Electrical and Tribological Properties of DLC Coatings

Abstract

DLC coatings have attracted interest of many researches due to their unique combination of properties. They are often used in various applications as protective coatings because of their excellent low friction and high wear resistance. However, little research has been done on the electric properties of DLC coatings and their possibilities in electric applications. The focus of this work was the analysis and comparison of electrical and tribological properties of selected commercial coatings in sliding electric contacts. In the thesis, the resistance, friction and wear behavior of four different coatings, which were selected based on their good electrical and tribological properties observed during preliminary testing, were evaluated and compared to steel at room temperature in dry reciprocating sliding mode and under different direct current conditions. Commercial DLC coatings selected for the analysis were Low Ti-DLC (5 at.%), High Ti-DLC (10 at. %), Low W-DLC (5 at.%) and High W-DLC (10 at.%). The tests were performed by simultaneously gathering friction and resistance data in the contact using a ball-on-disc tribometer and a voltage drop measuring setup. Optical microscopy and white light interferometry were used for the analysis of the wear scars. The results of the resistance measurements showed that all coatings conducted direct current. It was observed that higher doping element concentrations led to lower resistance of the contact. DLC – DLC contact also produced higher conductivity measurements compared to DLC – Steel contact. The conductivity of Steel – Steel contact was in a similar range as DLC – DLC contact. Static resistance was substantially lower than sliding resistance which confirms that sliding has a great effect on the conductivity of the contact. As expected, friction results displayed substantially lower friction coefficients for DLC – Steel and DLC – DLC contacts in comparison to Steel – Steel contact. The best material combination for electric application was High W-DLC – High W-DLC which exhibited very low electric resistance and friction coefficient with very low wear rate. The results gathered in this work indicate that DLC coatings have promising electric properties and show potential in future electric applications.

Os revestimentos DLC têm atraído o interesse da comunidade científica devido à sua combinação única de propriedades. São geralmente usados em várias aplicações sob a forma de revestimentos protetores uma vez que apresentam baixo atrito e elavada resistência ao desgaste. No entanto, existem poucas referências na literatura sobre valores de propriedades elétricas de revestimentos DLC e as suas potencialidades em aplicações eléctricas. O foco deste trabalho incidiu na determinação e análise das propriedades elétricas e tribológicas de revestimentos DLC comerciais. Neste trabalho foram estudados a resistividade, o atrito e a resistência ao desgaste de quatro revestimentos de DLC e de diferentes aços à temperatura por deslizamento alternativo a seco e diferentes condições de corrente continua. Os revestimentos DLC estudados neste trabalho foram Ti-DLC (5 e 10 % at.Ti ) e W-DLC (5 e 10 % at.W). Os testes realizados permitiram medir o coeficiente atrito e, simultaneamente, a resistividade no contacto, usando um tribómetro pino-disco e um equipamento de medição de tensão. A microscopia óptica e a interferometria de luz branca foram utilizads para a análise das pistas de desgaste. Os resultados das medições de resistividade mostraram que todos os revestimentos eram contudores eléctricos. Observou-se ainda que concentrações mais elevadas do elemento dopante conduziam a uma menor resistividade no contato. O contacto DLC – DLC também produziu medições de condutividade superior em comparação com o contacto DLC – aço. Os valores da resistividade estática são substancialmente inferiores aos obtidos por resistividade deslizante, confirmando-se assim que o deslizamento tem um grande efeito sobre a condutividade de contato. Tal como esperado, os valores do coeficientes de atrito obtidos para os pares DLC – aço e DLC – DLC são inferiors aos obtidos para o contato aço – aço. O par W-DLC – W-DLC com 10 % at. W foi o que apresentou maior potencial para aplicações elétricas, com muito baixos valores de resistividade elétrica e coeficiente de atrito e baixa taxa de desgaste. Os resultados obtidos neste trabalho indicam que os revestimentos DLC têm propriedades eléctricas promisoras, sendo potenciais materiais para futuras aplicações elétricas.