Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Badania wpływu budowy i modyfikacji powierzchni na właściwości tribologiczne powłok ditlenku tytanu otrzymywanych metodą zol-żel

Piwoński I.

Zeszyty Naukowe. Rozprawy Naukowe / Politechnika Łódzka

|

2012

|

Z. 433

1--198

PL

Struktura niniejszej rozprawy habilitacyjnej jest oparta na trzech częściach. Pierwsza z nich przedstawia przegląd dostępnej literatury dotyczącej właściwości tribologicznych powłok ditlenku tytanu. Druga część przedstawia najważniejsze osiągnięcia autora na polu badań tribologicznych cienkich powłok ditlenku tytanu otrzymywanych metodą zol-żel. Łącznikiem między nimi jest zwięzły opis przygotowania powłok, metod ich modyfikacji i zastosowanych technik eksperymentalnych. Przeprowadzony przegląd literatury pozwolił na wysunięcie wniosku, że właściwości tribologiczne ditlenku tytanu, materiału powszechnie stosowanego jako składnik nowoczesnych materiałów, nie zostały dostatecznie poznane. Pomimo rosnącej liczby publikacji dotyczących ditlenku tytanu stosunkowo mało z nich dotyczy ich właściwości tarciowych. Praca którą trzymacie Państwo w rękach wypełnia tę lukę. Jednocześnie praca ta stanowi wkład w pogłębienie wiedzy o właściwościach tribologicznych powłok ditlenku tytanu otrzymywanych metodą zol-żel. Celem pracy było zbadanie czynników wpływających na właściwości tribologiczne powłok ditlenku tytanu wytwarzanych na płytkach krzemowych z zastosowaniem metody zol-żel. Metoda ta pozwala na optymalizację i przygotowanie powłok ditlenku tytanu w powtarzalny sposób o ustalonych właściwościach. Należy podkreślić, że testy tarciowe prowadzono na mikrotribometrze - aparacie pracującym w zakresie obciążeń miliniutonów. Był on specjalnie zaprojektowany i zbudowany do badań tribologicznych cienkich powłok ceramicznych. Ten innowacyjny aparat powstał wg projektu dr. hab. Grzegorza Celichowskiego z Katedry Technologii i Chemii Materiałów Uniwersytetu Łódzkiego oraz został skonstruowany we współpracy z Instytutem Technologii Eksploatacji w Radomiu. Topografię oraz fizykochemiczne właściwości powłok były także charakteryzowane z zastosowaniem takich technik jak mikroskopia sił atomowych (AFM), spektroskopia w podczerwieni, mikroskopia optyczna i inne techniki. W części eksperymentalnej przedstawiono charakterystykę tribologiczną powłok ditlenku tytanu o grubości do 100 nm. Przedyskutowano wpływ temperatury wygrzewania powłok na ich strukturę i właściwości tribologiczne. Powłoki wygrzewano w 100°C, 500°C i 1000°C. W wyniku wygrzewania powstaje odpowiednio materiał amorficzny oraz tworzą się fazy anatazu i rutylu. Najniższy współczynnik tarcia technicznie suchego zarejestrowany dla styku tarciowego: powłoka zbudowana z rutylu - kulka cyrkonowa, wynosił około μ = 0,2. Jest to mniej niż w przypadku powłok wygrzewanych w temperaturze 100°C i 500°C. Powłoki wygrzewane w 1000°C wykazują również bardzo dobrą odporność na zużycie. Dobre właściwości tribologiczne powłok wygrzewanych w 500°C i 1000°C wynikają z powstawania twardych faz anatazu i rutylu oraz zwiększonej adhezji powłoki do podłoża. Następnie przebadano wpływ porowatości powłok na ich zużycie w testach tarciowych. Wykazano, że powłoki porowate wykazują znacznie mniejszą odporność na zużycie ścierne niż powłoki nieporowate. Powłoki porowate charakteryzują się także znaczną