Tuhá maziva v nanoměřítku: tribologické chování in silico
Solid lubricants at the nanoscale: Frictional behavior in silico
dc.contributor.advisor | Nicolini Paolo | |
dc.contributor.author | Victor Emile Phillippe Claerbout | |
dc.date.accessioned | 2021-06-25T07:41:58Z | |
dc.date.available | 2021-06-25T07:41:58Z | |
dc.date.issued | 2021-03-02 | |
dc.identifier | KOS-1083893882405 | |
dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/10467/96263 | |
dc.description.abstract | Tření a opotřebení nastává, když jsou dva povrchy v kontaktu a relativním pohybu a představují přibližně 23 % veškeré spotřebované energie. Použití maziva v kontaktu může snížit (nebo dokonce téměř eliminovat) tření, opotřebení a související procesy. Jedná se o techniku sahající až do starověkého Egypta. Běžná každodenní klasická maziva jsou na bázi oleje nebo vody. Stále přísnější ekologické standardy však omezují další používání olejů, a v náročných provozních podmínkách, jako jsou extrémně vysoké/nízké kontaktní tlaky a pracovní teploty, tekutá maziva nemůžeme používat. Od 40. let 20. století se tuhým mazivům, což jsou vrstvené krystalické materiály, věnuje značná pozornost. Dnes se používají hlavně jako přísady, které tekutým mazivům zlepšují vlastnosti. Dichalkogenidy přechodových kovů jsou některé z nejznámějších příkladů tuhých maziv, z nichž je disulfid molybdenu (MoS 2 ) hlavní reprezentant. Tyto materiály mají potenciál nahradit tekutá maziva v mnoha aplikacích, a to formou tenké vrstvy. Navzdory značnému vědeckému úsilí však zatím nebylo dosaženo průmyslové implementace MoS 2 a pevných maziv obecně. Důvodem je malá znalost třecích mechanismů vrstevnatých systémů, a to jak v nanoměřítku, tak v makroměřítku. Kromě toho jsou tuhá maziva vysoce citlivá na poškození způsobená interakcemi s jejich prostředím, což omezuje využití jejich slibného potenciálu v široké škále aplikací. V této práci se pomocí výpočetního modelování snažíme objasnit mechanismy určující třecí vlastnosti MoS 2 v nanoměřítku. To se provádí zkoumáním třecích aspektů MoS 2 , například studiem frikční anizotropie a zvážením vlivu vnějších podmínek, jako je kontaminace vodou, o níž je obecně známo, že zhoršuje třecí vlastnosti MoS 2 . Byly získány nové poznatky o principech dosažení superlubricity v homostrukturách, a byla potvrzena relevantnost povrchové energie mezivrstvy. Studium interakce s vodou prokázalo interkalaci vody na třecí vlastnosti tuhých maziv. V tomto tisíciletí jsou dostupná i jednovrstvá tuhá maziva, které otevřely dveře nové třídě materiálů, takzvaným heterostrukturám. Jedná se o vrstvené struktury, které kombinují několik různých typů tuhých maziv. Ačkoli heterostruktury mají potenciál dalšího vylepšení vlastností tuhých maziv, skutečná stabilita těchto struktur je často vynechána. V této práci je proto pomocí teorie epitaxe rozsáhle prozkoumána energetická stabilita úhlu natočení prototypové heterostruktury postavené z MoS 2 a grafenu. Naše studie o heterostrukturách odhaluje nové poznatky o stabilitě těchto struktur a pomohla vysvětlit experimentálně naměřené vlastnosti. | cze |
dc.description.abstract | Friction and wear occur when two surfaces are in contact and relative motion, and are considered responsible for approximately 23% of all energy consumed. The types of materials in contact and environmental conditions, such as temperature and humidity, are highly correlated with friction and wear. Introducing a lubricant into the sliding contact can help reduce (or even eliminate) friction, wear, and associated processes – a technique dating as far back as Ancient Egypt. Common everyday classical wet lubricants are either oil- or water-based. However, increasingly strict sustainability standards and rising demands of our modern industrial society have surpassed the application of these wet lubricants in severe operating conditions, such as extremely high/low contact pressures and working temperatures or when used in nanoscale devices. Starting from the 1940s, solid lubricants, which are layered crystalline materials, have received substantial attention due to their excellent frictional properties. To date, they have mainly been used as additives to impart improved lubrication properties to lubricants. Transition metal dichalcogenides are some of the best-known examples of solid lubricants, of which molybdenum disulfide (MoS 2 ) is considered prototypical. When applied as a coating (as opposed to an additive), they