Modyfikacje powierzchni oraz wytwarzanie ultracienkich warstw do zastosowań tribologicznych

badania nanotechnologiczne

Badania obejmują wytwarzanie warstw mono- lub wielomolekularnych, o grubościach rzędu pojedynczych nanometrów, ze związków chemicznych posiadających bardzo dobre właściwości smarnościowe takich jak: pochodne perfluorowane, kwasy tłuszczowe, pochodne dialkiloditiofosforowe. Warstwy otrzymywane są techniką Langmuir-Blodgett (LB) oraz w procesach wykorzystujących samoorganizację związków na powierzchni (metoda SAM – self assembled monolayers),  z roztworów i z fazy gazowej. Otrzymywane nanostruktury charakteryzowane są z wykorzystaniem mikroskopii AFM i STM w celu poznania budowy otrzymywanych monowarstw, następnie badane były ich właściwości tarciowe na poziomie nano,  z wykorzystaniem mikroskopii sił bocznych FFM oraz na poziomie makro, z wykorzystaniem mikrotribometru. Jednym z sukcesów tego cyklu badań jest wytworzenie modelowej monowarstwy krzemionki na powierzchni monokrytalicznego złota a następnie zmodyfikowanie jej związkami perfluorowanymi. Tak przygotowana warstwa, analogiczna do wytwarzanej powłoki smarującej na powierzchni dysków twardych, obrazowana była z wykorzystaniem mikroskopii AFM.

Kolejnym obszarem prezentowanego projektu jest wytwarzanie, charakteryzowanie i badanie pod kątem właściwości tribologicznych ultracienkich (20-500 nm) warstw ceramicznych
i nanokompozytowych. Warstwy te nanoszone są na różne podłoża, w tym na powierzchnie monokrystalicznego krzemu. Skład materiałów nanokompozytowych dobierany jest tak aby do sieci ceramicznej wprowadzać organiczne związki znane ze swoich doskonałych właściwości tribologicznych, takich jak: pochodne kwasów dialkiloditiofosforowych, pochodne cyklofosfazenowe oraz triazynowe. W wyniku tych prac opracowano metodykę wytwarzania cienkich warstw posiadających ekstremalnie niski współczynnik tarcia dochodzący do 0,03 w warunkach tarcia suchego. Powłoki te są obecnie dokładnie badane z wykorzystaniem szeregu metod:
AFM, FT-IR, pomiary energii powierzchniowej, pomiary właściwości mechanicznych i adhezyjnych warstw - w celu stworzenia ogólnego modelu zachodzących w nich procesów tarciowych. Metodą stosowaną do wytwarzania tego typu warstw jest hydroliza alkoksylowych prekursorów krzemionki i innych metali, zwana ogólnie metodą zol-żel. Opracowano również metodykę wytwarzania mezoporowatych cienkich warstw (50-500 nm) posiadających regularny heksagonalny układ porów o wielkościach rzędu 2-7 nm. Warstwy stanowią wyjściową strukturę do budowy powłok samosmarnych, zawierających zbiorniki środka smarowego o nanometrycznych rozmiarach.

Oprócz cienkich powłok bazujących na krzemionce i jej modyfikacjach wytwarzane są również cienkie warstwy z tlenu tytanu, cyrkonu i glinu. Poddawane są one dalszym modyfikacjom w celu uzyskania powłok o jak najlepszych właściwościach tarciowych.

W ramach prezentowanych projektów intensywnie wykorzystuje się supertwarde nanocząstki ceramiczne: SiC, ZrO2, nanodiamenty w postaci czystej i o modyfikowanych powierzchniach, do wzmacniania odporności na zużycie wytwarzanych powłok nanokompozytowych.

 

Zespoły realizujące projekt:

dr hab.  Grzegorz Celichowski, prof. UŁ

dr hab. Jarosław Grobelny, prof. UŁ

dr Maciej Psarski

Wytwarzanie i badania tribologiczne kompozytów tlenku tytanu

dr hab. Ireneusz Piwoński

dr Aneta Kisielewska

Wytwarzanie i charakterystyka warstw samoorganizujących

dr hab. Michał Cichomski

Obraz AFM porowatej warstwy TiO2