In this paper, we studied coatings of the DLC thin film for improving loosening torque of dental implant screw. We used a filtered arc ion plating process which can realize the most dense DLC layer by coating the DLC thin film on the surface of the dental abutment screw. It showed both hardness comparable to diamond and low friction coefficient similar to graphite, and to improve the loosening phenomenon by increasing the screw tightening force Cr/CrN, Ti/TiN or Ti/TiN/Cr/CrN buffer layers were deposited for 5 to 10 minutes to improve the adhesion of the DLC thin film to the surface of the Ti (Gr.5), and then the DLC thin film was coated for about 15 minutes. As a result, the Cr/CrN buffer layer exhibited the highest hardness of 29.7 GPa, the adhesion of 18.62N on average, and a very low coefficient of friction of less than 0.2 as a whole. And we measured loosening torque after one million times with masticatory movement simulator. As a result, the values of the coated screw loosening torque were clearly higher than those of the uncoated screw. From this, it was found that the DLC coating was effective methods improving the loosening torque. In addition, it was confirmed that the cytotoxicity test and cell adhesion test showed high biocompatibility.
In order to characterize the adhesive properties and failure mechanisms of diamond-like carbon (DLC) films of two different thicknesses (130 nm and $1.2{\mu}m$), deposited by plasma-enhanced chemical vapor deposition on a Si substrate, scratch testing with a micro-indenter ($12.5{\mu}m$ tip radius) was performed under a linearly increasing load. These scratch tests were conducted under the same test conditions for both films. The critical load of each film was estimated from the scratch test results, based on a sharp increase in the coefficient of friction and a clear distinction of failure modes. The critical load was the basis for evaluating the adhesion strength of the films, and the $1.2{\mu}m-thick$ DLC film had superior adhesion strength. For better understanding of the failure modes, the following analyses were conducted: friction behavior and scratch tracks analysis using scanning electron microscopy, energy-dispersive spectroscopy, and 3-D profilometry. The scratch test results showed that failure modes were related to the thickness of the films. The 130 nm-thick DLC film underwent cohesive failure modes (cracks and chipping) before reaching to a gross failure stage. On the other hand, the thicker DLC film ($1.2{\mu}m-thick$) did not exhibit micro cracks before a sudden gross failure of the film together with the evidence of cracking and chipping of the Si substrate.
본 연구에서는 전자석 코일 마그네트론 소스를 가지는 비대칭 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 보호 코팅 소재로 사용되어지는 비정질 탄소박막을 제작하였다. 내부 전자석 코일의 전류를 고정하고 외부 전자석 코일의 전류를 다양하게 변화시켜 탄소 박막을 제작하였고, 제작되어진 박막들의 경도, 마찰계수, 접착력, 표면 거칠기 등의 트라이볼로지 특성들을 측정하였고, 라만과 HRTEM을 이용하여 구조적 특성을 평가하였으며, 이들 상호간에 관계를 규명하였다. 결과로서, 제작되어진 탄소박막의 경도, 마찰계수, 접착 특성은 외부 전자석 코일 전류가 증가함에 따라 향상되었으며, 이러한 결과는 박막내에 결합력이 강한 $sp^2$ 결합과 클러스터의 형성과 관련된다. 전자석 코일 전류의 증가는 전자와 이온 밀도의 증가시키고, 기판에서 이온의 충돌의 증가와 기판온도 향상을 야기한다. 이러한 현상의 박막내에 증가되어진 $sp^2$ 결합과 클러스터들의 형성은 탄소박막의 트라이볼로지 특성 향상에 기여하였다.
Diamondlike carbon (DLC) coatings were deposited on alumina ceramic seals using a plasma immersion ion deposition technique (PIID). Then they were subjected to tribological tests using a pin-on-disc tribometer under a high load (1.3 GPa) and under elevated temperatures up to 400C. Coefficients of friction (COFs) were recorded and compared with that of the untreated alumina while the wear tracks were analyzed using SEM with EDS to characterize the DLC films. To enhance the DLC adhesion to the substrate, various interlayers including Si and Cr were deposited using the PIID process or an ion beam assisted deposition (IBAD) method. It was observed that the DLC coating, if adhering well to the substrate, reduced the COFs significantly, from 0.4-0.8 for the uncoated alumina to about 0.05-0.1, within the tested temperature range. The adhesion was determined by the interlayer type and possibly by the application method. Cr interlayer did not perform as well as the Si interlayer. This could also be due to the fact that the Cr interlayer and the subsequent DLC coating had to be done in two different processing systems, while both the Si interlayer and the subsequent DLC film were deposited in one system without breaking the chamber. The coating failure mode was found to be delamination between the Cr and the alumina substrate. In contrast, the Si interlayer with proper DLC deposition procedures resulted in very good adhesion and hence excellent tribological performance. Further study may lead to future DLC applications of ceramic seals.
Since the discovery of single-layer graphene, exploiting graphene's excellent physical/chemical properties in tribology systems has been a topic of interest in academia over the last few decades. There is no doubt that understanding the underlying friction mechanism of graphite should precede this. Even now, new properties of graphene are being reported in academia, and based on this, studies exploring the origins of graphene's surface properties and friction characteristics in a wide range of scales are also being performed. From the perspective of lubrication engineering, graphene research can be largely divided into studies that 1) reveal its basic friction mechanism at the nanoscale and 2) explore its application in macroscale sliding systems. At the nanoscale, the basic friction mechanism of graphene is mainly due to its atomic thickness. In this paper, the various research on the nanoscale friction and surface characteristics of graphene is reviewed. Graphene surface properties, such as wettability and surface energy and the basic friction mechanisms of graphene attributed to adhesion, electronphonon scattering, bending stiffness, and the underlying substrate, are summarized. Further, we provide the research outcomes on the superlubricity of graphene. Finally, the potential application and challenges of the superlubricity of graphene are highlighted. Through this, we intend to provide summarized information to researchers interested in the tribological properties of graphene and help set the direction of future research.
