TRIBOLOGICAL EVALUATION OF POLYETHER ETHER KETONE (PEEK) NANOCOMPOSITE COATINGS REINFORCED WITH CERIA. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS Thesis_Amal Ameen Seenath_Final Draft.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 30 December 2025. Download (8MB)

Arabic Abstract

يزيد التلامس المعدني بين الأجزاء المتحركة من الاحتكاك والتآكل، مما يؤدي إلى تغيير الخصائص الميكانيكية والحرارية للأسطح المتلامسة. يؤدي ذلك إلى تدهور أسرع للمواد ومكونات الآلات، مما يقلل من عمر المنتجات. تُعد الطلاءات السطحية واحدة من أكثر التقنيات موثوقية بين الأساليب المختلفة التي يعتمدها الباحثون لحماية الأسطح. وتوصي المهندسون في مختلف المنظمات باستخدام أنظمة الطلاء المركبة للتطبيقات التي تتطلب الحماية من مجموعة من الأوساط المسببة للتآكل. في هذا المجال، هناك بحث مستمر عن طلاءات جديدة يمكنها تحمل الظروف التآكلية القاسية دون المساس بسلامتها الميكانيكية أو عمرها الافتراضي. تُعتبر التحليلات التآكلية أساسية لتقييم فعالية هذه الطلاءات لأنها توفر معلومات عن خصائص التآكل، والتشحيم، والاحتكاك. نتيجة لذلك، تُستخدم الطلاءات البوليمرية والبوليمرية المركبة على نطاق واسع لحماية المكونات المعدنية من التآكل تحت ظروف مختلفة. يُعتبر البولي إيثر إيثر كيتون أحد هذه البوليمرات شبه البلورية ذات الأداء العالي، حيث يتميز بمزيج فريد من الخصائص، بما في ذلك الاستقرار الحراري الممتاز، والمقاومة الكيميائية الجيدة، والقوة الميكانيكية الاستثنائية، وخصائص تآكلية جيدة نسبيًا. علاوة على ذلك، يواجه البولي إيثر إيثر كيتون، مثل العديد من البوليمرات، مشاكل التحلل عند التعرض للأشعة فوق البنفسجية بمرور الوقت، مما قد يؤدي إلى تدهور خصائصه السطحية وسلامته الميكانيكية. تُعتبر جسيمات ثاني أكسيد السيريوم، وهي مركب معدني نادر، مادة تتمتع بقوة ميكانيكية استثنائية، واستقرار حراري، ومقاومة للأشعة فوق البنفسجية، مما يجعلها مرغوبة للاستخدام في البيئات الصناعية القاسية. تُضاف هذه الجسيمات لتحسين قدرة الطلاء على تحمل الأحمال وتحسين الخصائص الميكانيكية ومقاومة الأشعة فوق البنفسجية. لذلك، كان الهدف الرئيسي من هذا العمل هو تطوير طلاء نانوي مركب من البولي إيثر إيثر كيتون معزز بجسيمات ثاني أكسيد السيريوم لاستخدامه في تطبيقات المحامل تحت ظروف التشحيم الجاف. في المرحلة الأولى من العمل، تمت دراسة الخشونة السطحية المثالية لتحقيق أفضل مستوى التصاق للطلاءات المترسبة من البولي إيثر إيثر كيتون النقي على ركائز من الصلب الطري. بعد ذلك، وبناءً على المسح الأدبي، أُجريت تجارب لتحديد التقنية المثلى لتشتيت الجسيمات، مثل الطحن الكروي والموجات فوق الصوتية، لتطوير مسحوق نانوي متجانس من البولي إيثر إيثر كيتون وثاني أكسيد السيريوم. في المراحل اللاحقة، تم تطوير طلاءات من البولي إيثر إيثر كيتون معززة بنسب مختلفة من جسيمات ثاني أكسيد السيريوم (‏٠.٥‏، ‏١.٥‏، ‏٣‏ بالمائة بالوزن)، وتم ترسيبها باستخدام تقنية الرش الكهروستاتيكي على ركائز صلب طري ذات خشونة محسّنة. تم تقييم الخصائص الميكانيكية والتآكلية لهذه الطلاءات تحت أحمال عالية (‏٥٠‏، ‏٦٠‏، ‏٧٠‏ نيوتن) وسرعات انزلاق عالية (‏٠.١‏، ‏٠.٢‏، ‏٠.٣‏ متر لكل ثانية). بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم خصائص مقاومة الخدش لنسب ‏٠.٥‏، ‏١.٥‏، ‏٣‏ بالمائة لاختبار قوة الالتصاق ودرجة التصاق الطلاءات. تم اختبار الطلاء النانوي الأمثل ضد مواد تلامس مختلفة (ألومينا، كربيد التنجستن، نيتريد السيليكون، وفولاذ مقوى من النوع ٤٤٠سي) لدراسة التأثير التآكلي لمواد التلامس المختلفة. علاوة على ذلك، تم تعريض الطلاءات المثلى للأشعة فوق البنفسجية لدراسة أداء التآكل ومقاومة الخدش. أُجريت اختبارات التآكل باستخدام تقنية الكرة على القرص، حيث تم استخدام كرة من الألومينا كوجه ملامس. تم استخدام حيود الأشعة السينية، وتحليل الطيف بالأشعة تحت الحمراء، والتحليل الحراري الوزني، واختبارات الصلادة الدقيقة، والمجهر الإلكتروني الماسح، وتقنية قياس تضاريس السطح الضوئية لتوصيف الخصائص الكيميائية والميكانيكية للطلاءات من حيث توزيع الجسيمات النانوية، والتضاريس السطحية، وآليات التآكل. أظهرت النتائج أن طلاء البولي إيثر إيثر كيتون المعزز بنسبة ‏١.٥‏ بالمائة من جسيمات ثاني أكسيد السيريوم لم يفشل حتى بعد ‏٥٠٠٠٠‏ دورة تحت حمل ‏٩٠‏ نيوتن وبسرعة خطية قدرها ‏٠.٤‏ متر لكل ثانية، وأيضًا تحت حمل ‏٧٠‏ نيوتن وبسرعة ‏٠.٥‏ متر لكل ثانية، مما يدل على تحسن كبير في مقاومة التآكل مقارنةً بالطلاءات ذات نسب ‏٠.٥‏ و‏٣‏ بالمائة من جسيمات ثاني أكسيد السيريوم. كما أظهرت اختبارات مقاومة الأشعة فوق البنفسجية والخدش الأداء الاستثنائي للطلاء المعزز بنسبة ‏١.٥‏ بالمائة.

