Збірник наукових праць Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Рік 2025 Том 23, Випуск 3
Завантажити повну версію статті (PDF, Англійською / In English) Open Access

R. V. LYTVYN1, N. B. KONIH-ETTEL1, І. А. POLIAKOV1, І. V. KUD1, О. М. MYSLYVCHENKO1, V. G. KOLESNICHENKO1, О. М. POSTRELKO1, L. M. KULIKOV1, M. Yu. BARABASH2,3,4,5, and О. B. ZGALAT-LOZYNSKYY1

1I. M. Frantsevych Institute for Problems of Materials Sciences, N.A.S. of Ukraine, 3, Omeljan Pritsak Str., UA-03142 Kyiv Ukraine
2Technical Centre, N.A.S. of Ukraine, 13, Pokrovs'ka Str., UA-04070 Kyiv, Ukraine
3National Technical University of Ukraine 'Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute', 37, Beresteiskyi Ave., UA-03056 Kyiv, Ukraine
4Gas Institute, N.A.S. of Ukraine, 39, Degtyarivska Str., UA-03113 Kyiv, Ukraine
5Institute for Applied Control Systems, N.A.S. of Ukraine, 42, Academician Hlushkov Ave., UA-03187 Kyiv, Ukraine

Si3N4–TiN Wear-Resistant Composite Ceramics with a Surface Layer of 2D MoSSe Nanostructures

879–894 (2025)

PACS numbers: 06.60.Vz, 61.05.cp, 62.20.Qp, 62.23.Pq, 68.37.Hk, 81.20.Ev, 81.40.Pq

Надійшла 16 липня 2025 р.

В роботі представлено результати дослідження з розробки та триботестування системи з композиційної кераміки складу Si3N4–25 мас.% TiN із поверхневим шаром твердого мастильного матеріялу з нанокристалічного порошку твердого розчину заміщення сульфідоселеніду Молібдену 2D-MoSSe. Композиційний порошок Si3N4–TiN одержано термічною синтезою з прекурсорів. Компактні керамічні зразки із густиною у 0,98 від теоретичної та мікротвердістю у 15,7 ГПа виготовлено методом іскроплазмового спікання за максимальної температури у 1800°C. Наноструктури 2D-МоSSe синтезовано методом хемічного осадження з парової фази. Шар твердого мастила з наноструктур 2D-MoSSe нанесено на поверхню керамічних зразків методом ультразвукового осадження в етилені з наступною сушкою та відпалом за температури у 200°С. Проведено триботести в умовах сухого тертя та з шаром твердого мастила за схемою площина–куля у контакті з керамічним і крицевим контртілами. Показано, що присутність 2D-MoSSe істотно понижує силу тертя та лінійний знос: у парі з керамічним контртілом лінійний знос зменшується у 10–20 разів залежно від режиму навантаження. У порівнянні з сухим тертям сила тертя в трибосистемі з твердим мастилом зменшується для крицевого індентора за динамічних умов навантаження в 2–6 разів, для керамічного індентора — в 2–10 разів в залежності від тривалости тертя. За даними сканувальної електронної мікроскопії та енергодисперсійної рентґенівської спектроскопії у трибосистемі кераміка–мастильний шар–крицеве контртіло утворюється щільний трибошар на основі 2D-MoSSe, який сприяє пониженню адгезійного й абразивного зношування під час тертя. Одержані результати створюють передумови для застосування розроблених матеріялів у гібридних вальницях та інших вузлах тертя, що працюють в екстремальних умовах.

КЛЮЧОВІ СЛОВА: композиційна кераміка, Si3N4, TiN, іскроплазмове спікання, тверде мастило, 2D-наноструктури, MoSSe, зносостійкість

Цитування:
R. V. Lytvyn, N. B. Konih-Ettel, І. А. Poliakov, І. V. Kud, О. М. Myslyvchenko, V. G. Kolesnichenko, О. М. Postrelko, L. M. Kulikov, M. Yu. Barabash, and О. B. Zgalat-Lozynskyy, Si3N4–TiN Wear-Resistant Composite Ceramics with a Surface Layer of 2D MoSSe Nanostructures, Nanosistemi, Nanomateriali, Nanotehnologii, 23, No. 3: 879–894 (2025); https://doi.org/10.15407/nnn.23.03.0879

Фінансування / Подяки:
The authors of the paper R. V. Lytvyn, І. V. Kud, N. B. Konih-Ettel, L. І. Kulikov, О. B. Zgalat-Lozynskyy note that the presented investigations were performed with support of the National Research Foundation of Ukraine, project No. 2023.04/0046 'New lubricant additives of 2D-nanostructures of solid solutions of transition metal dichalcogenides for the modification of ceramic and hybrid bearings for aviation equipment'.
The authors thank Dr. Lev Axelrud from the Ivan Franko National University of Lviv, Ukraine, for the x-ray analysis.

