A nano-$MoS_2$/montmorillonite K-10 (K10) composite was prepared and characterized. The composite contains two types of 2H-$MoS_2$ nanoparticles. One is the hollow spherical $MoS_2$ with a size range of 75 nm, and the other is the spherical nano cluster of $MoS_2$ with a size range of 30 nm. The two kinds of nano-$MoS_2$ were formed via assembly of numerous $MoS_2$ nano-platelets with a size of ~10 nm. A tribological comparison was then made among nano-$MoS_2$/K10, K10, nano-$MoS_2$ and a mechanical mixture of K10 and nano-$MoS_2$. K10 reduced the wear but slightly increased the friction. Nano-$MoS_2$ remarkably reduced both friction and wear. The mechanical mixture demonstrated better wear resistance than nano-$MoS_2$, indicating a synergistic anti-wear effect of nano-$MoS_2$ and K10. The synergistic effect was reinforced using nano-$MoS_2$/K10 instead of the mechanical mixture. A part of the $MoS_2$ in the contact region always lubricated the friction pair, and the rest formed a tribofilm. K10 segregated the friction pair to alleviate the ablation wear but magnified the abrasive wear. S-$MoS_2$ protects K10 and they together function as both a lubricant and an isolating agent to reduce the ablation and abrasive wear.
PTFE has good mechanical and chemical stability at a wide range of temperatures and demonstrates a low friction coefficient value. PTFE is being used for self-lubricating parts in industry. But it shows a high wear rate. Thus, PTFE and nano-diamond powder were mixed into a composite and the wear properties of a PTFE coating layer on Al6061 was investigated. A ball-on-disk type of wear tester was used under a dry condition and different temperatures of oil. After the wear test, the wear track wasexamined by optical microscope. The PTFE-diamond showed the lowest friction coefficient (0.02) of all the lubricants in the experiments. The friction coefficient was shown to be directly related to the diamond powder in the PTFE coating. Adhesion estimations were performed by a scratch test, which is mainly used for coatings. The critical load between the coating and substrate was defined through analyses of the friction load, normal load curve, and acoustic emissions, along with optical microscope observations. The scratch test results showed that an import item (SWISS) gave the highest critical load values.
In this study, lubrication characteristics of sliding members were compared with the change of the hardness of friction surfaces and the application of nano-oil. The materials of the specimens were gray cast iron (AISI 35, AISI 60) and nickel chromium molybdenum steel (AISI 4320). The Friction coefficients and the temperature variations of on the frictional surfaces were measured by disk-on-disk tribotester under the condition of fixed rotating speed. The friction surfaces were observed by scanning electron microscope (SEM). In the results, the friction coefficients of the disk surface were increased as hardness difference was increased. The friction coefficient lubricated in nano-oil was less than mineral oil. This is because a spherical nano particle plays a tiny ball bearing between the frictional surfaces, improved the lubrication characteristics.
Nano/micro-scale studies on friction properties were conducted on Si (100) and three self-assembled monolayers (SAMs) (PFOTC, DMDM, DPDM) coated on Si-wafer by chemical vapor deposition technique. Experiments were conducted at ambient temperature $(24{\pm}1^{\circ}C)$ and humidity $(45{\pm}5\%)$. Nano-friction was evaluated using Atomic Force Microscopy (AFM) in the range of 0-40nN normal loads. In both Si-wafer and SAMs, friction increased linearly as a function of applied normal load. Results showed that friction was affected by the inherent adhesion in Si-wafer, and in the case of SAMs the physical/chemical structures had a major influence. Coefficient of friction of these test samples was also evaluated at the micro-scale using a micro-tribotester. It was observed that SAMs had superior frictional property due to their low interfacial energies. In order to study of the effect of contact area on friction coefficient at the micro-scale, friction was measured for Si-wafer and DPDM against Soda Lime balls (Duke Scientific Corporation) of different radii 0.25 mm, 0.5 mm and 1 mm at different applied normal loads $(1500,\;3000\;and\;4800{\mu}N)$. Results showed that Si-wafer had higher friction coefficient than DPDM. Furthermore, unlike that in the case of DPDM, friction was severely influenced by wear in the case of Si-wafer. SEM evidences showed that solid-solid adhesion to be the wear mechanism in Si-wafer.
Abstract : Nano/micro-scale friction properties were investigated on Si (100) and three self-assembled monolayers (SAMs) (PFOTC, DMDM, DPDM) coated on Si-wafer by chemical vapor deposition technique. Experiments were conducted at ambient temperature(24$pm$1$circ$C) and humidity(45$pm$5%). Friction at nano-scale was measured using Atomic Force Microscopy (AFM) in the range of 0-40nN normal loads. In both Si-wafer and SAMs, friction increased linearly as a function of applied normal load. Results showed that friction was affected by the inherent adhesion in Ssi-wafer, and in the case of SAMs the physical/chemical structures had a major influence. Coefficient of friction of these test samples at the micro-scale was also energies. In order to study the effect of contact area on coefficient of friction at the micro-scale, friction was measured for Si-wafer and DPDM against Soda Lime balls (Duke Scientiffic Corporation) of different radii (0.25 mm, 0.5 mm and 1 mm) at different applied normal loads (1500, 3000 and 4800 mN). Results showed that Si-wafer had higher coefficient of friction than DPDM. Further, unlike that in the case of DPDM, friction in Si-wafer was severely influenced by its wear. SEM evidences showed that solid-solid adhesion was the wear mechanism in Si-wafer.
