Friction and Wear of Silicon Nitride and Silicon Carbide in Water: Hydrodynamic Lubrication at Low Sliding Speed Obtained by Tribochemical Wear

Tomizawa, H.; Fischer, Thomas M.

doi:10.1080/05698198708981728

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“…SiC, which is generally harder, more brittle, more wear resistant, and chemically more inert than Si 3 N 4 [9], has shown more consistent l values (around 0.01) in water over a broad range of speeds and loads [2,3,11]. This higher degree of chemical inertness of SiC can be attributed to the difference in electronic properties of Si 3 N 4 and SiC.…”

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“…In particular, their resistance to corrosion [2] and the extremely low friction forces observed at high speeds in an aqueous environment [1][2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13], even lower than some metal-oil systems [2], have led to an interest in tribological applications of Si 3 N 4 and SiC in water, such as in water pumps without separate oil lubrication.…”

Section: Introductionmentioning

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“…The aqueous lubrication properties of Si 3 N 4 are particularly interesting because very low coefficients of friction (l \ 0.001 [2,3,11,12]) can be achieved in water alone. These low l values can only be achieved at high speeds ([40 mm/s) [3,12] with an estimated water film thickness of 5-70 nm [3,10].…”

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“…These low l values can only be achieved at high speeds ([40 mm/s) [3,12] with an estimated water film thickness of 5-70 nm [3,10]. However, if these conditions are not met, water does not act as a good base lubricant and l can become as high as 0.7 [3,14]. The unique self-lubricating properties of Si 3 N 4 in water have been attributed to the tribochemically activated hydrolysis of SiO 2 present on the Si 3 N 4 surface [13], but the precise cause of the low friction has been the subject of debate.…”

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Aqueous Lubrication of SiC and Si3N4 Ceramics Aided by a Brush-like Copolymer Additive, Poly(l-lysine)-graft-poly(ethylene glycol)

et al. 2009

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We have examined the adsorption properties of poly(L-lysine)-graft-poly(ethylene glycol) (PLL-g-PEG)-a brush-like polymer-on Si 3 N 4 and SiC surfaces and determined its impact on the aqueous lubrication of Si 3 N 4 and SiC at various speeds and applied loads. The addition of PLL-g-PEG in aqueous solution reduces the interfacial friction forces significantly for self-mated sliding contacts of these two ceramics, as compared to lubrication with water or buffer solution alone. For SiC, the improved lubricating performance by addition of PLL-g-PEG was apparent for all tested speeds (from 1.4 to 185 mm/s under 2 N load). For Si 3 N 4 , the effect was more apparent in the slow-speed regime (B20 mm/s under 2 N load) than in the high-speed regime ([100 mm/s), where extremely low coefficients of friction (l B 0.006) are readily achieved by aqueous buffer solution alone. It was further observed that the optimal lubricating effect with Si 3 N 4 is achieved when the tribopairs are first run-in in polymer-free aqueous buffer to render the sliding surfaces smooth, after which the PLL-g-PEG copolymer is added to the buffer solution.

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Aqueous Lubrication of SiC and Si3N4 Ceramics Aided by a Brush-like Copolymer Additive, Poly(l-lysine)-graft-poly(ethylene glycol)

et al. 2009

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Einfluß von Luftfeuchte und Werkstoffgefüge auf das tribologische Verhalten von Siliciumcarbid-Keramik unter einsinniger Gleitbeanspruchung

Blattner¹,

Gahr²

2000

Mat.-wiss. u. Werkstofftech.

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In einem Labortribometer, vom Typ SiC‐Kugel (abgeplattet)/SiC‐Scheibe, wurden Untersuchungen zur Charakterisierung des tribologischen Verhaltens von fünf verschiedenen Siliciumcarbid‐Keramiken unter einsinniger Gleitbeanspruchung bei relativen Luftfeuchten zwischen 5% und 80% durchgeführt. Zusätzlich wurde der Einfluß von destilliertem Wasser auf das Reibungs‐ und Verschleißverhalten der SiC‐Keramiken untersucht. Die Werkstoffe unterschieden sich hinsichtlich der Porosität, der Korngröße und Kornform sowie des Anteils an Graphitpartikeln. Für alle Materialpaarungen nahm mit zunehmender relativer Luftfeuchte die Reibungszahl zu, der lineare Verschleißbetrag jedoch gleichzeitig ab. Die niedrigste Reibungszahl und ein relativ geringer linearer Verschleißbetrag wurden bei Zuführung von destilliertem Wasser in die Kontaktzone gemessen. Anhand der Ergebnisse aus rasterelektronen‐ und rasterkraftmikroskopischen Untersuchungen der tribologisch beanspruchten Oberflächen sowie der während und nach den Versuchen ermittelten Meßdaten lassen sich die auftretenden Mechanismen erklären.

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AFM-Untersuchungen zu adhäsiven Wechselwirkungen an einkristallinem Si und voroxidiertem SiC in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchte

Pöhlmann¹,

Gahr²

2000

Mat.-wiss. u. Werkstofftech.

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Der chemische Aufbau von unbehandelten und thermisch oxidierten 6H‐SiC‐Einkristalloberflächen wurde mit Hilfe der Augerelektronenspektroskopie analysiert und das Benetzungsverhalten der Oberflächen durch Wasser mit dem Verfahren des „ruhenden‐Tropfens”︁ untersucht. Messungen der Adhäsionskraft zwischen Si‐Spitzen und den Probenoberflächen in Abhängigkeit von der Luftfeuchte wurden mit Hilfe eines Rasterkraftmikroskops durchgeführt. Bei geringer Luftfeuchte hing die Adhäsionskraft von der für die Voroxidation gewählten Glühtemperatur ab. Dies wurde primär auf die von der Voroxidation abhängigen unterschiedlichen Si4C4O4‐Volumenanteile in den amorphen, stöchiometrischen SiO2‐Oberflächenschichten zurückgeführt. Aufgrund der verschiedenen Benetzungseigenschaften der Proben nahm die Adhäsionskraft mit zunehmender Luftfeuchte unterschiedlich stark ab.

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Friction and Wear of Silicon Nitride and Silicon Carbide in Water: Hydrodynamic Lubrication at Low Sliding Speed Obtained by Tribochemical Wear

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Aqueous Lubrication of SiC and Si3N4 Ceramics Aided by a Brush-like Copolymer Additive, Poly(l-lysine)-graft-poly(ethylene glycol)

Aqueous Lubrication of SiC and Si3N4 Ceramics Aided by a Brush-like Copolymer Additive, Poly(l-lysine)-graft-poly(ethylene glycol)

Einfluß von Luftfeuchte und Werkstoffgefüge auf das tribologische Verhalten von Siliciumcarbid-Keramik unter einsinniger Gleitbeanspruchung

AFM-Untersuchungen zu adhäsiven Wechselwirkungen an einkristallinem Si und voroxidiertem SiC in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchte

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