Utilize este identificador para referenciar este registo: http://hdl.handle.net/10451/25774
Título: Influence of laser-induced surface nanotextures on the tribological behaviour of silicon
Autor: Lopes, Isabel Alves
Orientador: Vilar, Rui Mário Correia da Silva
Conde, Olinda Maria Quelhas Fernandes,1951-
Palavras-chave: Laser de femtosegundo
Texturização superficial
LIPSS
Tribologia
Silício
Teses de mestrado - 2016
Data de Defesa: 2016
Resumo: O processamento de materiais com laser é uma técnica muito utilizada que permite o controlo e redução do atrito e desgaste em inúmeras aplicações. Por este motivo, estruturas periódicas induzidas por laser (LIPSS - Laser-Induced Periodic Surface Structures) têm atraído atenção¸ por parte da indústria como um meio de diminuir o atrito em aparelhos como os sistemas microelectromecânicos (MEMS). No entanto, é difícil prever o efeito das LIPSS no atrito de um dado sistema uma vez que, por um lado, actuam como reservatórios de detritos e lubrificante e, por outro lado, aumentam a rugosidade, diminuindo assim a área de contacto e favorecendo os contactos plásticos, diminuindo a resistência ao desgaste. Nesta tese, foi investigada a influência das LIPSS no comportamento tribológico do silício. Estas estruturas de superfície foram criadas em amostras de silício utilizando um laser de femtosegundo com duração de impulso de 560 fs e comprimento de onda de 1030 nm, em regime não-estacionário. Os parâmetros foram optimizados para potências entre 125 e 200 mW e frequências entre 100 e 1000 Hz, correspondendo a fluências entre 0.32 e 0.52 J/cm2. Concluiu-se que os melhores parâmetros experimentais correspondiam a uma potência de 125 mW, frequência de 200 Hz e velocidade de 1 mm/s. A fluência utilizada foi 0.32 J/cm2, que é ligeiramente superior ao limiar de ablação do silício. Todas as amostras de silício foram texturizadas utilizando estes parâmetros. As LIPSS têm polarização perpendicular ao feixe laser, um período espacial de 730 nm e uma altura de 230 nm. Para investigar a influência das LIPSS no comportamento tribológico das amostras de silício, ensaios de desgaste foram feitos no nanotribómetro, com movimento linear alternativo. Esferas de quatro materiais diferentes com diâmetro de 3 mm foram utilizadas como contra-corpo: politetrafluoretileno (PTFE), vidro de borossilicato (BSG), safira e aço com crómio. Os ensaios foram feitos com quatro cargas, 2, 5, 10 e 25 mN, e duas direções de deslize relativamente à orientação das LIPSS, paralela ou ortogonal. As pistas de desgaste foram analisadas por microscopia eletrónica de varrimento (SEM) depois de 50, 100, 200, 400 e 1000 ciclos para investigar a evolução do desgaste. Os coeficientes de atrito foram comparados com os obtidos para o silício de referência com as mesmas condições experimentais. Testes preliminares foram feitos para escolher os parâmetros experimentais mais adequados ao estudo que se pretendia fazer e compreender os comportamentos observados neste tipo de experiências. Ensaios foram feitos no silício texturizado e no de referência com esferas de PTFE, BSG para ambas as direções, com a esfera de safira para a direção perpendicular. Em geral, os resultados são semelhantes aos dos testes seguintes, excepto no caso da safira, para o qual se observaram camadas extensas de material transferido da esfera de safira. Estas camadas tiveram um efeito protector das LIPSS, que permaneceram intactas. No entanto, o mesmo não foi observado nos testes seguintes. Uma possível justificação está relacionada com a estabilidade dos ensaios. Foi verificado que a esfera oscilava com o movimento do substrato de silício durante os testes com forças normais aplicadas mais elevadas (10 e 25 mN). Estas oscilações poderão causar stresses adicionais na esfera de safira, levando a um maior desgaste e formação da camada. Infelizmente, não foi possível fazer mais ensaios com este cantilever em particular. Por este motivo, os ensaios preliminares não foram incluídos na análise do comportamento tribológico do silício para os diferentes contra-corpos. Os ensaios com a esfera de PTFE mostraram que o coeficiente de atrito do silício de referência é aproximadamente 0.5 para 2 mN e decresce com o aumento a força normal aplicada. Esta diminuição está relacionada com a formação de um filme de PTFE na superfície do silício. Para o silício texturizado, também se forma um filme de PTFE na superfície, que aumenta com o aumento da força normal aplicada. Consequentemente, o coeficiente de atrito está interligado com a quantidade de material transferida da esfera de PTFE para a superfície de silício. Para o silício texturizado, verificou-se que a orientação influência o coeficiente de atrito, pelo menos para as forças mais baixas (2 e 5 mN). Para a direção paralela, o coeficiente de atrito mantém-se aproximadamente constante, enquanto que para a direção perpendicular verificou-se um aumento do coeficiente de atrito com a força normal aplicada. Para forças baixas (2 e 5 mN), o coeficiente de atrito é mais baixo, aproximadamente 0.3, aumentando para valores semelhantes aos da direção paralela (0.5) para forças mais elevadas (10 e 25 mN). Durante os ensaios de desgaste, a superfície de silício fica coberta com o filme de PTFE e as LIPSS permanecem intactas. Com exceção das forças mais baixas na direção perpendicular, as LIPSS não reduzem o coeficiente de atrito relativamente aos valores de referência. Nos ensaios com a esfera de BSG, o coeficiente de atrito com LIPSS é idêntico ao de referência para forças normais aplicadas mais baixas (2 e 5 mN). Para forças mais altas (10 e 25 mN), o coeficiente de atrito é mais elevado que o valor de referência. As LIPSS são destruídas da superfície ap´os 1000 ciclos, incluindo para 2 mN e em ambas as direções. Esta destruição leva a uma redução no