Raziskovalci iz Laboratorija za tribologijo in nanotehnologijo površin (TINT) so razvili nov pristop konstruiranja kontaktov z nanoprevlekami, ki bistveno izboljša vzdržljivost visoko zmogljivih polimernih komponent. Študija, objavljena v znanstveni reviji Tribology International (IF 6,9), prikazuje, kako lahko napredni premazi s trdnimi mazivi občutno zmanjšajo trenje in obrabo pri polimeru polietereterketon (PEEK), enem najpogosteje uporabljenih inženirskih polimerov.
PEEK se vse pogosteje uporablja v zahtevnih aplikacijah, kot so avtomobilski sistemi, letalske komponente in biomedicinske naprave, saj ima odlično razmerje med trdnostjo in maso, visoko kemijsko stabilnost ter dobro toplotno odpornost. Kadar pa je material izpostavljen drsnemu kontaktu v mehanskih sistemih, se pogosto pojavi relativno visoko trenje in omejena odpornost proti obrabi, kar omejuje njegovo uporabo pri večjih obremenitvah.
Raziskovalna skupina je ta izziv naslovila z nanosom nanostrukturiranih prevlek na osnovi ogljika, legiranih z volfram disulfidom na površino PEEK. Prevleke so nanesli s postopkom magnetronskega naprševanja. Struktura prevlek je bila skrbno optimizirana in je vključevala tudi vmesne plasti za izboljšanje oprijema, kar omogoča, da prevleka ostane stabilna tudi med drsnim kontaktom. Na ta način so na površini polimera ustvarili trajno plast z nizkim trenjem.
Tribološki preizkusi so pokazali izjemne izboljšave. Prevlečene površine so imele do 34 % nižji koeficient trenja in več kot 98 % manjšo obrabo v primerjavi z neprevlečenim PEEK. Izboljšano delovanje je povezano z nastankom stabilne tribokemijske plasti, ki se med drsenjem oblikuje na površini, ščiti polimer in omogoča gibanje z nižjim trenjem med kontaktnimi površinami.
»Napredne nanostrukturirane prevleke lahko bistveno spremenijo obnašanje polimerov v mehanskih sistemih,« je povedal dr. Talha Bin Yaqub, vodilni avtor raziskave. prof. dr. Mitjan Kalin, vodja raziskave, poudarja, da bi lahko takšne strategije površinskega inženirstva v prihodnosti omogočile, da polimeri, kot je PEEK, nadomestijo težje kovinske komponente v strojih.
Rezultati raziskave kažejo na praktično izvedljivo pot za uporabo nanostrukturiranih prevlek, kot trdnih maziv na polimernih komponentah. Takšne rešitve bi lahko našle uporabo v polimernih zobnikih, ležajih in drugih drsnih elementih v energetsko učinkovitih transportnih sistemih ter industrijskih komponentah.
Slika: Pregled eksperimentalnega pristopa za izboljšanje vzdržljivosti in triboloških lastnosti polimera PEEK z uporabo premazov iz ogljikom legiranega volframovega disulfida (WSC). (a) Shematski prikaz sistema za magnetronsko naprševanje, ki prikazuje razporeditev tarč WS₂, ogljika in kroma okoli vrtečega se nosilca vzorcev za sintezo premazov ter koncept postopka DC magnetronskega naprševanja. Pri tem ioni Ar⁺ v plazmi bombardirajo tarčo, iz nje izbijajo atome, ki se nato odlagajo na podlago in tvorijo WSC-premaz.
(b) Konfiguracija recipročnega drsnega preskusa in arhitekture premazov, obravnavane v raziskavi: neprevlečen PEEK,PEEK z nanosom WSC brez vmesne plasti (PEEK/WSC), PEEK z nanosom WSC z vmesno plastjo Cr in gradientno plastjo (PEEK/Cr/WSC).
(c–d) Povzetek tribološke učinkovitosti in vzdržljivosti, ki prikazuje zmanjšanje koeficienta trenja in specifične stopnje obrabe pri optimizirani arhitekturi premaza ter s tem izboljšano vzdržljivost prevlečene polimerne površine.