Development of Graphene Reinforced UHMWPE Nanocomposite Coatings for Mechanical Bearing Applications. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.
|
PDF (PhD Thesis)
PhD_Thesis_2017_Ismaila_K_Aliyu.pdf - Accepted Version Download (6MB) | Preview |
Arabic Abstract
السبب الرئيسي لفشل الرمان المسطح هو التآكل المفرط أثناء بدء تشغيل محركات الاحتراق الداخلي بسبب عدم كفاية التشحيم. تضاف الإضافات المختلفة إلى مواد التشحيم لخفض التآكل. للأسف ، تشكل الإضافات بعض المخاطر على البيئة. لتقليل هذه المخاطر ، يتم استخدام البوليمرات كطلاء على الرمانات المعدنية بسبب قدرتها على توفير الاحتكاك و التآكل المنخفض أثناء الانزلاق الجاف. ومع ذلك ، في درجات الحرارة العالية والأحمال الشديدة ، لا يمكن للبوليمرات أن تستمر في العمل. ولذلك، فإن الهدف الرئيسي من هذا البحث هو تطوير طلاء من البولي ايثيلين ذو الوزن الجزيئي والمدعمة بشرائح نانو من الجرافين )UHMWPE( المرتفع للغاية و المكون من مركبات متناهية في الصغر لتحقيق تشتت ultrasonication بحيث يكون ذو قدرة محسنة لمقاومة إحتكاك المفاصل. تم إستخدام طريقة ،)GNPs( وتم إختبارها GNPs من مركبات مختلفة من )UHMWPE/GNPs( منتظم. تم تطوير أول مجموعة من مركبات ال بتركيزات وزنية مختلفة GNPs و المدعمة بال UHMWPE كدراسة أولية. ثم ، تم تجهيز مجموعة من طلاءات ال 1 و 2%(. تم اعتماد إعداد سطح مناسب لتحقيق قوة التصاق عالية. أ جريت إختبارات الاحتكاك الجافة ،0.25 ،0( على الطلاء. تم دراسة تأثير ضغط التلامس وسرعة الإنزلاق ودرجة حرارة الاختبار والتزييت. وأظهرت النتائج أن للتآكل UHMWPE كانت عند نسبة تركيز وزنية 1% و التي حسنت مقاومة ال GNPs الكمية المثلى من تعزيز ال بنسبة 51 ٪ وتمكنت من الحفاظ على الضغوط المتواصلة والتي تصل إلى 6 ميجا باسكال. كما أيضا حافظت على تصل إلى 4 ميجاباسكال / ثانية ودرجات حرارة تصل إلى 115 درجة مئوية بالمقارنة )PV( عوامل ضغط و سرعة النقي و UHMWPE النقي الذي فشل عند 75 درجة مئوية. تم طلاء رمان دفع من الألمنيوم بال UHMWPE مع واختبر في درجة حرارة الغرفة. في الإختبار الجاف ، تحمل ال GNPs كذلك بالمدعم بنسبة وزنية 1% من ال ضغوط اتصال تصل إلى 0.8 ميجا باسكال مقارنة ب GNPs المدعم بنسبة وزنية 1% من ال UHMWPE المدعم بنسبة UHMWPE النقي و التي تحملت 0.3 ميجا باسكال. في إختبار التشحيم الحدودي ، ال UHMWPE النقي والتي تحملت 0.5 ميجا باسكال. UHMWPE تحمل 2.7 ميجا باسكال مقارنة ب GNPs وزنية 1% من ال أيضا ، كان الطلاء متوافق مع أنواع مختلفة من مواد التشحيم.
English Abstract
The main cause of plain bearing failure is the excessive wear during the starting of internal combustion engines due to insufficient lubrication. Various additives are added to lubricants to decrease the wear. Unfortunately, additives pose some dangers to the environment. To minimize these dangers, polymers are used as coatings on metallic bearings because of their ability to provide low friction and wear in dry sliding. However, at high temperature and high compressive stress, polymers cannot survive. Therefore, the main objective of this research is to develop an environmentally friendly self-lubricating Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE) nanocomposite coating reinforced with graphene nanoplatelets (GNPs) with improved tribological performance. Ultra-sonication was used to achieve uniform dispersion of the GNPs in the UHMWPE matrix. Bulk UHMWPE/GNPs nanocomposites with different compositions of GNPs were first developed and tested as a preliminary study. Then GNPs (0, 0.25, 1 and 2 wt. %) reinforced UHMWPE nanocomposite coatings were developed. An appropriate surface preparation was employed to achieve high adhesion strength. Dry wear tests were conducted on the coatings. The effect of contact pressure, sliding speed, test temperature and lubrication were investigated. The results showed that the optimum amount of GNPs reinforcement was 1 wt. %, which improved UHMWPE wear resistance by 51 % and the coating was able to sustain contact pressures up to 6 MPa. It also sustained pressure and velocity (PV) factor up to 4 MPa.m/s and temperatures up to 115 oC as compared to pure UHMWPE that failed at 75 oC. An aluminum thrust bearing was coated with pure and 1 wt. % GNPs reinforced UHMWPE and tested at room temperature. In the dry test, UHMWPE/1 wt. % GNPs coating withstood contact pressures up to 0.8 MPa as compared to pure UHMWPE that withstood 0.3 MPa. In the boundary lubrication test, UHMWPE/1 wt. % GNPs coating withstood 2.7 MPa as compared to pure UHMWPE that withstood only 0.5 MPa. Also, the coating was compatible with various types of lubricants.
| Item Type: | Thesis (PhD) |
|---|---|
| Subjects: | Chemistry Engineering Mechanical |
| Department: | College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering |
| Committee Advisor: | Al-Qutub, Amro |
| Committee Co-Advisor: | Mohammed, Abdul Samad |
| Committee Members: | Merah, Necar and Nouari, Saheb and Gasem, Zuhair |
| Depositing User: | Mr. Ismaila Kayode Aliyu |
| Date Deposited: | 16 Oct 2018 06:00 |
| Last Modified: | 30 Dec 2020 13:49 |
| URI: | http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140825 |