EN The influence of adhesion, sliding velocity and loading force on dry friction in low-friction nanocoatings

polish

PL W niniejszej pracy, mającej charakter eksperymentalny i interdyscyplinarny, przybliżono problemy związane z zagadnieniami nanoadhezji oraz nanotarcia w warunkach niskiej wilgotności względnej (< 4%). W pracy przeanalizowano wpływ szeregu parametrów na adhezję oraz tarcie nanopowłok niskotarciowych: szybkości separacji i przesuwu, siły nacisku, powierzchni kontaktu rzeczywistego, temperatury redukcji (w przypadku zredukowanego tlenku grafenu), a także tych, związanych z budową cząsteczek wykorzystanych do wytworzenia części nanopowłok. Szczególną uwagę przywiązano do analizy wpływu adhezji suchej na tarcie w nanoskali. Adhezję oraz tarcie scharakteryzowano dla wybranych materiałów, mających szansę w przyszłości znaleźć zastosowanie w roli powłok niskotarciowych, ograniczających tarcie i zużycie części ruchomych w technice. Poruszana w pracy tematyka związana z adhezją i tarciem integruje ze sobą wiele obszarów nauki, takich jak: fizyka, inżynieria materiałowa, chemia czy nanotechnologia. W pracy, jako główne narzędzie pomiarowe, wykorzystano mikroskop sił atomowych (AFM), pracujący w trybach spektroskopii siły oraz mikroskopii sił poprzecznych. Pomiary AFM wykonano w atmosferze argonu, w komorze środowiskowej. Materiały, tworzące układy typu: nanopowłoka tlenek krzemu (ostrze AFM niemodyfikowane) oraz nanopowłoka-nanopowłoka (ostrze AFM modyfikowane), wybrano ze względu na niski stan wiedzy o nich z zakresu nanotribologii. Łącznie, w pracy przebadano 42 unikalne układy podłoże ostrze AFM. W rozprawie scharakteryzowano materiały, będące reprezentantami trzech rodzajów nanopowłok: nieuporządkowanych nanowarstw (cząsteczki fluorosilanów osadzone na powierzchni Si(100)), samoorganizujących się monowarstw (cząsteczki tioli osadzone na powierzchni Au(111)) oraz jednowarstwowych płatków tlenku grafenu, osadzonych na powierzchni Si(111). Cząsteczki zastosowane w roli budulca nanopowłok różnią się: długością łącznika alkilowego, jego rodzajem (alkilowy bądź pierścieniowy) oraz rodzajem grupy funkcyjnej – o charakterze hydrofobowym lub hydrofilowym. Do wytworzenia nanopowłok wykorzystano trzy cząsteczki fluorosilanów różniących się długością łącznika alkilowego (3, 6 i 10 atomów węgla). W przypadku tioli, wykorzystano pięć różnych cząsteczek o długości łącznika alkilowego od 9 do 18 atomów węgla, jak i dwie cząsteczki o łańcuchu zbudowanym z dwóch pierścieni fenylowych. Ostrza AFM zmodyfikowano za pomocą cząsteczek fluorosilanów o długości łącznika 6 atomów węgla, a także za pomocą cząsteczek tioli o następujących długościach łącznika węglowego: 9, 10 oraz 18 atomów węgla. W związku z możliwością zabrudzenia ostrza AFM, w wielu eksperymentach każdorazowo wykorzystywano nowe ostrza. W celu możliwie wiernego pomiaru wartości sił nacisku, adhezji oraz tarcia, precyzyjnie kalibrowano mikrobelki AFM – wyznaczone niepewności względne otrzymywanych współczynników kalibracyjnych nie przekraczały 3%. W celu kalibracji ugięcia normalnego jak i skręcenia