ЛІТЕРАТУРА
  1. P. Švec, A. Brusilová, and J. Kozánková, Materials Engineering, 16(1): 34 (2008).
  2. M. Belmonte, P. Miranzo, M. I. Osendi, and J. R. Gomes, Wear, 266(1–2): 6 (2009); https://doi.org/10.1016/j.wear.2008.05.004
  3. B. Su, C. Lu, and C. Li, Machines, 12(8): 510 (2024); https://doi.org/10.3390/machines12080510
  4. V. G. Kolesnichenko, O. B. Zgalat-Lozinskii, V. T. Varchenko, M. Herrmann, and A. V. Ragulya, Powder Metall. Met. Ceram., 53(11–12): 680 (2015); https://doi.org/10.1007/s11106-015-9663-1
  5. O. Zgalat-Lozynskyy, I. Kud, L. Ieremenko, L. Krushynska, D. Zyatkevych, K. Grinkevych, O. Myslyvchenko, V. Danylenko, S. Sokhan, and A. Ragulya, J. Eur. Ceram. Soc., 42(7): 3192 (2022); https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2022.02.033
  6. K. Adachi, K. Hokkirigawa, and K. Kato, Wear, 151(2): 291 (1991); https://doi.org/10.1016/0043-1648(91)90256-T
  7. O. Zgalat-Lozynskyy, V. Varchenko, N. I. Tischenko, A. Ragulya, M. Andrejczuk, and A. Polotai, Tribol. Int., 91: 85 (2015); https://doi.org/10.1016/j.triboint.2015.06.027
  8. I. Schulz, M. Herrmann, I. Endler, I. Zalite, B. Speisser, and J. Kreusser, Lubr. Sci., 21(2): 69 (2009); https://doi.org/10.1002/ls.72
  9. M. Herrmann, Z. Shen, I. Schulz, J. Hu, and B. Jancar, J. Mater. Res., 25(12): 2354 (2010); https://doi.org/10.1557/jmr.2010.0313
  10. O. Zgalat-Lozynskyy, A. Ragulya, M. Herrmann, M. Andrzejczuk, and A. Polotai, Arch. Metall. Mater., 57(3): 853 (2012); https://doi.org/10.2478/v10172-012-0093-5
  11. F. Gutierrez-Mora, A. Erdemir, K. C. Goretta, and J. L. Routbort, Tribol. Lett., 18(2): 231 (2005); https://doi.org/10.1007/s11249-004-2747-6
  12. O. Zgalat-Lozynskyy, M. Andrzejczuk, V. Varchenko, M. Herrmann, A. Ragulya, and A. Polotai, Mater. Sci. Eng. A, 606: 144 (2014); https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.03.109
  13. V. G. Kolesnichenko, V. P. Popov, O. B. Zgalat-Lozinskii, L. A. Klochkov, T. F. Lobunets, A. I. Raichenko, and A. V. Ragulya, Powder Metall. Met. Ceram., 50(3–4): 202 (2011); https://doi.org/10.1007/s11106-011-9313-1
  14. J. Tatami, E. Kodama, H. Watanabe, H. Nakano, T. Wakihara, K. Komeya, T. Meguro, and A. Azushima, J. Ceram. Soc. Jpn., 116(1354): 749 (2008); https://doi.org/10.2109/jcersj2.116.749
  15. O. B. Zgalat-Lozynskyy, L. I. Ieremenko, I. V. Tkachenko, K. E. Grinkevich, S. E. Ivanchenko, A. V. Zelinskiy, G. V. Shpakova, and A. V. Ragulya, Powder Metall. Met. Ceram., 60(9): 597 (2022); https://doi.org/10.1007/s11106-022-00272-2
  16. K. Holmberg and A. Erdemir, Friction, 5(3): 263 (2017); https://doi.org/10.1007/s40544-017-0183-5
  17. B. R. Manu, A. Gupta, and A. H. Jayatissa, Materials, 14(7): 1630 (2021); https://doi.org/10.3390/ma14071630
  18. M. Samadi, Nanoscale Horiz., 3(2): 90 (2018); https://doi.org/10.1039/C7NH00137A
  19. D. Berman, A. Erdemir, and A. V. Sumant, ACS Nano, 12(3): 2122 (2018); https://doi.org/10.1021/acsnano.7b09046