O-rings are commonly used in machines as a seal. Due to prolonged use the surface of an O-ring can degrade which can lead to leakage as well as contamination. Damage of O-rings used in vacuum applications such as sputter is caused by various mechanisms. Particles detached from the O-ring may cause significant problems on the performance of the system in the vacuum chamber. Therefore, understanding the tribological behavior of O-rings is important to tackle the damage caused by repeated contact. In this work, FKM rubber was used for friction and wear tests conducted to investigate the tribological behavior of O-rings. A reciprocating type of a tribo-tester was used for the tests. The friction coefficient between the steel ball and the FKM specimen was quite high. Also, in order to identify the wear behavior, the surface of the FKM specimen was characterized using both optical and scanning electron microscopes. Evidence of wear due to adhesion and extrusion could be found. The results of this work will aid in improving the durability of O-rings.
The vibration data of bearings are very useful for monitoring and determining the condition of the bearings. The defect frequencies of ball bearings have been used for monitoring there condition. However, it is not easy to verify the defect frequencies as the wear progress. Therefore there is a need for an easy method to monitor the damages of bearings in real-time and to observe the variations in vibration characteristics as the wear progress. In this study, a bearing test equipment is constructed to diagnose the damage of bearings. The friction coefficient and vibration data are measured by using a torque sensor and an acceleration sensor, and the correlation between the measured data is analyzed to diagnose the condition of the bearing. We reached the following conclusions from the results. When the ball surface, inner and outer rings of a ball bearing are damaged, the friction coefficient increases to over 0.02 with an adhesion on the surface. Moreover this damage occurs more quickly with an increase in the number of revolutions. In the vibration characteristics, the amplitude of vibration wave appears high with an increase in the friction coefficient. In the high frequency range between 1000 and 2000 Hz, a wide range of frequency components with high amplitude occurs continuously irrespective of the number of revolutions.
Nano-wear and friction of carbon overcoated laser-textured and mechanically-textured computer hard disk were characterised after contact start/stop (CSS) wear test. Various analytical and mechanical testing techniques were employed to study the changes in topography, roughness, chemical elements, mechanical properties and friction characteristics of the coating arising from the contact start/stop wear test These techniques include: the atomic force microscopy (AFM), the continuous nano-indentation test, the nano-scratch test, the time-of-flight secondary ion mass spectroscopy (TOF-SIMS) and the auger electron spectroscopy (AES). It was shown that the surface roughness of the laser-textured (LT) bump and mechanically textured (MT) Bone was reduced approximately am and 7nm, respectively, after the CSS wear test. The elastic modulus and hardness values increased after the CSS test, indicating straining hardening of the top coating layer, A critical load was also identified fer adhesion failure between the magnetic layer and the Ni-P layer, The TOF-SIMS analysis also revealed some reduction in the intensity of C and $C_2$$F_59$, confirming the wear of lubricant elements on the coating surface.
The incorporation of N in a-C film is able to improve the friction coefficient and the adhesion to various substrates. In this study, a-C:N films were deposited on Si and steel substrates by closed-field unbalanced magnetron (CFUBM) sputtering system in $Ar/N_2$ plasma. The lubricant characteristics was investigated for a-C:N deposited with total working pressure from 4 to 7 mTorr. We obtained high hardness up to 24GPa, friction coefficient lower than 0.1 and the smooth surface of having the extremely low roughness (0.16 nm). The physcial properties of a-C:N thin film are related to the increase of cross-linked $sp^2$ bonding clusters in the film. However, the decrease of hardness, elastic modulus and the increase of surface roughness, friction coefficient with the increase of $N_2$ partial pressrue might be due to the effect of energetic ions as a result of the increase of ion bombardment with the increase of ion density in the plasma.
본 리뷰 논문에서는 일반 접촉 역학 이론과 더불어 유기탄성체 마찰에 관한 이론 및 배경을 소개한다. 특히 Greenwood & Williamson 접촉 역학 이론을 확장하여 거친 표면을 자기-아핀(self-affine) 특성으로 고려한 접촉 역학 및 마찰의 수학적 모델을 제시한 Klüppel & Heinrich 이론을 중심으로 유기탄성체 복합재료의 마찰 거동에 대해 살펴본다. 자기-아핀 특성에 의한 노면의 멀티스케일 거칠기로 인해 미끄러짐 마찰 시 유기탄성체 복합재료는 다양한 주파수에 따른 동적 변형이 가해지며 이때 재료가 나타내는 점탄성이 마찰 거동에 주요한 영향을 미친다. 따라서 유기탄성체 복합재료의 비선형 점탄성을 고려하여 광범위한 주파수 영역에서의 점탄성 거동인 마스터커브를 구축하는 원리 및 방법을 제시하였다. 마지막으로 유기탄성체 복합재료 마찰 이론을 타이어 트레드 컴파운드와 노면 간의 마찰에 응용한 실험적 결과와 그 물리적 의미를 이론과 접목하여 설명하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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