have the potential to overcome a vast number of problems encountered by wet lubricants. Despite the considerable scientific effort, large-scale industrial implementation of MoS 2 , and solid lubricants in general, has not been achieved. A combination of problems lies at the origin of this. We do not possess a fundamental understanding of the actual frictional mechanisms of layered systems, both at the nanoscale and macroscale. Moreover, solid lubricants are highly sensitive to deterioration resulting from interactions with their environments, limiting the exploitation of their promising potential in a wide range of applications. In this thesis, we make an effort towards elucidating the mechanisms that determine the frictional properties of MoS 2 at the nanoscale by employing computational modeling. This is done by investigating the intrinsic frictional aspects of MoS 2 , for example, by studying frictional anisotropy, and considering the effect of external conditions such as water contamination, which is commonly known to deteriorate the frictional properties of MoS 2 . The use of prototypical materials allowed us to provide new understandings in the application and design of solid lubricants in general. Novel insights were obtained on the principles of achieving superlubricity in homostructures, where the relevance of the interlayer potential energy surface topology was once more confirmed. Additionally, the results on water contamination highlight the effect of interlayer intercalation of water on the frictional properties of solid lubricants and thus guide the design of nanoscale devices in ambient conditions. Since 2004 single-layer solid lubricants have been readily available, which has opened the door to a new class of materials, so-called heterostructures. These are layered structures that combine several different types of solid lubricants. Although heterostructures create the potential for tuning the properties of solid lubricants, the actual stability of these structures is often left out of consideration. Therefore, in this work, the twist angle energetic stability of a prototypical heterostructure built from MoS 2 and graphene is extensively explored through epitaxy theory. Our study on heterostructures reveals new insights into the observations made in experiments and the stability of twistronic devices. In conclusion, this thesis has actively contributed to making the next step for large-scale industrial implementation of solid lubricants feasible. | eng |
dc.publisher | České vysoké učení technické v Praze. Vypočetní a informační centrum. | cze |
dc.publisher | Czech Technical University in Prague. Computing and Information Centre. | eng |
dc.rights | A university thesis is a work protected by the Copyright Act. Extracts, copies and transcripts of the thesis are allowed for personal use only and at one?s own expense. The use of thesis should be in compliance with the Copyright Act http://www.mkcr.cz/assets/autorske-pravo/01-3982006.pdf and the citation ethics http://knihovny.cvut.cz/vychova/vskp.html | eng |
dc.rights | Vysokoškolská závěrečná práce je dílo chráněné autorským zákonem. Je možné pořizovat z něj na své náklady a pro svoji osobní potřebu výpisy, opisy a rozmnoženiny. Jeho využití musí být v souladu s autorským zákonem http://www.mkcr.cz/assets/autorske-pravo/01-3982006.pdf a citační etikou http://knihovny.cvut.cz/vychova/vskp.html | cze |
dc.subject | tření | cze |
dc.subject | tribologie | cze |
dc.subject | pevná maziva | cze |
dc.subject | dichalkogenidy přechodových kovů | cze |
dc.subject | disulfid molybdenu | cze |
dc.subject | heterostruktury | cze |
dc.subject | simulace molekulární dynamiky | cze |
dc.subject | friction | eng |
dc.subject | tribology | eng |
dc.subject | solid lubricants | eng |
dc.subject | transition metal dichalcogenides | eng |
dc.subject | molybdenum disulfide | eng |
dc.subject | heterostructures | eng |
dc.subject | molecular dynamics simulations | eng |
dc.title | Tuhá maziva v nanoměřítku: tribologické chování in silico | cze |
dc.title | Solid lubricants at the nanoscale: Frictional behavior in silico | eng |
dc.type | disertační práce | cze |
dc.type | doctoral thesis | eng |
dc.contributor.referee | Gnecco Enrico | |
theses.degree.grantor | katedra řídicí techniky | cze |
theses.degree.programme | Applied Physics | cze |
Soubory tohoto záznamu
Tento záznam se objevuje v následujících kolekcích
-
Disertační práce - 13000 [688]