chropowatością powierzchni. Pomiary wykonane w skali nano i mikro wykazały, że wzrost chropowatości powierzchni pociąga za sobą wyższe wartości współczynnika tarcia. Badania zaprezentowane w tej pracy wykazały, że odporność na zużycie może być wzmocniona przez zastosowanie niejonowych środków powierzchniowo czynnych lub kopolimerów blokowych, zamiast środków powierzchniowo czynnych jonowych, w połączeniu z wygrzewaniem w wysokich temperaturach, tj. do 1000°C. W celu polepszenia właściwości tribologicznych powłok ditlenku tytanu wytwarzanych metodą zol-żel, zastosowano twardą fazę nanoceramiczną ZrO2. Powstałe kompozyty zbudowane z nanocząstek ditlenku cyrkonu w osnowie ditlenku tytanu wytwarzane były na płytkach krzemowych metodami przez zanurzanie i przez pokrywanie odśrodkowe oraz wygrzewane w 100°C, 500°C i 1000°C. Wykazano, że obecność nanocząstek ditlenku cyrkonu umiarkowanie obniża współczynnik tarcia tylko dla powłok wygrzewanych w 500°C w stosunku do powłok bez nanocząstek. W wyniku obecności nanocząstek obserwuje się natomiast znaczne zmniejszenie zużycia powłok. W szczególności powłoki wytworzone metodą przez pokrywanie odśrodkowe wykazywały wysoką odporność na zużycie. Obniżenie zużycia jest spowodowane wzrostem twardości powłoki oraz zmniejszeniem rzeczywistej powierzchni styku na szczytach nierówności, powodujące osłabienie oddziaływań adhezyjnych. Ostatnia część pracy poświęcona jest metodom obniżenia tarcia i zużycia poprzez modyfikację powierzchni. Po raz pierwszy zastosowano sole cynkowe dialkiloditiofosforanów (ZDTP) oraz wolne kwasy dialkiloditiofosforowe jako modyfikatory tarcia powłok ditlenku tytanu otrzymanych metodą zol-żel. Stosując te modyfikatory możliwe było obniżenie współczynnika tarcia z μ = 0,2 do μ = 0,05. Wartości te zarejestrowano odpowiednio dla powłoki ditlenku tytanu zbudowanej z rutylu i dla tej samej powłoki zmodyfikowanej kwasem di(tetradecylo-) ditiofosforowym nakładanym metodą przez zanurzanie. Analiza AFM topografii powierzchni po modyfikacji wykazała różne struktury cząsteczek ZDTP i HDTP na powierzchni w zależności od długości łańcucha alkilowego i metody nakładania. Topografie uzyskane techniką AFM wskazały również na występowanie warstw reakcyjnych kwasów HDTP na powierzchni powłoki ditlenku tytanu. Efekt ten nie jest obserwowany w przypadku cząsteczek ZDTP, które tworzą warstwy adsorpcyjne. Oprócz pochodnych dialkiloditiofosforowych badano również wpływ modyfikacji fluoroalkilosilanami na hydrofobowość powierzchni i swobodną energię powierzchniową. Pomiary wykonane w nanoskali z zastosowaniem AFM wykazały obniżenie tarcia na powłokach zmodyfikowanych fluoroalkilosilanami. Charakteryzowały się one także niższą, w stosunku do powłok niemodyfikowanych, swobodną energią powierzchniową. Nowym aspektem tej części pracy było zastosowanie dialkiloditiofosforanów mających w budowie cząsteczki łańcuchy poli(oksyetylenowe) oraz bezpośredniej polimeryzacji tlenku etylenu na powierzchni, jako modyfikatory tarcia powłok ditlenku tytanu. Ten rodzaj modyfikatorów stosowany jest w celu zwiększenia biozgodności implantów. Natomiast ich zachowanie jako modyfikatory tarcia na powłokach ditlenku tytanu opisano w tej pracy. Należy podkreślić, że większa część przytoczonych badań są to badania nowe i/lub rozszerzone. Nie były dotąd publikowane przez innych w literaturze.