coeficiente de atrito. Após a destruição das LIPSS, o coeficiente de atrito aproxima-se do valor de referência para forças mais baixas (2 e 5 mN) mas tende para valores mais elevados para as forças mais altas (10 e 25 mN). Portanto, concluiu-se que a presença das LIPSS não reduz o coeficiente de atrito relativamente aos valores de referência. Nos ensaios com a esfera de safira, o coeficiente de atrito do silício de referência aumenta com a força normal aplicada. Para 2 mN, tem uma valor de 0.2, que é muito baixo e consistente com um comportamento elástico na interface. A presença de LIPSS tende a aumentar o coeficiente de atrito. A sua influência é negligenciável para forças normais baixas e aumenta com a carga, chegando a valores 0.35 - 0.40. Contrariamente aos testes com a esfera de BSG, os ensaios com a safira não mostraram desgaste severo da superfície. De facto, observou-se transferência de material entre os dois corpos mas as LIPSS permaneceram intactas para todos os ensaios. Adicionalmente, os detritos de ablação das LIPSS foram movidos da superfície. Concluindo, este sistema tribológico caracteriza-se por desgaste moderado oxidativo e a presença de LIPSS não favorece a redução do coeficiente de atrito relativamente ao valor de referência. Finalmente, os ensaios com a esfera de aço levaram a um coeficiente de atrito do silício de referência de cerca de 0.3 para baixas forças normais e que aumenta com o aumento da força normal aplicada. Este valor é típico do contacto elástico entre dois corpos num regime de desgaste moderado oxidativo. A presença de LIPSS aumenta o coeficiente de atrito, independentemente da direção do movimento de deslize relativamente à orientação das LIPSS. Adicionalmente, o coeficiente de atrito do silício texturizado aumenta com o aumento da força normal aplicada, chegando a valores próximos da unidade. Esta transição no coeficiente de atrito está relacionada com a passagem para um regime de desgaste severo, onde as pistas de desgaste apresentam camadas de óxidos, mais abundantes na direção perpendicular. Adicionalmente, as LIPSS são destruídas para 10 e 25 mN. Concluindo, a presença de LIPSS não apresenta nenhum benefício relativamente ao silício polido.
Laser processing of materials is a widely used technique that allows the control and reduction of friction and wear of numerous applications. For this reason, laser-induced periodic surface structures (LIPSS) have been studied to provide ways to decrease friction in devices such as microelectricalmechanical systems (MEMS). However, it is difficult to predict the effect of the LIPSS in the friction of a given system because on one hand they act as debris and lubricant reservoirs and, on the other hand, they increase the roughness and decrease the wear resistance. In the present thesis, the influence of LIPSS on the tribological performance of silicon was studied. The surface structures were created on silicon specimens using a femtosecond laser in a non-stationary regime with a power of 125 mW, a frequency of 200 Hz and a scanning velocity of 1 mm/s. The fluence was 0.32 J/cm2, which is slightly above the ablation threshold for silicon. The LIPSS have polarization perpendicular to the laser beam, a spatial period of 730 nm and a height of 230 nm. To investigate the influence of LIPSS in the tribological behavior of the silicon, wear tests were performed on a ball-on-flat configuration using a nanotribometer with a reciprocal sliding module. Spheres of four materials with 3 mm diameter were used as counterbodies to the silicon specimens: polytetrafluoroethylene (PTFE), borosilicate glass (BSG), sapphire and Cr Steel. The test were done with four different applied loads, 2, 5, 10 and 25 mN, and two sliding directions in relation to the orientation of the LIPSS, parallel and orthogonal. The wear scars were analyzed by scanning electron microscopy (SEM) for 50, 100, 200, 400 and 1000 cycles to investigate the wear progression. For the PTFE counterbody, it was found that the presence of LIPSS did not reduce the coefficient of friction relatively to the reference, except for the lowest loads (2 and 5 mN) and sliding direction orthogonal to the orientation of the LIPSS. The silicon surface was covered with a PTFE film and the LIPSS remained intact. For the BSG counterbody, the friction coefficient with LIPSS was identical to the reference for lower loads (2 and 5 mN). For higher loads (10 and 25 mN), the coefficient of friction was higher than the reference. The LIPSS were worn out for all applied loads and their orientation did not affect significantly the values of the coefficient of friction, which decreased with the number of cycles. For the Sapphire counterbody, the reference coefficient of friction increased with the load. The coefficients of friction for the textured specimens showed the same behavior and tended to increase the friction coefficient relatively to the reference. Both orientations yielded identical coefficients of friction. There is transfer of material to the silicon surface and the LIPSS remained intact. For the Cr Steel counterbody, the friction coefficient for the reference specimen increased for the higher load. The presence of LIPSS tends to increase the coefficient of friction relatively to the reference. Both sliding directions yielded identical results for the lowest loads (2 and 5 mN). For the highest loads, the parallel tests led to much higher values of the friction coefficient. This increase is related to the transition between mild oxidative wear and severe wear. The LIPSS were worn out for the highest loads.
Descrição: Tese de mestrado em Física, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2016
URI: http://hdl.handle.net/10451/25774
Designação: Mestrado em Física
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