Steifigkeit des Skibelags und Strukturstabilität auf nassem Schnee – Teil 2
Die Bedeutung der Formstabilität bei nassen Schneebedingungen
Einige Hersteller von Skibelagmaterialien betrachten die Formstabilität als eine der entscheidenden Materialeigenschaften, insbesondere bei Skibelägen, die für warme und nasse Schneebedingungen vorgesehen sind.
Bei kälteren Bedingungen findet der Kontakt überwiegend zwischen dem Skibelag und einzelnen Eiskörnern statt, deren Oberflächen von einer sehr dünnen quasiflüssigen Schicht bedeckt sind, die als QLL (Quasi-Liquid Layer) bezeichnet wird. An den tatsächlichen Kontaktstellen kann diese Schicht als äußerst wirksamer Grenzschmierfilm wirken.
Mit zunehmender Schneetemperatur und Feuchtigkeit oder infolge der Reibungserwärmung kann sich in der Kontaktzone eine zusätzliche und wesentlich dickere Schicht aus freiem Wasser bilden. Diese lässt sich als sekundärer Wasserfilm bezeichnen.
Unter bestimmten Bedingungen kann eine dünne, nicht durchgehende Wasserschicht die Reibung verringern. Wird der sekundäre Wasserfilm jedoch übermäßig dick und zusammenhängend und nicht schnell genug aus der Kontaktzone abgeführt, verändert sich seine Wirkung.
Im Vergleich zur äußerst dünnen QLL auf der Oberfläche der Eiskörner erfüllt er dann möglicherweise nicht mehr die Funktion eines wirksamen Schmierfilms. Stattdessen beginnen andere nachteilige tribologische Erscheinungen zu dominieren.
Dazu gehören Kapillar- und Saugkräfte, eine erhebliche Vergrößerung der tatsächlichen Kontaktfläche, viskose Widerstände bei der Verdrängung und Scherung des Wassers, eine ungleichmäßige Druckverteilung innerhalb des Wasserfilms sowie hydrodynamische Verluste, die mit Änderungen der Strömungsrichtung und lokalen Turbulenzen verbunden sind.
Die Struktur des Skibelags spielt eine grundlegende Rolle bei der Begrenzung dieser nachteiligen Auswirkungen des sekundären Wasserfilms.
Ihre Aufgabe besteht nicht nur darin, die Kontaktfläche mechanisch zu verkleinern, sondern auch ein System aus Rillen und Kanälen zu schaffen, das Wasser aufnimmt, leitet und möglichst schnell aus der Kontaktzone abführt.
Damit die Struktur diese Funktion wirksam erfüllen kann, muss sie die Geometrie beibehalten, in der sie entworfen und hergestellt wurde.
Dies gilt auch dann, wenn die Struktur in Kombination mit Gleitwachsen oder anderen Oberflächenbehandlungen eingesetzt wird.
Wenn sich die Rillen unter Belastung verformen, abflachen oder teilweise schließen, verändern sich ihr Querschnitt, ihre Tiefe und ihre Fähigkeit, Wasser abzuleiten.
Die Struktur kann dann ihre ursprünglich vorgesehene Funktion nicht mehr in vollem Umfang erfüllen.
Die Anforderung an die Formstabilität ist insbesondere beim alpinen Skilauf von Bedeutung.
Bei hohen Geschwindigkeiten und erheblichen dynamischen Belastungen, beispielsweise in einer engen Kurve, ist der Ski großen Kräften ausgesetzt, die häufig auf einer Seite konzentriert sind.
Ein weicher und elastischer Skibelag kann unter diesem Druck lokal nachgeben.
Die Geometrie einzelner Strukturrillen kann sich somit gerade dann verändern, wenn sie die größte Wassermenge aus der Kontaktzone abführen sollen.
Eine Verringerung der Rillentiefe oder des Rillenquerschnitts kann den Wasserabfluss einschränken und den Anteil des sekundären Wasserfilms innerhalb der Kontaktzone erhöhen.
Aus diesem Grund weisen einige Skibeläge, die für warme Bedingungen und alpine Disziplinen vorgesehen sind, einen Elastizitätsmodul von etwa 950 bis 1.050 MPa auf. Dies entspricht 0,95 bis 1,05 GPa.