EN

The structure of this work is based on three parts. The first part covers the review of the literature available today, related to the issues concerning the tribological properties of titanium dioxide coatings. The second part illustrates the most important achievements of the author in the field of the tribology of the thin titanium dioxide sol-gel coatings. The link between these two parts is a concise description of the coatings preparation, methods of their modification and applied experimental techniques. The review of the literature allowed to establish that tribological properties of titanium dioxide coatings, commonly used as a component of the modern materials, has not been fully characterized yet. In spite of the growing number of publications concerning the titanium dioxide, relatively small number of them concern its frictional properties. The work which you have in your hands fills in this gap. Simultaneously, this work constitutes a contribution in extending knowledge about the tribological properties of the thin titania sol-gel coatings. The aim of this work was investigation of the factors which influence the tribological properties of the titanium dioxide coatings deposited on silicon wafers using sol-gel method. This method enables optimization of the titanium dioxide coatings preparation, having easily achievable established properties, in the repeatable manner. It should be highlighted that frictional tests were conducted on the microtribometer - the apparatus operating in mN normal load range. It was especially designed and constructed for tribological investigation of the thin ceramic coatings. This innovative apparatus was designed according to the project presented by Prof. Grzegorz Celichowski from the Department of Materials Technology and Chemistry at the University of Lodz and constructed in cooperation with the Institute for Sustainable Technologies in Radom (Poland). The topography and physicochemical nature of coatings were also characterized by Atomic Force Microscopy (AFM), infra red spectroscopy (FT-IR), optical microscopy and other techniques. In experimental part the tribological characterization of the titanium dioxide coatings having thickness up to 100 nm was presented. The influence of the annealing temperature on the structure and the tribological properties was discussed. Coatings were annealed at 100°C, 500°C and 1000°C. As the result amorphous, anatase or rutile structures were obtained. The lowest coefficient of friction recorded on the microtribometer for these coatings, between rutile coating and zirconia ball, was on the level of μ = 0.2. It is low than in the case of coating annealed at 100°C and 500°C. Coatings annealed at 1000°C exhibited also very good wear resistance. Good tribological performance of the coatings annealed at 500°C and 1000°C is caused by the presence of hard crystalline phases (anatase, rutile) and enhanced adhesion to the substrate. Next, the effect of the porosity on the wear behavior in frictional tests was verified. It was found, that porous coatings exhibit very low wear performance than nonporous ones. Porous coatings exhibit also high roughness. Measurements performed in nano and micro scale revealed that the increase of the surface roughness causes higher coefficient of friction values. Investigations presented in this work demonstrate, that the wear resistance can be improved by application, on the preparation step, nonionic surfactants or block copolymers at low concentrations, instead of ionic surfactants combined with annealing at high temperatures up to 1000°C. In order to improve the tribological properties of titanium dioxide solgel coatings, hard zirconia nanoparticles were applied. Resulted composites, built of zirconia nanoparticles embedded in titanium dioxide matrix, were deposited on silicon wafers with the use of dip-coating or spin-coating methods and annealed at 100°C, 500°C and 1000°C. It was found that the presence of the zirconia nanoparticles moderately decreases the coefficient of friction. Slightly lower values of the coefficient of friction compared to pure titania coatings were recorded only for coatings annealed at 500°C. However, significant improvement in wear decrease was observed, due to the presence of hard zirconia nanophase. In particular, coatings deposited with the use of the spincoating method exhibited excellent wear performance. Reduction of the wear is caused by the increase of hardness of the coating and lowering of the real area of contact at the top of the asperities causing lower adhesive interactions.

2

Wear and friction behaviour of alumina thin coatings prepared by sol-gel methods

Neska-Bakus P., Piwoński I.

