen stabiel evenwicht meer mogelijk zijn. Bovendien ligt het principe van de wrijving ook aan de basis van vele prachtige muziekinstrumenten, zoals de viool. De bedoeling is dus eerder dat we het wrijvingsfenomeen leren beheersen, zodat we bijvoorbeeld wrijvingskrachten kunnen voorspellen en – indien nodig – tot een minimum kunnen beperken. Hetzelfde geldt voor slijtage: een wereld zonder slijtage is eveneens ondenkbaar. Wanneer er niets zou verslijten, kan men niet met krijt of potlood schrijven, niet slijpen of polijsten. En eens men een mechanisch apparaat of zelfs een kledingstuk heeft gemaakt, dan zou dat bij ons blijven tot in de eeuwigheid. De economie zou tot stilstand komen.

Een wereld zonder wrijving zou veel weg hebben van een nachtmerrie: niets zou op zijn plaats blijven staan en er zou geen stabiel evenwicht meer mogelijk zijn

Maar wat is de oorzaak van wrijving? Wrijving is een fenomeen waarmee we bijna op elk moment van ons bestaan te maken hebben. Tegelijk is het iets dat we helemaal niet goed begrijpen. We kunnen wrijving zintuiglijk karakteriseren als zacht, ruw, plakkerig of stroef, maar we weten vaak niet waarom. We kunnen er ook geen getal opplakken, dit wil zeggen, kwantificeren. We weten wel dat wrijving te maken heeft met een glijdend contact tussen oppervlakken en dat wrijving gepaard gaat met energieverlies (hoofdzakelijk warmte), maar we weten niet hoe dat precies komt. Hoe komt het dat sommige contacten, wanneer ze bijvoorbeeld ‘gesmeerd’ zijn, soepeler en met minder moeite lopen dan andere? Wat doet een smeermiddel dan aan de aard van een contact? Door de jaren heen werden verscheidene theorieën ontwikkeld om de fundamentele oorzaken van wrijving te verklaren. Het was al duidelijk dat wrijving zich alleen manifesteert wanneer ‘intiem’ contact tussen de oppervlakken plaatsvindt. De vraag was dan: wat gebeurt er wanneer oppervlakken te dicht bij elkaar komen? Bijna alle verklaringen baseerden zich op de onvermijdelijke aanwezigheid van ruwheid op de oppervlakken. Wrijving heeft overigens niet altijd met ruwheid te maken: in sommige gevallen veroorzaakt lage ruwheid een hogere mate van wrijving. We weten ook uit ervaring dat de wrijvingsweerstand toeneemt wanneer de kracht in de richting loodrecht op het contact toeneemt: een zware kast verschuiven gaat veel moeilijker dan een stoel.

In de zeventiende eeuw bood Guillaume Amontons (1663-1705) een eerste verklaring. Na het uitvoeren van een reeks wrijvingsproeven kwam hij tot de conclusie dat de wrijvingskracht (i) evenredig stijgt met de belasting in de richting loodrecht op het contact en (ii) onafhankelijk is van de grootte van het contactoppervlak. Die laatste conclusie deed vele wenkbrauwen fronsen in de Franse Académie Royale omdat ze heel contra-intuïtief is. Om een hedendaags voorbeeld te gebruiken, waarom zouden raceauto’s anders zulke brede banden nodig hebben? Voorts stelde Amontons vast dat de wrijvingscoëfficiënt – de verhouding tussen de wrijvingskracht en de opgelegde kracht loodrecht op het contact – een universele constante is, die gelijk is aan één derde. Tweehonderd jaar eerder had Leonardo da Vinci (1452-1519), ook een belangrijke peetvader van de tribologie, gesteld dat de wrijvingscoëfficiënt een universele waarde van één vierde zou hebben. Die universaliteit dwingt tot de conclusie dat wrijving onafhankelijk is van de aard van de materialen die in contact komen, maar veroorzaakt wordt door een andere, intrinsieke oorzaak. Zo stelde Amontons dat wrijving zou worden veroorzaakt door het feit dat de ruwheidstoppen van de oppervlakken elkaar moeten bestijgen opdat de beweging zou kunnen worden voortgezet, net zoals men een kar of een bal bergop moet rollen (de wrijving is dus zoals we ze ervaren: een sleur). In dit geval zou de gemiddelde helling van de ruwheidstoppen één derde moeten bedragen voor alle oppervlakken, wat heel onwaarschijnlijk is. Amontons’ verklaring voor het feit dat smeerolie of vet de wrijving aanzienlijk verlagen, was dat de smeerstof de ruwheidsputten zou opvullen en zo de oppervlakken gladder zou maken.

