Combining carbon nanoparticle coatings with textured surfaces for enhanced solid lubrication

Abstract

Combining carbon nanoparticle coatings with textured metallic surfaces forms an effective solid lubrication system. As the adhesion of nanocarbons on metallic surfaces is poor, the sustained lubricity of this system is based on storing the nanocarbons in the topographical minima of the texture from where the particles are continuously supplied directly to the contact. This dissertation investigates various aspects of this lubrication system, including the primary lubrication and degradation mechanisms of the particles in the contact, and their lubricity under extreme operating environments. Furthermore, the structural depth of the surface texture is optimized to improve the lubricity of carbon nanoparticle coatings. The obtained results strongly and consistently indicate that rolling is not the primary lubrication mechanism of carbon nanotubes. Instead, a multi-step lubrication mechanism based on progressing particle amorphization and the saturation of superficial dangling bonds is proposed. Among all the tested carbon nanoparticles, carbon nanotubes exhibit superior lubricity in ambient conditions. In contrast to the other particles, patch formation on the textures is observed with the carbon nanotubes which likely contributes to their enhanced tribological properties. The carbon nanotubes also demonstrate superior lubricity compared to the other examined lubricant coatings (including conventional solid lubricants) under high loads and otherwise ambient conditions.

Die Kombination von Kohlenstoff-Nanopartikel-Beschichtungen mit strukturierten Metalloberflächen bildet ein effektives Festschmiersystem. Aufgrund der schwachen, nichtkovalenten Haftung von Nanokohlenstoffen auf metallischen Oberflächen, beruht die Schmierfähigkeit dieses Systems auf der Speicherung der Nanokohlenstoffe in den topografischen Minima der Struktur. Im Rahmen dieser Dissertation werden verschiedene Aspekte dieses Schmiersystems untersucht, z.B. die primären Schmier- und Degradationsmechanismen, und ihre Schmierfähigkeit unter extremen Betriebsbedingungen. Des Weiteren wird die Tiefe der Oberflächenstruktur optimiert, um die Schmierfähigkeit der Kohlenstoff-Nanopartikel-Beschichtungen zu verbessern. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Rollen nicht der primäre Schmiermechanismus der Carbon Nanotubes ist. Stattdessen wird ein mehrstufiger Schmiermechanismus vorgeschlagen, der auf fortschreitender Amorphisierung der Partikel sowie der Sättigung oberflächlicher, gebrochener Kohlenstoff- Bindungen beruht. Unter Umgebungsbedingungen weisen Carbon Nanotubes die beste Schmierfähigkeit aller getesteten Kohlenstoff-Nanopartikel auf, diese ist aller Wahrscheinlichkeit nach zumindest in Teilen auf die Bildung von Carbon Nanotube-Patches auf den Oberflächenstrukturen zurückzuführen. Die Carbon Nanotubes weisen auch im Vergleich zu den anderen untersuchten Schmierstoffbeschichtungen bei hohen Lasten und unter atmosphärischen Bedingungen eine überlegene Schmierfähigkeit auf.