Tribologia

|

2011

|

nr 1

117-124

EN

In this study, alumina coatings were prepared by the sol-gel method using the dip-coating technique. All samples were prepared on silicon wafers Si (100) with the use of aluminium sec-butoxide as a precursor. The surface topographies of alumina coatings were imaged by an atomic force microscope (AFM). Tribological properties were characterised using a microtribometer and an optical microscope. The results show a strong dependence of antiwear and antifrictional properties of alumina coatings on the annealing temperatures. The best performance was exhibited by coatings heated to 1000°C due to the formation of hard alfa-Al2O3.

PL

Badane powłoki tlenku glinu zostały otrzymane w oparciu o metodę zol-żel z wykorzystaniem techniki zanurzeniowej (dip-coating). Na powierzchnie płytek krzemowych nanoszono roztwory prekursora, którym był sec-butoksyglin. Analizę topografii powierzchni wytworzonych powłok tlenku glinu przeprowadzono z wykorzystaniem Mikroskopu Sił Atomowych (AFM). Właściwości tribologiczne zostały scharakteryzowane z użyciem mikrotribometru (T-23) i mikroskopu optycznego. Uzyskane wyniki wskazały istnienie zależności między właściwościami przeciwtarciowymi i przeciwzużyciowymi powłok tlenku glinu a temperaturą wygrzewania próbek. Najlepsze właściwości wykazały powłoki wygrzewane w 1000°C, co spowodowane jest obecnością fazy alfa-Al2O3.

3

Zasada działania skaningowego mikroskopu tunelowego i mikroskopu sił atomowych oraz ich zastosowanie w badaniach tribologicznych

Grobelny J., Piwoński I.

Tribologia

|

2004

|

nr 5

79-88

PL

Artykuł przedstawia podstawy funkcjonowania i zasadę działania dwóch nowoczesnych narzędzi pozwalających na zaawansowane badania powierzchni ciał stałych: Mikroskopu Sił Atomowych (AFM) oraz Skaningowego Mikroskopu Tunelowego (STM). Pracę uzupełnia przykładowe zastosowanie mikroskopu sił atomowych do badań tribologicznych materiałów ceramicznych (TiO2).

EN

This paper presents the basics and operating principles of two modern tools designed for advanced research of solid surface: Atomic Force Microscope (AFM) and Scanning Tunneling Microscope (STM). AFM and STM are powerful tools in surface investigations especially from the point of view of intensive development of micromechanisms, what is usually accompanied with important tribological problems. This work is completed with an application example of AFM for tribological investigations of ceramic materials (TiO2).

4

Investigation of nanostructure ordering and nanofrictional properties of 0,0,S-methyl polyethoxyglycol triester of dithiophosphoric acid layer on stainless steel and on gold

Cichomski M., Margielewski L., Barylska E., Piwoński I.

Tribologia

|

2003

|

nr 2

145--158

EN

Self-assembled monolayers of 0,0,S-Methyl Polyethoxyglycol Triester of Dithiophosphoric Acid (MPEDTP) from ethanol solution on stainless steel surface and its adsorption from diisooctyl sebacate solution on stainless steel and on gold surfaces were investigated by STM techniques. STM images showed that this compound could form hemimicellar and cylindrical aggregates on solid surfaces. The size of adsorbed molecules in hemimicelles formed on steel surfaces is two times higher than one on gold surfaces. Probably molecules are deformed on steel surface much stronger than on gold surfaces. Relative coefficients of friction between silicon tip and pure steel surface as well as steel surface with deposited MPEDTP ware measured with the use of Atomic Force Microscopy (AFM).

PL

Samoorganizujące się warstwy 0,0,S-metylo- triesteru polietoksyglikolu kwasu ditiofosforowego (MPEDTP) wytworzone na powierzchni stali z roztworu etanolowego i na powierzchni stali oraz złota z roztworu sebacynianu diizooktylowego zostały zbadane skaningowym mikroskopem tunelowym (STM). Obrazy STM pokazały, że związek ten może tworzyć hemimicele i cylindryczne agregaty na powierzchni ciała stałego. Rozmiar zaadsorbowanych cząsteczek w hemimicelach uformowanych na powierzchni stali jest dwa razy większy niż na powierzchni złota. Prawdopodobnie cząsteczki są zdeformowane na powierzchni stali bardziej niż na powierzchni złota. Wyznaczono względne współczynniki tarcia pomiędzy krzemową beleczką skanującą mikroskopu sil atomowych (AFM) a czystą powierzchnią stali oraz powierzchnią stali z zaadsorbowanym MPEDTP.