Deze heel aantrekkelijke theorie bleef overeind tot na de publicatie van Charles August Coulomb (1736-1806) in 1785, die ze alleen maar bevestigde en uitbreidde na een reeks heel systematische proeven, waarvoor hij de prijs van de Académie Royale won. Sinds die tijd maakten de thermodynamica en de scheikunde echter een grote vooruitgang: de klassieke wrijvingstheorie bleek niet te kloppen met de wetten van de thermodynamica. Men kon bijvoorbeeld aantonen dat zuivere metallische oppervlakken de neiging hebben om aan elkaar te kleven. Dit fenomeen heet ‘adhesie’. In tegenstelling tot de atomen die in een evenwichtstoestand van ‘cohesie’ binnen het object zitten, hebben de atomen op het oppervlak een graad van ‘vrije energie’, en hebben ze de neiging om zich te binden met vreemde atomen van buiten het materiaal. De meest typische toepassing hiervan zijn kleefstoffen allerhande. Voorbeelden die erg tot de verbeelding spreken, vinden we ook in de natuur. Sommige insecten kunnen zich in de meest onmogelijke oriëntaties voortbewegen (zoals een vlieg op het plafond), precies door de adhesieve eigenschappen van hun poten.

De introductie van adhesie in de verklaring van het wrijvingsfenomeen leidde aanvankelijk tot het negeren van alle andere mogelijke mechanismen die kunnen meespelen, voornamelijk de ‘vervorming’ van de ruwheidstoppen. Bijna een halve eeuw lang werd onderzoek besteed aan het kwantificeren van de adhesiebijdrage en het correleren met de in de praktijk vastgestelde wrijvingscoëfficiënten. Dit bleek echter een heel moeilijke (eigenlijk onmogelijke) taak te zijn. Daarnaast kwam nog het feit dat de adhesietheorie voor wrijving veel inconsistenties en tegenstrijdigheden vertoonde. Vandaag erkent men dat wrijving veroorzaakt wordt door een wisselwerking tussen adhesie en vervorming. Het zal voldoende duidelijk geworden zijn dat wrijving ook te verklaren is aan de hand van energieverliezen tijdens het glijproces. Een auto die op een hobbelige weg rijdt bijvoorbeeld, verbruikt meer brandstof dan een auto die op een vlakke weg rijdt. Dit komt door de energieverliezen die veroorzaakt worden door de op-en-neerbeweging van de wagen op de dempers van de ophanging. Elk mechanisme dat daartoe bijdraagt is dan ook een mogelijke ‘speler’ in het wrijvingverhaal.

In wat voorafging hebben we wrijving beschouwd als een macro- of mesoschaalfenomeen. Als we echter verder inzoomen op het contact van twee ruwheidstoppen, dan zien we dat dit scenario zich herhaalt op nog een kleinere schaal. Als we dit een aantal keer herhalen, komen we uit bij de nano- of atoomschaal: de ultieme grens. Een dergelijke tribologie op de nanometerschaal wordt gepresenteerd in C. Mathew Mate, Tribology on the Small Scale, A Bottom Up Approach to Friction, Lubrication, and Wear. Interesse hiervoor ontstond in het laatste deel van de twintigste eeuw, aangemoedigd door twee belangrijke factoren. Ten eerste waren er toen experimentele en theoretische technieken beschikbaar om materialen op nanometerschaal te karakteriseren, wat de atomische en moleculaire oorsprong van wrijving, adhesie, smering en slijtage kon helpen ontdekken. Een voorbeeld hiervan is de ontwikkeling van de Atomic Force Microscope, waarbij men door middel van een ultrascherpe naald- en lasertechnologie de oppervlaktekarakteristieken op nanoschaal tracht te ontdekken. Ten tweede waren er de veelbelovende micro- en nanoschaaltechnologieën, MEMS, die doorbraken in de miniaturisatie van componenten maakten zodra ook de tribologische problemen op die kleine schaal konden worden opgelost. De meest treffende microtechnologische vooruitgang is wellicht die van de hardeschijftechnologie, waar het voortdurend antwoord bieden op tribologische problemen de toenemende datadichtheid heeft mogelijk gemaakt. Miniaturisatie vereist een verregaandere positioneernauwkeurigheid. Kleinere componenten plaatsen met een gelijke relatieve nauwkeurigheid als de grotere tegenhanger vergt absoluut gezien een nauwkeuriger positioneersysteem.