  20. D. Berman, S. A. Deshmukh, S. K. R. S. Sankaranarayanan, A. Erdemir, and A. V. Sumant, Science, 348(6239): 1118 (2015); https://doi.org/10.1126/science.1262024
  21. Y. Meng, J. Xu, Z. Jin, B. Prakash, and Y. Hu, Friction, 8(2): 221 (2020); https://doi.org/10.1007/s40544-020-0367-2
  22. H. Li, J. Wang, S. Gao, Q. Chen, L. Peng, K. Liu, and X. Wei, Adv. Mater., 29(27): 1701474 (2017); https://doi.org/10.1002/adma.201701474
  23. R. Lytvyn, I. Kud, O. Myslyvchenko, R. Medyukh, L. Krushynska, and O. Zgalat-Lozynskyy, Int. J. Appl. Ceram. Technol., 21(4): 2596 (2024); https://doi.org/10.1111/ijac.14683
  24. I. V. Kud, L. I. Ieremenko, L. A. Krushynska, D. P. Zyatkevych, O. B. Zgalat-Lozynskyi, and O. V. Shyrokov, Springer Proc. Phys., 247: 23 (2020); https://doi.org/10.1007/978-3-030-52268-1_2
  25. O. Zgalat-Lozynskyy, M. Herrmann, and A. Ragulya, J. Eur. Ceram. Soc., 31(5): 809 (2011); https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2010.11.030
  26. L. M. Kulikov, N. B. Konig-Ettel, L. Yu. Matzui, A. P. Naumenko, T. A. Len, I. V. Ovsiienko, and V. I. Matzui, Springer Proc. Phys., 195: 845 (2017); https://doi.org/10.1007/978-3-319-56422-7_65
  27. L. Akselrud and Y. Grin, J. Appl. Crystallogr., 47(2): 803 (2014); https://doi.org/10.1107/S1600576714001058
  28. J. Yao, Y. Wu, J. Sun, J. Tian, P. Zhou, Z. Bao, Z. Xia, and L. Gao, Mater. Res. Express, 8(3): 035701 (2021); https://doi.org/10.1088/2053-1591/abe8ab
  29. D. A. Lesyk, S. Martinez, B. N. Mordyuk, V. V. Dzhemelinskyi, А. Lamikiz, G. I. Prokopenko, M. O. Iefimov, and K. E. Grinkevych, Wear, 462–463: 203494 (2020); https://doi.org/10.1016/j.wear.2020.203494
  30. D. A. Lesyk, S. Martinez, B. N. Mordyuk, V. V. Dzhemelinskyi, А. Lamikiz, G. I. Prokopenko, Yu. V. Milman, and K. E. Grinkevych, Surf. Coat. Technol., 328: 344 (2017); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.08.045
  31. B. N. Mordyuk, G. I. Prokopenko, Yu. V. Milman, M. O. Iefimov, K. E. Grinkevych, A. V. Sameljuk, and I. V. Tkachenko, Wear, 319(1–2): 84 (2014); https://doi.org/10.1016/j.wear.2014.07.011
  32. R. J. Yeo, N. Dwivedi, L. Zhang, Z. Zhang, C. Y. H. Lim, S. Tripathy, and C. S. Bhatia, Nanoscale, 9(39): 14937 (2017); https://doi.org/10.1039/C7NR03737F
  33. R. V. Lytvyn, K. E. Grinkevich, O. M. Myslyvchenko, I. V. Trachenko, O. M. Bloschanevych, S. E. Ivanchenko, O. V. Derev'yanko, A. I. Stegniy, V. D. Belik, and O. B. Zgalat-Lozynskyy, Powder Metall. Met. Ceram., 62(9): 611 (2024); https://doi.org/10.1007/s11106-024-00421-9
  34. M. V. Zamula, A. V. Derevyanko, V. G. Kolesnichenko, O. B. Zgalat-Lozinskii, and A. V. Ragulya, Powder Metall. Met. Ceram., 54(1): 1537 (2015); https://doi.org/10.1007/s11106-015-9673-z
  35. K. Grinkevych, O. Zgalat-Lozynskyi, N. Konih-Ettel, S. Dudka, I. Kud, S. Kyryliuk, E. Muñoz-Cortés, and R. Nevshupa, Tribol. Int., 212: 110913 (2025); https://doi.org/10.1016/j.triboint.2025.110913