The film is prepared by electron cyclotron resonance chemical vapor deposition (ECRCVD) employing CH$_4$ and H$_2$ gases. It is deposited by the control of microwave plasma power, gas flow ratio, deposition pressure, and In-situ thermal treatment temperature. The structure of a-C:H (hydrogenated amorphous carbon) thin film is analysed by FT-IR spectroscopy. The fraction sp$^3$ versus sp$^2$ bonding is very important to clear up the surface and interrace of a-C:H film properties such as nano-scale friction behavior. The sp$^3$ versus sp$^2$ bonding of a-C:H thin film is dependent on the deposition conditions, therefore. nano-scale friction behavior is dependent on the deposition conditions.
Silicon micro-patterns were fabricated on Si (100) wafers using photolithography and DRIE (Deep Reactive Ion Etching) fabrication techniques. The patterned shapes included micro-pillars and micro-channels. After the fabrication of the patterns, the patterned surfaces were chemically modified by coating Z-DOL (perfluoropolyether, PFPE) thin films. The surfaces were then evaluated for their micro-friction behavior in comparison with those of bare Si (100) flat, Z-DOL coated Si (100) flat and uncoated Si patterns. Experimental results showed that the chemically treated (Z-DOL coated) patterned surfaces exhibited the lowest values of coefficient of friction when compared to the rest of the test materials. The results indicate that a combination of both the topographical and chemical modification is very effective in reducing the friction property. Combined surface treatments such as these could be useful for tribological applications in miniaturized devices such as Micro/Nano-Electro-Mechanical-Systems (MEMS/NEMS).
Nano adhesion between SPM(scanning probe microscope) tips and DDPO$_4$(octadecylphosphoric acid ester.) and ODPO$_4$(octadecylphosphoric acid ester) SAM(self-assembled monolayer.) was experimentally studied. Tests were performed to measure the nano adhesion and friction in both AFM(atomic force microscope) and LFM(lateral force microscope) modes with the applied normal load. DDPO$_4$ and ODPO$_4$ SAM were formed on Ti and TiOx surfaces. Ti and TiOx were coated on the Si wafer by ion sputtering. Adhesion and friction of DDPO$_4$ and ODPO$_4$ SAM surfaces were compared with those of OTS(octadecyltrichlorosilane) SAM and DLC surfaces. DDPO$_4$ and ODPO$_4$ SAM converted the Ti and TiOx surfaces to be hydrophobic. When the surface was hydrophobic, the adhesion and friction forces were found lower than those of bare surfaces. Work of adhesion was also discussed to explain how the surface was converted into hydrophobic Results also showed that tribological characteristics of DDPO$_4$ and ODPO$_4$ SAM had good properties in the adhesion, friction, wetting angle and work of adhesion. DDPO$_4$ and ODPO$_4$ SAM could be one of the candidates for the bio-MEMS elements.
Nano adhesion and friction characteristics between SPM(scanning electron microscope) tips and flat plates of different materials were experimentally studied. Tests were performed to measure adhesion and friction in AFM(atomic force microscope) and LFM(lateral force microscope) modes in different conditions of relative humidity. Three different Si$_3$N$_4$ tips (rdaii : 15nm, 22nm and 50 nm) and three different flat plates of Si-wafer(100), W-DLC(tungsten-incorporated diamond-like carbon) and DLC were used. Results generally showed that adhesion and friction increased with the tip radius, and W-DLC and DLC surfaces were superior to Si-wafer. But the adhesion force of Si-wafer showed non linearity with the tip radius while W-DLC and DLC surfaces showed good correlation to the “JKR model”. It was found that high adhesion force between Si-wafer and a large radius of tip was caused by a capillary action due to the condensed water.
The friction force of patterned needle in elastomer have been investigated to verify the application for bio and plastic industry. The micro pattern on the needle surface were prepared by 266 nm, 20 ns laser and 800 nm, 220 fs laser, which were able to generate the different surface roughness. The friction force was measured by the load cell of 10 N capacity. As the results, the friction force of no patterned needle is almost constant during the needle penetrates the silicone rubber sample. However, the needle having asperities shows the variation of the friction force. The higher the surface roughness is, the smaller the friction force is until the surface roughness is very high. In our experiment conditions, the reduction of the friction force by 20 % compared to no pattern needle was achieved with straight and $50{\mu}m$ discrete line generated by 266 nm, 20 ns laser.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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