Naast de ontwikkeling en de studie van het contact van vaste stoffen, vormt het onderzoek naar smeermiddelen een ander belangrijk aspect binnen de tribologie

Naast de ontwikkeling en de studie van het contact van vaste stoffen, vormt het onderzoek naar smeermiddelen een ander belangrijk aspect binnen de tribologie. De eigenschappen van het smeermiddel en de omstandigheden waarin het gebruikt wordt, bepalen in grote mate het tribologische gedrag van het systeem, zowel wat betreft wrijvingsverliezen als slijtage. Zo is het mogelijk om ervoor te zorgen dat in sneldraaiende machines het contact tussen de materialen die ten opzichte van elkaar bewegen, volledig wordt vermeden door de opbouw van een smeerfilm. Men spreekt dan van volledige filmsmering, wat wrijvingsverliezen grotendeels reduceert tot de visceuze (i.e. inwendige wrijving in een vloeistof ten gevolge van afschuiving) verliezen in het smeermiddel. Bovendien blijft het contact gespaard van slijtage zolang de smeringsfilm zich kan handhaven. Die vaak toegepaste techniek van smeren verklaart de lange levensduur van kogellagers en tandwielen in een verscheidenheid van aandrijftoepassingen. Waar men vroeger om de zoveel duizend kilometer de olie van de motor moest vervangen, worden de onderhoudsintervallen vandaag steeds langer, als gevolg van de vooruitgang in de smeermiddelentechnologie. De toevoeging van additieven aan de olie, die ervoor zorgen dat de smeringskarakteristieken gegarandeerd blijven gedurende langere tijd, zijn hiervoor verantwoordelijk. Een speciaal geval van smering wordt verkregen wanneer het smeermiddel een gas is, zoals lucht. In dit geval zijn wrijving en slijtage bijna afwezig, wat extreem hoge glijsnelheden kan vergemakkelijken. Luchtlagertechnologie heeft dan ook een cruciale rol gespeeld in verscheiden sectoren van de techniek, zoals kernenergie (centrifuges), computerdataopslagsystemen (schrijf/leeskoppen), laserscanners, gyroscopen, tandartsboren, en veel meer.

Uit de voorgaande uiteenzetting mag het duidelijk zijn geworden dat het onderzoek naar wrijving en slijtagefenomenen gedurende de voorbije decennia uitgegroeid is tot een volwassen tak van de wetenschap. Ondanks het multidisciplinaire karakter van dit onderzoeksdomein zijn er belangrijke stappen genomen in de ontwikkeling van geschiktere oppervlakken, betere smeringstechnologie en de voorspelling van hoe wrijving zich gedraagt en evolueert met de tijd in mechanische systemen. Tribologie heeft onze levensstijl veranderd en zal die ook in de toekomst nog veranderen. Daarnaast staat de tribologie nog voor enkele belangrijke uitdagingen in onze moderne maatschappij. Zo moet een compromis worden gevonden tussen de economische en de ecologische aspecten van ons grondstoffengebruik. De huidige technologie laat toe om zeldzame delfstoffen om te zetten in hoogtechnologische oppervlakken en coatings. Maar hoe ecologisch zijn die toepassingen, en welke uitwegen zijn er bij het recycleren? De uitputting van onze olievoorraden nopen ons tot de ontwikkeling van ‘groenere’ wagens, waarbij zeker de tribologische aspecten niet onbelangrijk zijn. De verdere ontwikkeling van microtechnologische oplossingen in diverse domeinen, zoals precisietechnologie of medische toepassingen, vereisen een grondiger begrip van tribologische fenomenen. Het mag vandaag dan al mogelijk zijn om op atomair niveau de materie te beschouwen, wat betreft de interactie tussen materialen en media op de verschillende niveaus, is tot nu toe slechts een tipje van de sluier gelicht.

C. Mathew Mate, Tribology on the Small Scale, A Bottom Up Approach to Friction, Lubrication, and Wear (Oxford: Oxford University Press, 2007).

Farid Al-Bender is als ingenieur verbonden aan de KU Leuven.