| Abstract | Friction and wear are recognized as one of the most puzzling problems, not only in many
engineering and manufacturing applications, but also in a fundamental scientific sense. In fact,
friction is a nonlinear stochastic effect with a distinct time, position and temperature variability.
While frictional phenomena on the macro- and meso-scales can be considered well described,
and their characteristic features can be simulated via suitable models, as well as generally
efficiently compensated by using proper control typologies, the study of friction, the parameters
that influence its value and the respective models in the nanometric domain are still in an early
stage, due to various experimental and modelling complexities.
The research performed in the framework of the doctoral thesis provides a scientific
contribution to the study of dry (unlubricated) friction by characterising the parameters
influencing its value at the nanometric scale, and especially the dependence of friction on
material properties, loading conditions, the velocity of motion, as well as temperature. The
characterisation of the dependence of friction on the listed parameters is based on experimental
measurements performed by employing a Scanning Probe Microscope (SPM). Due to the
number and variety of the monitored influences, the number and type of measurements is
determined by a state-of-the-art Design of Experiment (DoE) methodology by employing
Voronoi tessellations. To obtain predictive models linking the process variables to the value of
nanometric friction, the obtained measurement results are then validated numerically via a
thorough comparative analysis of state-of-the-art machine learning methods. Despite the
marked complexity of the analysed phenomena and the inherent dispersion of the
measurements, the developed symbolic regression models, show, depending on the type of the
sample, an excellent prediction accuracy between 72 and 91%. |
| Abstract (croatian) | Trenje i trošenje su jedan od najizazovnijih problema u mnogih inženjerskim i
proizvodnim primjenama. Doista, trenje je nelinearna stohastička pojava s izraženom
vremenskom, prostornom i temperaturnom varijabilnošću. Dok je trenje u makro- i mezodomeni dobro objašnjeno te je njegove učinke, primjerenim modelima, moguće modelirati i,
primjerenim sustavima regulacije, najčešće i uspješno kompenzirati, u nanometarskom
području je proučavanje trenja, parametara koji utječu na trenje, te nalaženje odgovarajućeg
modela tih pojavnosti još u zametku.
Karakterizacijom utjecajnih parametara u nanometarskom području, a posebice
ovisnosti trenja o svojstvima materijala, opterećenju, brzini relativnog gibanja te temperaturi
tribološkog para, istraživanje provedeno u sklopu doktorske disertacije daje znanstveni
doprinos izučavanju trenja klizanja bez podmazivanja. Eksperimentalno su analizirani tanki
filmovi pet različitih materijala: aluminijevog oksida (Al2O3), aluminija, molibden disulfida
(MoS2), titanijevog dioksida (TiO2) te martenzitnog nehrđajućeg čelika (X39CrMo17-1).
Doista, zbog povoljnih svojstava otpornosti na trošenje i njihove tvrdoće, prevlake od Al2O3 i
TiO2 su često korišteni materijali za primjene u mikro- i nanoelektromehaničkim sustavima
(M(N)EMS) kao i, općenito, u preciznim konstrukcijama. Ti su uzorci sintetizirani u obliku
tankog filma metodom taloženja atomskih slojeva (Atomic Layer Deposition – ALD) na
silicijev (Si) supstrat. Ostali proučavani uzorci su odabrani za istraživanje zbog njihove široke
primjene u općem strojarstvu te u preciznim konstrukcijama. Zbog povoljnih kliznih svojstava
sulfida, MoS2 se, tako, često koristi kao kruto mazivo. Čisti Al je jedan od najčešće korištenih
materijala za lake i precizne konstrukcije, dok je martenzitni nehrđaju čelik X39CrMo17-1
odabran kao predstavnik visokokvalitetne grupe čelika za strojne elemente. Ovi uzorci su
sintetizirani metodom taloženja pulsirajućim laserom (Pulsed Laser Deposition – PLD), što je
omogućilo i da se prvi puta postigne sintetiziranje tankog filma visokolegiranog čelika.
Eksperimentalno mjerenje pretražnim mikroskopom atomskih sila u modalitetu rada
mjerenja poprečne sile (Lateral Force Microscopy – LFM) vršeno je na svim uzorcima
strukturiranim načinom u eksperimentalnim točkama definiranim trima promjenjivim
tehnološkim parametrima: normalnom silom FN = 10...150 nN, brzinom klizanja v = 5...500
nm/s i temperaturom = 20...80 °C. Pedeset mjernih točaka je pritom definirano Voronoi
teselacijskom Design of Experiment (DoE) metodom podjele domene mjerenja u granicama
promjene navedenih utjecajnih parametara, te je mjerenje u svakoj točki ponovljeno pet puta,
Marko Perčić: Characterization of Parameters Influencing Friction in the Nanometric Domain
pa je tako u analizi ukupno izvršeno 1,250 mjerenja. Eksperimentalna metodologija je u tom
kontekstu strukturirana na način da u kalibracijskom postupku uzima u obzir i promjenjive
učinke adhezije ali i vodeći računa o potrebi kompenzacije temperaturnih rastezanja.
Razvijenom metodologijom je po prvi puta uopće postignuto mjerenje trenja na nanometarskoj
razini s tri promjenjive veličine.
Dobiveni rezultati mjerenja omogućavaju ne samo uvid u ponašanje pojedinog
analiziranog materijala u danim promjenjivim uvjetima, već i određivanje korelacijskih
funkcija koje povezuju parametre procesa s vrijednošću sile trenja na nanometarskoj razini.
Temeljita komparativna analiza primjene različitih naprednih metoda strojnog učenja na mjerne
podatke je omogućila određivanje korelacijskih funkcija, odnosno prediktivnog modela trenja.
Usprkos kompleksnosti analiziranih fizikalnih pojava te značajnom rasipanju mjernih rezultata,
provedena je analiza omogućila da se, ovisno o uzorku, primjenom razvijenog matematičkog
modela metodom simboličke regresije, dobije točnost predviđanja sile trenja, u odnosu na radne
parametre, na razini od 72 do 91%. Takva izvanredna točnost predikcije omogućava ne samo
uvid u funkcijsku ovisnost trenja na nanometarskoj razini o promatranim varijablama, nego i
stvara preduvjete za proširenje postojećih modela trenja, čime bi se njihova praktična
primjenjivost proširila i na nanometarsku razinu. |
