Influence of the Gas Atmosphere on the Formation of Low-Friction Molybdenum- and Tungsten Diselenides

Abstract

2D-Materialien haben aufgrund ihres großen Potenzials zur Reibungs- und Verschleißminimierung im Bereich der Tribologie große Beachtung gefunden. Unter diesen Materialien werden TMDs, insbesondere MoS2 und WS2, aufgrund ihrer reibungsmindernden Eigenschaften in der Industrie vielfältig eingesetzt. Selenide haben jedoch unter verschiedenen Bedingungen bessere Eigenschaften als MoS2 gezeigt. Zu den jüngsten Fortschritten zählt eine neuartige Methode zur Synthese von TMD-Schichten auf Molybdän- oder Wolframbeschichtungen unter Verwendung von Selenpulver als in operando Methode. In dieser Arbeit wird untersucht, wie sich der Sauerstoff- und Feuchtigkeitsgehalt auf die Reibungs- und Verschleißeigenschaften von TMD-Schichten auswirken, wobei der Schwerpunkt auf Molybdän- und Wolframseleniden als Festschmierstoffe lag. Mit Hilfe eines Kugel-Scheibe-Tribometers, das in einer selbstgebauten Inertgas-Kammer betrieben wurde, wurde das tribologische Verhalten von MoSe2- und WSe2-Schichten im Tribofilm unter Umgebungsluft, 10% Sauerstoff, Stickstoff und Argon Atmosphäre untersucht. Die Methodik umfasste mehrere Materialcharakterisierungstechniken wie TEM, EDX, CLSM und Raman-Spektroskopie, um die Tribofilme und Verschleißspuren zu untersuchen. Die Ergebnisse unterstreichen, dass MoSe2- und WSe2-Schichten, unabhängig von den atmosphärischen Bedingungen, niedrige Reibungswerte (unter 0.1) beibehalten und eine sehr gute Verschleißfestigkeit aufweisen. Insbesondere wird in der Studie der Einfluss der Gasatmosphäre auf die Haltbarkeit dieser reibungsarmen Schichten hervorgehoben, wobei ein geringerer Sauerstoff- und Feuchtigkeitsgehalt die Lebensdauer der TMD-Schichten aufgrund ihrer Anfälligkeit für eine schnelle Oxidation deutlich erhöhte. Das verdeutlicht die Wirksamkeit von MoSe2 und WSe2 als in operando gebildete Festschmierstoffe, insbesondere in extremen Umgebungen wie dem Weltraum. Das Problem der verminderten Lebensdauer und der Oxidation von TMDs durch Umwelteinflüsse kann durch die einfache, aber effektive Methode der wiederholten Nachfüllung vermieden werden.

2D materials have been receiving a lot of attention in the field of tribology due to their exceptional potential to minimize friction and wear. Among these materials, Transition Metal Dichalcogenides (TMDs), especially MoS2 and WS2, have been greatly used in industrial applications due to their excellent tribological properties. However, selenides have demonstrated superior performance compared to sulfides under various conditions. Recent research developments include a novel method for synthesizing TMD layers on molybdenum or tungsten coatings using selenium powder in an in operando method. This study explores how oxygen and humidity levels impact the friction and wear characteristics of TMD layers, with a focus on molybdenum and tungsten diselenides as solid lubricants. Using a ball-on-disc tribometer inside a custom built inert gas chamber, we assessed the tribological behavior of MoSe2 and WSe2 layers under ambient air, 10% oxygen, nitrogen, and argon atmosphere. The methodology included several material characterization techniques such as Transmission Electron Microscopy (TEM), Energy-Dispersive X-ray (EDX), Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM), and Raman spectroscopy to carefully examine the tribofilms and wear tracks.The results emphasized that MoSe2 and WSe2 layers maintain low Coefficients Of Friction (COFs) (below 0.1) and exhibit superb wear resistance, independent of the atmospheric conditions. Notably, the study highlights the influence of the gas atmosphere on the durability of these low-friction layers, as reduced oxygen and humidity levels significantly increased the wear life of the TMD layers due to their susceptibility to fast oxidation. This shows that in operando formed MoSe2 and WSe2 layers are effective solid lubricants, especially in extreme environments like space. The issue of reduced wear life and degradation of TMDs from environmental influences can be avoided through the simple yet effective method of repeated replenishment.