Adhesion and adhesion measurements of diamond-like carbon coatings on rubber
Helmi, Eero (2023)
Helmi, Eero
2023
Teknisten tieteiden kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Engineering Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-01-18
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202212149196
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202212149196
Tiivistelmä
The wear of rubber seals and insulators is a major ecological and economical problem that is prevalent in most industrial applications. One solution for prolonging the lifetime of these parts is to apply a protective coating, such as diamond-like carbon (DLC), on their surfaces. This literature review aspires to explain the methods for achieving good adhesion of DLC on rubber substrates and what kind of testing methods can reliably be used in these material combinations.
This work is based on the scientific literature published during the last decade on DLC-coated rubber. The first chapter focuses on the coating microstructure and deposition techniques, both of which have to be tailored to the properties of the rubber substrate. The high thermal coefficient and elasticity of rubber materials require high flexibility from the DLC film. By utilizing the temperature changes during deposition densely cracked, columnar coating structure can be achieved which often ensures the flexibility of the film.
High flexibility demands the coating to have excellent adhesion for the film to remain functional. Substrate topography and proper activation of the surface have a significant influence in the adhesion between the DLC-coating and rubber substrate. Thus careful surface preparation plays a crucial role in the coating process. Additives in the DLC-coating or different interlayers can be used to change the coating properties but their benefits to adhesion are not completely unambiguous.
Finally, three different adhesion measurement methods are described in detail. The scratch test and the tape test are both designed for rigid substrates and require careful consideration to be usable in elastic materials. The adhesion stretch test takes advantage of the long elongation capability of the substrate and works well on coated rubbers. However, all the aforementioned methods have distinct shortcomings and the variability in rubber substrate properties makes a comparative analysis between studies problematic. Kumiosien kuluminen on merkittävä ekologinen ja ekonominen ongelma, joka on läsnä suuressa osassa teollisuuden käyttökohteista. Kumin pinnoittaminen kulutusta kestävällä timantin kaltaisella hiilipinnoitteella (DLC) voisi merkittävästi vähentää siitä tehtyjen osien rikkoutumista, sekä pidentää samalla niiden käyttöikää. DLC-pinnoitteita käytetään paljon tribologisissa käyttökohteissa kovien substraattien pinnoilla. Teollisuudessa DLC-pinnoittetta kumin suojaamiseen on käytetty vähän, jos lainkaan, sillä substraatin suuri elastisuus asettaa useita haasteita niin pinnoitteen kestävyyteen kuin sen mittaukseen.
Tämä kirjallisuusselvitys tutkii DLC-pinnoitteen ja kumisubstraatin välistä adheesiota. Työn tavoitteena on kuvata, mitkä tekijät vaikuttavat adheesion muodostumiseen kumin ja DLC:n välille, ja miten kyseisen materiaaliparin adheesiota on mahdollista mitata nykyisillä tekniikoilla.
Työn ensimmäisessä kappaleessa on esitelty kumin ja DLC:n ominaisuudet sekä materiaaleille soveltuvia pinnoitusmenetelmiä. Pinnoitukseen voidaan käyttää plasmapinnoitustekniikoita. Kumin suuri lämpölaajenemiskerroin aiheuttaa substraatin muodonmuutoksen pinnoituksen aikana, minkä johdosta pinnoitukselle muodostuu hyvin pylväsmäinen ja säröytynyt rakenne. Kyseinen rakenne mahdollistaa pinnoitteen suuren taipuisuuden kumisubstraatin pinnalla.
Pinnoitteen muodonmuutoskyky kumin pinnalla vaatii kuitenkin erinomaista adheesiota toimiakseen suurissakin taivutuksissa. Kumin pinnan topografialla ja puhtaudella on olennainen vaikutus adheesion muodostumiseen. Tästä syystä substraatin esikäsittelyllä on suuri merkitys pinnoitusprosessissa. Erilaisilla lisäaineilla, kuten piillä, on mahdollista muokata DLC-pinnoitteen ominaisuuksia, mutta niiden vaikutus adheesioon vaihtelee ja vaatii suurta tarkkuutta pinnoitusprosessissa.