Ein höherer E-Modul bedeutet, dass sich das Material unter derselben Belastung weniger elastisch verformt.
Die Struktur behält daher ihre ursprüngliche Form, die Rillentiefe und ihren funktionalen Querschnitt auch unter hohen lokalen Belastungen besser bei.
Der Wert des E-Moduls darf jedoch nicht isoliert betrachtet werden.
Er hängt auch von der Messtemperatur, dem verwendeten Prüfverfahren, der Belastungsgeschwindigkeit, der Orientierung des Prüfkörpers und davon ab, ob der Hersteller einen Zug-, Druck- oder Biegemodul angibt.
Ein direkter Vergleich unterschiedlicher Skibelagmaterialien setzt deshalb voraus, dass die Werte mit demselben Prüfverfahren und unter vergleichbaren Bedingungen ermittelt wurden.
Steifigkeit und Verschleißfestigkeit
Eine höhere Steifigkeit bedeutet nicht automatisch eine längere Lebensdauer des Skibelags.
Die außergewöhnlich hohe Beständigkeit von reinem UHMWPE gegen abrasiven Verschleiß beruht unter anderem auf seiner hohen Zähigkeit, Elastizität und seinen extrem langen, miteinander verschlungenen Polymerketten.
Trifft ein abrasives Partikel, ein Eiskorn oder eine andere Oberflächenunregelmäßigkeit auf das Material, kann dieses teilweise elastisch nachgeben, ohne dass sich sofort ein Materialfragment ablöst.
Die Zugabe einer steifen, verstärkenden Komponente begrenzt die Verformung der Polymermatrix und erhöht deren Formstabilität.
Gleichzeitig können sich jedoch lokale Spannungen in der Umgebung der Füllstoffpartikel konzentrieren.
Sind Menge, Art oder Verteilung des Füllstoffs ungeeignet, kann die Polymermatrix im Bereich der Partikel geschädigt werden.
Die Partikel können sich allmählich lockern und aus der Matrix herausgelöst werden, wodurch es zu einem lokalen Ausbrechen oder Abbröckeln des Oberflächenmaterials kommt.
Eine verbesserte Formstabilität kann daher mit einer erhöhten Anfälligkeit für abrasiven Verschleiß einhergehen.
Vereinfacht ausgedrückt nimmt reines UHMWPE einen Teil der Belastung durch elastische Verformung auf, während sich ein steiferer Verbundwerkstoff weniger verformt, unter Umständen jedoch anfälliger für lokale Schädigungen und das Herauslösen von Partikeln ist.
Es besteht somit ein Zielkonflikt zwischen Formstabilität, Bearbeitungsqualität, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit.
Das optimale Skibelagmaterial muss daher weder das weichste noch das härteste sein.
Seine Zusammensetzung und innere Struktur müssen so abgestimmt sein, dass es sich während des Schleifvorgangs möglichst wenig verformt, eine saubere Materialtrennung ermöglicht und nur eine minimale Menge unerwünschter Fasern bildet.
Gleichzeitig muss es die Geometrie der Struktur unter Belastung bewahren und eine ausreichende Zähigkeit sowie Verschleißfestigkeit aufweisen.
Die Qualität der entstehenden Struktur wird daher nicht allein durch den Schleifstein und die Maschineneinstellungen bestimmt.
Sie wird auch wesentlich durch die Zusammensetzung des Skibelagmaterials beeinflusst: durch die Eigenschaften der UHMWPE-Matrix, Art und Menge der zugesetzten Partikel, deren Größe und Struktur, die Qualität ihrer Verteilung sowie den Verlauf des Sinterprozesses.
Dieselbe Struktur, die mit demselben Schleifstein hergestellt wird, muss auf unterschiedlichen Materialien daher nicht dieselbe Geometrie, Oberflächenqualität oder Funktion aufweisen.
Das Skibelagmaterial ist nicht lediglich ein passiver Träger der Struktur. Es bestimmt aktiv mit, wie präzise die Struktur hergestellt werden kann, wie sauber ihre Oberfläche ausfällt und in welchem Umfang sie ihre Geometrie unter den tatsächlichen Belastungen beim Skilaufen beibehält.