sond pomiarowych posługiwano się komercyjnymi mikrobelkami referencyjnymi. Z kolei w celu możliwie precyzyjnego określenia promieni krzywizny ostrzy AFM, kontroli ich zużycia oraz stopnia zabrudzenia na skutek przeprowadzonych eksperymentów, obrazowano je za pomocą techniki skaningowej mikroskopii elektronowej. Wytworzone nanopowłoki scharakteryzowano, biorąc pod uwagę czynniki takie jak: topografia i jakość powierzchni, skład chemiczny oraz grubość. Charakteryzacji dokonano za pomocą szeregu technik uzupełniających: skaningowej mikroskopii tunelowej, mikroskopii optycznej, nanoindentacji, mikroanalizy rentgenowskiej, pomiaru kąta zwilżania i/lub energii powierzchniowej, elipsometrii, spektrometrii mas jonów wtórnych oraz pomiarów ramanowskiego rozpraszania światła. W rozprawie położono nacisk na interpretację wyników oraz analizę porównawczą danych adhezji i tarcia, a także ilościową, dotyczącą zrywania wiązań adhezyjnych w obrębie nanokontaktu. W celu przedstawienia opisu ilościowego, posłużono się wybranymi modelami termicznie aktywowanej ucieczki ze studni potencjału: Bella Evansa, Dudko Hummera Szabo, Friddle'a Noya De Yoreo oraz Prandtla Tomlinsona. Ostatni z wymienionych modeli służy do analizy zależności siły tarcia od szybkości przesuwu. Pozostałe modele opisują zjawisko adhezji. Dzięki zastosowanym modelom określono wielkości opisujące wiązania adhezyjne: położenie i – w przypadku niektórych modeli – wysokość barier aktywacji, czasy życia wiązań adhezyjnych oraz inne parametry. Wyznaczone wielkości pozwoliły na ilościowe porównanie poszczególnych nanokontaktów. Model Friddle'a Noya De Yoreo umożliwił ponadto uwzględnienie procesu odtwarzania wiązań, prawdopodobnego w przypadku niewielkich szybkości obciążania. W rozprawie podjęto również próbę opisu zależności siły tarcia od szybkości przesuwu za pomocą modelu Dudko Hummera Szabo, dedykowanego adhezji, zakładając termicznie aktywowane kolektywne ścinanie oraz tworzenie nowych wiązań adhezyjnych wzdłuż kierunku poślizgu. Ponadto, pokazano wyjątkowe znaczenie relacji szybkości przesuwu i siły nacisku w procesach tarcia suchego, dokonując analizy złożonych zależności dynamicznych tarcia. Dodatkowo, wyznaczono kinetyczne współczynniki tarcia dla wszystkich badanych układów. W przypadku nanopowłok fluorosilanów oraz tioli, oszacowano liczbę molekuł w nanokontakcie wykorzystując model Johnsona Kendalla Robertsa. Wobec nanopowłok fluorosilanów, ze względu na znaczne grubości otrzymanych nanowarstw, do opisu nanokontaktu dodatkowo wykorzystano model Maugis Dugdale'a, uproszczony przez Carpicka i jego współpracowników. Pokazano także szereg nadzwyczaj interesujących zjawisk, jak na przykład anomalny (ujemny) kinetyczny współczynnik tarcia, występowanie charakterystycznego minimum siły tarcia w funkcji szybkości przesuwu i obciążenia, czy znaczenia procesu redukcji grup tlenowych w procesach tarcia. Podjęto także próbę wskazania konkretnych układów materiałów spośród zbadanych nanopowłok, stanowiących przyszłościową alternatywę dla tych obecnie stosowanych w mikro- i nanourządzeniach elektromechanicznych.