5

Investigation of LB monolayers of arachidic acid with the use of atomic force microscopy

Chrobak K, Grobelny J., Cichomski M., Piwoński I.

Tribologia

|

2003

|

nr 2

159--165

EN

Deposition characteristics, film morphology and wear resistance of arachidic acid Langmuir-Blodgett (LB) films on mica were investigated. The experiment was carried out at three different surface pressures and its influence for final film morphology was evaluated. The wear resistance in scratch and durability tests with the use of Atomic Force Microscopy was verified and the film thickness was measured.

PL

W przedstawianej pracy scharakteryzowano osadzanie, morfologię i odporność na zużycie warstw LB kwasu arachidowego na mice. Podczas eksperymentu oszacowano wpływ trzech różnych wartości napięcia powierzchniowego na morfologię końcowej warstwy. Sprawdzono trwałość warstwy LB na zużycie w testach na „zdzieranie" z użyciem mikroskopu sil atomowych oraz zmierzono grubość warstwy filmu.

6

Friction force microscopy study of porous methylsilica thin films

Grobelny J., Celichowski G., Cichomski M., Koralewski K., Piwoński I.

Tribologia

|

2003

|

nr 2

19--26

EN

Atomic Force Microscopy is a modern technique designed for measuring the topography and friction of different samples in nanometer scale. The diameter of pores of methyl-silica films was determined. Frictional measurements were performed and relative coefficient of friction between the cantilever tip and the surface of investigated samples was found. These measurements showed that relative friction for modified samples (both porous and non-porous) was lower than for unmodified samples. These results indicate that investigated materials can be applied in nanotribology.

PL

Mikroskopia sił atomowych to nowoczesne urządzenie do badań topografii powierzchni próbek oraz pomiarów tarcia w skali nanometrowej. Określono średnice porów warstw metylo-krzeminkowych. Wykonano badania tarciowe i określono względny współczynnik tarcia pomiędzy ostrzem beleczki pomiarowej a powierzchniami badanych próbek. Mierzone tarcie jest znacznie mniejsze przy zmodyfikowanej powierzchni niż dla powierzchni porowatej bez modyfikacji i powierzchni nieporowatej. Przedstawione wyniki badań wykazują, iż zastosowane materiały mogą mieć zastosowanie w nanotribologii.

7

Atomic force microscope studies of mesporous silica

Piwoński I., Płaza S., Grobelny J., Jones D. J., Roziere J.

Tribologia

|

1999

|

nr 3

355-363

EN

Surface topography, and relationship of friction forces versus load forces between silicon nitride tips and mesoporous silica, were investigated.Atomic Force Microscopy (AFM) was used in our investigation.Mesoporous silicas of different porosity were used. The relative friction coefficients were determinated for a silicon nitride tip against both dry and lubricated silicas.relative friction coefficient values for lubricated surfaces are about two times lower than for dry surfaces.

PL

topografia powierzchni i zależność siły tarcia od obciążenia pomiedzy ostrzem azotku ostrzem azotku krzemu i mezoporowatej powierzchni krzemionki były badane z zastosowaniem Mikroskopu Atomowych Sił (AFM).Były uzywane mezoporowate krzemionki o różnej porowatości. Względne współczynniki tarcia pomiędzy ostrzem azotku krzemu i nie smarowana i smarowana powierzchnią krzemionki były oznaczane względne wspołczynniki tarcia dla powierzchni smarowych. generalnie są one około dwa razy mniejsze niz dla powierzchni suchej.