Lopuksi työssä esitellään kolme eri adheesion testausmenetelmää: teippi-, venytys ja raapaisukoe. Teippi- ja raapaisukoe ovat koville substraateille suunniteltuja menetelmiä ja vaativat täten erityistä harkintaa käytettäessä elastisia materiaaleja. Venytyskokeessa käytetään kumin suurta elastisuutta hyödyksi adheesion mittauksessa. Työssä arvioidaan näiden menetelmien käyttöä DLC-pinnoitetulle kumille, ottaen huomioon niiden hyödyt, haasteet ja tulosten vertailtavuuden.
This work is based on the scientific literature published during the last decade on DLC-coated rubber. The first chapter focuses on the coating microstructure and deposition techniques, both of which have to be tailored to the properties of the rubber substrate. The high thermal coefficient and elasticity of rubber materials require high flexibility from the DLC film. By utilizing the temperature changes during deposition densely cracked, columnar coating structure can be achieved which often ensures the flexibility of the film.
High flexibility demands the coating to have excellent adhesion for the film to remain functional. Substrate topography and proper activation of the surface have a significant influence in the adhesion between the DLC-coating and rubber substrate. Thus careful surface preparation plays a crucial role in the coating process. Additives in the DLC-coating or different interlayers can be used to change the coating properties but their benefits to adhesion are not completely unambiguous.
Finally, three different adhesion measurement methods are described in detail. The scratch test and the tape test are both designed for rigid substrates and require careful consideration to be usable in elastic materials. The adhesion stretch test takes advantage of the long elongation capability of the substrate and works well on coated rubbers. However, all the aforementioned methods have distinct shortcomings and the variability in rubber substrate properties makes a comparative analysis between studies problematic.
Tämä kirjallisuusselvitys tutkii DLC-pinnoitteen ja kumisubstraatin välistä adheesiota. Työn tavoitteena on kuvata, mitkä tekijät vaikuttavat adheesion muodostumiseen kumin ja DLC:n välille, ja miten kyseisen materiaaliparin adheesiota on mahdollista mitata nykyisillä tekniikoilla.
Työn ensimmäisessä kappaleessa on esitelty kumin ja DLC:n ominaisuudet sekä materiaaleille soveltuvia pinnoitusmenetelmiä. Pinnoitukseen voidaan käyttää plasmapinnoitustekniikoita. Kumin suuri lämpölaajenemiskerroin aiheuttaa substraatin muodonmuutoksen pinnoituksen aikana, minkä johdosta pinnoitukselle muodostuu hyvin pylväsmäinen ja säröytynyt rakenne. Kyseinen rakenne mahdollistaa pinnoitteen suuren taipuisuuden kumisubstraatin pinnalla.
Pinnoitteen muodonmuutoskyky kumin pinnalla vaatii kuitenkin erinomaista adheesiota toimiakseen suurissakin taivutuksissa. Kumin pinnan topografialla ja puhtaudella on olennainen vaikutus adheesion muodostumiseen. Tästä syystä substraatin esikäsittelyllä on suuri merkitys pinnoitusprosessissa. Erilaisilla lisäaineilla, kuten piillä, on mahdollista muokata DLC-pinnoitteen ominaisuuksia, mutta niiden vaikutus adheesioon vaihtelee ja vaatii suurta tarkkuutta pinnoitusprosessissa.
Lopuksi työssä esitellään kolme eri adheesion testausmenetelmää: teippi-, venytys ja raapaisukoe. Teippi- ja raapaisukoe ovat koville substraateille suunniteltuja menetelmiä ja vaativat täten erityistä harkintaa käytettäessä elastisia materiaaleja. Venytyskokeessa käytetään kumin suurta elastisuutta hyödyksi adheesion mittauksessa. Työssä arvioidaan näiden menetelmien käyttöä DLC-pinnoitetulle kumille, ottaen huomioon niiden hyödyt, haasteet ja tulosten vertailtavuuden.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8798]