EN This experimental and multidisciplinary thesis highlights problems related to nanoadhesion and nanofriction in low relative humidity conditions (< 4%). The influence of a number of parameters on adhesion and friction phenomena for selected low-friction nanocoatings such as: separation and sliding rate, loading force, true contact area, reduction temperature (reduced graphene oxide only), as well as these, related with the structure of molecules used as building blocks for a part of nanocoatings were analyzed. Particular attention has been paid in order to determine the influence of dry adhesion on nanoscale friction. The adhesion and friction were characterized for selected materials that may be used as low-friction coatings reducing friction and wear in movable parts in technology. The topic of this thesis, related to adhesion and friction, integrates many fields of science: physics, materials engineering, chemistry and nanotechnology. The atomic force microscope (AFM) operated in the force spectroscopy and the lateral force microscopy modes was used in this work as a major measurement tool. The AFM measurements were done in environment chamber filled with argon. Samples in the configuration: nanocoating silicon oxide (non-modified AFM tip) and nanocoating nanocoating (modified AFM tip) were chosen due to a lack of basic knowledge about these systems in the field of nanotribology. 42 unique sample AFM tip systems were characterized as representatives of three nanocoating types: unordered nanolayers (fluoroalkylsilane molecules deposited on Si(100) surface), self-assembled monolayers (thiol molecules deposited on Au(111) surface), and single-layer graphene oxide flakes deposited on Si(111) surface. The molecules used as building blocks for nanocoatings differ in a number of structural properties: the alkyl chain length, its type (alkyl or cyclic) and hydrophobic or hydrophilic functional group. Three fluoroalkylsilane molecules with different alkyl chain lengths (3, 6 and 10 carbon atoms) were used to prepare nanocoatings. For thiols, five different molecules with alkyl chain built of 9 to 18 carbon atoms, as well as two molecules with two phenyl rings in chain structure were used. The AFM tips were modified with fluoroalkylsilane molecule (6 carbon atoms in the chain structure), as well as with selected thiols (9, 10 and 18 carbon atoms in the chain structure). In the majority of performed experiments each sample was scanned with a new AFM tip due to the possible contamination events. All the AFM cantilevers were carefully calibrated in order to allow precise determination of the loading, adhesion and friction force values. The total relative uncertainties of the calibration coefficients did not exceed 3%. The commercial reference cantilevers were used for the calibration purposes of the normal and lateral deflection of the cantilevers destined to nanotribological experiments. The scanning electron microscopy was used to visualize the AFM tips to determine the tip radius and to control their wear and contamination. The nanocoatings were characterized in terms of surface topography and its quality, chemical composition and thickness. Many additional techniques have been used for the characterization: scanning electron microscopy, optical microscopy, nanoindentation, Roentgen microanalysis, wetting angle and/or surface energy measurements, ellipsometry, secondary ion mass spectrometry, and Raman scattering. Particular emphasis in the presented thesis was placed on data interpretation, the comparative analysis of the adhesion and friction data, as well as the quantitative analysis of the rupture of adhesion bonds within the nanocontact. The quantitative analysis was performed using a number of mathematical models describing the thermally activated escape from the potential well: Bell Evans, Dudko Hummer Szabo, Friddle Noy De Yoreo and Prandtl Tomlinson. The latter is subjected to the analysis of the friction force on sliding velocity dependence. The rest of the aforementioned models describe adhesion phenomena. On the basis of described mathematical models it was possible to determine a number of physical quantities which characterize adhesion bonds: the position and – in the case of some models – height of the activation barriers, their effective life times and others. The physical quantities found in this way enabled the quantitative comparison of the nanocontacts. In addition, the Friddle Noy De Yoreo model allowed taking into account the rebinding process, which is probable in case of relatively low loading rates. An attempt was made in order to use the Dudko Hummer Szabo model, which is dedicated to adhesion phenomena, to describe the dependence of friction force on sliding velocity. This was possible due to the assumption that the thermally activated collective shear and the creation of new adhesion bonds take place parallel to the sliding direction. Moreover, analyzing the dynamic friction dependencies the significance of the ratio of the sliding velocity to the loading force in dry friction processes was shown. The kinetic coefficients of friction were determined for all tested systems. For the nanocoatings based on fluoroalkylsilanes and thiols also a number of molecules in the nanocontact was estimated. This was done using the Johnson Kendall Roberts model. In addition, due to the relatively large thicknesses of prepared nanolayers, the fluoroalkylsilane samples were subjected to an additional nanocontact analysis with the Maugis Dugdale model, simplified by Carpick and others. In this work a number of extremely interesting phenomena, for instance: negative kinetic coefficient of friction, characteristic minimum of the friction force in function of the sliding velocity and loading force or the importance of the reduction process of oxygen groups in graphene oxide was also shown. An attempt was made to identify systems based on the tested nanocoatings which could be used in the future in micro- or nanoelectromechanical devices.

267

engineering and technical sciences

materials engineering

DrOIN 2161

to2022500519

Download file

public

Ireneusz Piwoński

Łódź, Polska

15.02.2022

polish

Download file

public

Andrzej Sikora

Wrocław, Polska

28.02.2022

polish

Download file

public

dissertation

Poznań, Polska

13.04.2022

Rada Dyscypliny Inżynieria Materiałowa Politechniki Poznańskiej

doktor nauk inżynieryjno-technicznych w dyscyplinie: inżynieria materiałowa