University of Groningen
Self-adaptive and self-healing nanocomposite tribocoatings
Cao, Huatang
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date: 2019
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Cao, H. (2019). Self-adaptive and self-healing nanocomposite tribocoatings. University of Groningen.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
133
S
AMENVATTING
In dit proefschrift worden het technische ontwerp en de materiaalkundige werking van coatings met ultra-lage wrijvingscoëfficiënten die zichzelf aan de omgeving aanpassen en ook zelf de interne defecten herstellen in detail bestudeerd. Het werk
concentreert zich op nanocomposiet WS2/a-C(H) coating. WS2 staat bekend om zijn
goede smeergedrag. De brede toepassing ervan wordt echter beperkt door de slechte tribologische eigenschappen in lucht of in een vochtige omgeving. Bovendien kent
het materiaal een laag draagvermogen. Deze nadelen maken WS2-basiscoatings
minder aantrekkelijk voor praktische toepassingen in een extreme omgeving en onder hoge contactbelasting. Ons uiteindelijke doel is gericht op het produceren van
WS2 waarbij de poreuze structuur van microscheuren wordt geheeld en het
tribo-systeem zelfherstellend wordt. In het kader van het promotieproject hebben we WS2
gemaakt met een amorfe koolstofmatrix met behulp van geavanceerde magnetron sputteren methoden. We hebben ook het standaard idee verlaten om "ideale" defectvrije coatings aan te brengen; in plaats daarvan richten we ons op zelfaanpassende en zelfherstellende materiaalsystemen.
In hoofdstuk 3 worden WS2/a-C coatings met verschillende koolstofgehaltes (0~65
at.%) gedeponeerd op monokristal silicium wafers door magnetron co-sputteren van
één grafiet en twee WS2 targets onder verschillende Ar stroomsnelheden. Het blijkt
dat het verhogen van de argonstroomsnelheid (hogere depositiedruk) de chemische stoichiometrische S/W-verhouding verhoogt, maar ten koste van de coatingdichtheid. De coating wordt geleidelijk poreus en vertoont een kolomvormige morfologie. Tevens zorgt de methode van preferentieel opnieuw sputteren van zwavel, gestimuleerd door atomaire botsingen bij lage Ar-druk, voor een lage stoichiometrische verhouding in de coatings. De hardheid van de coatings neemt toe bij een toenemend koolstofgehalte of met een afnemende Ar stroomsnelheid. Met name de hardheid piekt bij 10,6 GPa in de coating met ongeveer 40 atoom % C bij een argonstroomsnelheid van 10 sccm. Tribotesten tonen aan dat, samen met een
ultralage slijtagesnelheid van 10-7 mm3 m-1N-1, de wrijvingscoëfficiënt erg laag blijft
zoals 0,02 in droge lucht (5% RH) en ongeveer 0,15 in vocht (55% RH) . Het is vrij
stabiel binnen een testafstand van 1000 m. In tegenstelling tot de literatuur, hebben
we laten zien dat een zuivere WS2 coating, wanneer gedeponeerd bij een relatief lage
druk met een hardheid van ongeveer 3 GPa, ook kan overleven over een lange testafstand van 1000 m.
In lijn met hoofdstuk 3 wordt in hoofdstuk 4 verder ingegaan op het effect van de afstand tussen het sputtertarget en het substraat alsmede de negatieve biasspanning
op de S/W-verhouding in zowel de co-gesputterde WS2/a-C als de reactief
gesputterde WS2/a-C:H coatings. Het bleek dat bij het vergroten van deze afstand van
70 mm naar 290 mm, de stoichiometrische S/W verhouding toeneemt van 0,51 naar 1,89. Bovendien wordt zwavelpreferente resputtering sterk verergerd als er een
Samenvatting
negatieve biasspanning wordt toegepast. Een fysische verklaring gebaseerd op de theorie van de energiemomentoverdracht wordt daarom voorgesteld om deze verschijnselen van de zwavelpreferente resputtering te begrijpen. Bovendien bleek
uit experimentele resultaten dat het niet nodig is om de stoichiometrische WS2 in de
WSxC(H) coatings te bereiken; bijvoorbeeld, een S/W ratio boven 0,95 is voldoende
voor een lage CoF van 0,05 (in droge lucht) en 0,10 (in normale omstandigheden). Het totale zwavelgehalte in de coatings kan wel belangrijker zijn. Deze studie geeft ook aan dat koolstof op zijn minst de rol van smeereigenschappen kan spelen in een
vochtige omgeving. De niet-reactieve WS2/a-C coating is superieur vergeleken met de
WS2/a-C:H coating voor de toekomstige ontwikkeling van zelfaanpassende coatings
in een omgeving met uiteenlopende vochtigheid.
Hoofdstuk 5 rapporteert het omkeerbare zelfaanpassende tribologische gedrag van
WS2/a-C coating door tijdens de glijdende testomstandigheden de
omgevings-vochtigheid meerdere malen af te wisselen tussen droge lucht (5% relatieve vochtigheid) en vochtige lucht (55% relatieve vochtigheid). Het tribologisch gedrag bleek omkeerbaar als de test atmosfeer afwisselt tussen droge lucht en vochtige lucht. Geavanceerde focus-ionenbundeltechniek werd vervolgens toegepast om TEM-lamellen te snijden op zowel de slijtagebaan als het gersleten litteken op de testkogel.
HR-TEM observaties laten zien dat WS2 plaatjes zich herschikken parallel aan de
afschuifrichting. Dit komt overeen met een korte tribologische looptijd en betekent dus een zelfaanpassende "wrijvingsloze" respons.
De directe HR-TEM bevestiging van de heroriëntatie van WS2 plaatjes in de tribofilm
stimuleert ons in hoofdstuk 6 om de potentiële zelfhelende mogelijkheden in tribocoatings van nano- naar microschaal verder te onderzoeken door het volgende idee te testen: door glijdend contact heroriënteren zich de afzonderlijke TMD nanoplaatjes en vormen een gesloten continue tribofilm die daarmee de schade op een adaptieve manier weet te herstellen.
We gebruiken een CSM kras tester om doelbewust twee soorten gekerfde scheuren te induceren om de potentiële schade aan coatings na te bootsen in echte technische omstandigheden: de ene is ~2 µm breed, en de andere tot 45 µm breed. De onderbroken in-situ waarnemingen van de slijtage-evolutie in de beschadigde gebieden wijzen erop dat beide soorten schade met succes en op autonome wijze kunnen worden geheeld ,. In feite fungeren de gekerfde beschadigingen als een soort microreservoirs voor het herstellen van ‘puin’ dat in een later stadium wordt
omgezet in een tribofilm bestaande uit goed uitgelijnde WS2-smeermiddelen. In die
zin kan de schade aan het oppervlak worden geheeld met gunstige effecten bij de
smering van de WS2/a-C-coating.
Onze studie werpt nieuw licht op de noodzaak om defectvrije coatings te hebben voor tribo-toepassingen. Door onze inzichten wordt de efficiëntie van de productie van de coating vergemakkelijkt en worden de kosten voor industriële toepassingen
Samenvatting
135
een gebogen grensvlak, wat betekent dat de heroriëntatie gepaard moet gaan met het glijden op locale schaal langs de gebogen interface van de inkeping tijdens het vullen van de tribofilm.
