Testování vlastností nanovrstev připravených hybridní laserovou depozicí

Abstract

Tenké vrstvy diamantu podobného uhlíku (DLC) mají obrovský potenciál pro pokrytí materiálů a zlepšení jejich vlastností. Studiem jejich vlastností a možného dalšího využití se zabývají výzkumné instituce i průmyslové podniky již několik desetiletí a tento výzkum je obrovský i současné době. Hledají se další cesty pro lepší mechanické a biokompatibilní vlastnosti tenkých vrstev DLC. Zde se otevírá možnost pro různé obohacující prvky. V této práci jsme se zaměřili na dopace částicemi titanu, které dále většinou vylepšily vrstvy DLC, konkrétně ve snížení tření a minimalizaci opotřebení. Dále jsme sledovali vliv na smáčivost a drsnost povrchu v závislosti na použité koncentraci dopantu. První kapitola této práce tvoří rešerše výroby tenkých vrstev a materiálů, z nichž jsou často vyráběny, a to včetně obohacujících příměsí. Obsahem je rovněž rešerše testování vlastností tenkých vrstev z hlediska mechanických vlastností s důrazem na tribologické vlastnosti, zahrnujíce tření a opotřebení. Dále byla vyhodnocena smáčivost jako jeden z parametrů ovlivňující biokompatibilitu materiálu. Konkrétně jsou popsány metody testování a dosahované parametry jednotlivých vlastností u různých materiálů. Druhá kapitola této práce se zabývá samotným experimentálním nastavením měření tření, opotřebení, drsnosti a smáčivosti. Ve třetí kapitole jsou samotné výsledky měření předložených vzorků vyráběných duální pulsní laserovou depozicí (PLD) a hybridní pulsní laserovou depozicí (PLD/MS) tenkých vrstev DLC obohaceny různým množstvím Ti z hlediska tření, opotřebení, drsnosti a smáčivosti. Vrstvy byly podrobeny zkouškám při různých normálových zatíženích (1 N, 2 N, 5 N) na fakultním tribometru Anton Paar. Součástí je rovněž vyhodnocení Herciánských kontaktů DLC vrstev a jejich srovnání s literaturou. Data byla zpracována a vyhodnocena s ohledem na jejich potenciální využití v medicíně. Naše výsledky ukazují na snížení tření DLC tenkých vrstev dopacemi titanu a na snížení opotřebení oproti nepotaženým materiálům.

Thin carbon-like diamond layers (DLC) have enormous potential to cover materials and improve their properties. Research institutions and industrial companies have been studying their properties and possible future uses for decades, and this research is huge today. More ways are being sought for better mechanical and biocompatible properties of DLC thin films. There is a possibility for various enrichment elements. In this work, we focused on doping with titanium particles, which most of the time improved DLC layers, specifically to reduce friction and minimize wear. We also monitored the effect on wettability and surface roughness depending on the dopant concentration used. The first chapter of this thesis consists of research of production of thin layers and materials, from which they are often produced, including enriching impurities. The content of the thesis is also a research of testing of properties of thin films in terms of mechanical properties with emphasis on tribological properties, including friction and wear. Furthermore, wettability was evaluated as one of the parameters influencing the biocompatibility of the material. Specifically, there are described methods of testing and achieved parameters of individual properties of different materials. The second chapter of this thesis deals with the experimental setting of friction, wear, roughness and wettability measurements. In the third chapter, the results of the measurements of the presented samples produced by dual pulse laser deposition (PLD) and hybrid pulse laser deposition (PLD/MS) of the thin DLC films are enriched with different amounts of Ti in terms of friction, wear, roughness and wettability. The layers were subjected to various normal load tests (1 N, 2 N, 5 N) at the Anton Paar Faculty Tribometer. The evaluation of Hercian contacts of DLC layers and their comparison with literature are included. The data were processed and evaluated regarding their potential use in medicine. Our results indicate a reduction in the friction of DLC thin films by titanium doping and a reduction in wear compared to uncoated materials.