English Abstract

Metal-to-metal contact in moving parts increases friction and wear, which alter the mechanical and thermal properties of the contacting surfaces. This results in faster deterioration of the materials/machine components, reducing the life of products. Surface coating is one of the most reliable techniques among the various approaches adopted by researchers to protect material surfaces. Composite coating systems are generally recommended by specifying engineers of various organizations for applications demanding protection from a range of corrosive media. Within this field, there is a constant search for novel coatings that can endure severe tribological conditions without compromising their mechanical integrity or longevity. Tribological analyses are essential for assessing the effectiveness of these coatings since they provide information on their wear, lubrication, and friction characteristics. As a result, polymer and polymer composite coatings are widely employed to protect metallic components against wear under various conditions. Polyether Ether Ketone (PEEK) is one such semi-crystalline, high-performance thermoplastic engineering material that provides a distinctive combination of properties including excellent thermal stability, good chemical resistance, exceptional mechanical strength, and reasonably good tribological properties. Moreover, PEEK, like many polymers, faces degradation issues when exposed to ultraviolet (UV) radiation over time. The exposure can lead to photodegradation, affecting its surface properties and mechanical integrity. Ceria nanoparticles, a rare earth metal compound that exhibits exceptional mechanical strength, thermal stability, and resistance to UV radiation, make it highly desirable for use in demanding industrial environments and are added to improve the load-bearing capacity of the coating and to improve the mechanical properties and resistance against UV exposure. Hence the main objective of this work is to develop a nanocomposite coating of PEEK reinforced with cerium dioxide/ceria (CeO2) for bearing applications under dry lubricated conditions. In the initial phase of our work, the ideal surface roughness required to achieve the optimum adhesion level of the deposited pristine PEEK coatings on mild steel substrates was studied. Later, based on the literature survey conducted, experimental investigations were performed to determine the ideal dispersion technique, namely ball milling, and probe sonication, required to develop homogenous PEEK/ceria nanocomposite powder. In the next phases of our study, PEEK coatings reinforced with different loadings (0.5, 1.5, and 3 wt%) of cerium dioxide/ceria (CeO2) nanofillers were developed and deposited using an electrostatic spraying technique on mild steel substrates with optimized roughness parameters and their mechanical and tribological properties are evaluated under significantly higher loads (50, 60 and 70 N) and higher sliding speeds (0.1, 0.2, 0.3 m/s). In addition to it, the scratch resistance properties of the different loadings (0.5, 1.5, and 3 wt%) were also evaluated to obtain the bonding strength and degree of adhesion of the developed coatings. The optimized nanocomposite coating was then tested against different counterface materials (Alumina, Tungsten Carbide, Silicon nitride, and 440C Hardened Steel) to obtain the tribological effect of various counterparts on the developed coatings. Furthermore, the optimized coatings were then subjected to ultraviolet (UV) exposure to study the wear performance and scratch resistance. Ball-on-disk configuration wear tests were conducted with an alumina ball as a counter face. X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, thermogravimetric analysis (TGA), microhardness tests, scanning electron microscopy (SEM), and optical profilometry techniques were conducted to characterize the chemical and mechanical properties of the coatings in terms of dispersion of the nanofillers, morphology, and wear mechanisms, respectively. Results show that the PEEK coating reinforced with 1.5 wt% of ceria nanoparticles did not fail even until ~50,000 cycles at a normal load of 90 N and a linear speed of 0.4 m/s and at a normal load of 70 N and a linear speed of 0.5 m/s showing a significant improvement in wear resistance as compared to PEEK reinforced with 0.5 and 3 wt% ceria loadings. The UV resistance and the scratch tests conducted also highlighted the exceptional performance of the 1.5 wt% loaded ceria nanocomposite coatings.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Samad, Dr. M. Abdul
Committee Members:	Akhtar, Dr. Syed Sohail and Toor, Dr. Ihsan Ul Haq
Depositing User:	AMAL SEENATH (g202203660)
Date Deposited:	31 Dec 2024 08:45
Last Modified:	31 Dec 2024 08:45
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143199