Coatings are often used on critical components in machines and engines to reduce wear and to provide low friction in order to reduce energy losses and the environmental impact. A triboactive coating not only provides this desired performance, it also actively maintains the low friction by a structural or chemical change in a very thin top layer of these already micrometer thin coatings. This so-called tribofilm is often 5-50 nm thick and can be formed either from the coating itself or by a reaction with the counter surface or the surrounding atmosphere, i.e. gas, fuel, oil, etc. The tribofilm will maintain the wanted performance for as long as the system is not chemically disturbed. This thesis provides a detailed overview of the functionality of triboactive low-friction coatings, in many different systems. The majority of the tribofilms discussed, formed in very different environments, are built up by tungsten disulfide (WS2), which is a material similar to graphite, with a lamellar structure where strongly bonded atomic planes may slip over each other almost without resistance. The major difference is that WS2 is an intrinsically triboactive material, while graphite is not. However, graphite and other carbon-based materials can be made triboactive in certain atmospheres or by addition of other elements, such as hydrogen. The remarkable affinity and driving force to form such WS2 low-friction tribofilms, regardless of the initial states of the sulfur and tungsten, and even when the forming elements are present only at ppm levels, is a recurrent observation in the thesis. Addition of an alloying element to sputtered coatings of WS2 can improve its mechanical and frictional properties significantly. Several promising attempts have been made to find good candidates, out of which a few important ones are investigated in this thesis. Their achievable potential in friction reductions is demonstrated. By reducing friction, energy losses can be avoided, which also results in lower particle and exhaust emissions, which directly reduces the environmental impact. Triboactive coatings are shown to be a promising route to significantly improve tribological applications and allow more environmental friendly and energy efficient vehicles.

The widespread use of low friction PVD coatings on machine elements is limited by the high costs associated with fulfilling the demands on the surface quality of both the supporting substrate and the counter surface. In this work, an attempt is made at lowering these demands, by adding a sacrificial carbon overcoat to a TaC/aC low friction coating. Both coatings were deposited by planar magnetron DC sputtering, as separate steps in a single PVD-process. Coatings were deposited on substrates of two different surface roughnesses, in order to test the ability of this coating system to function on rougher substrates. Reciprocating ball on disc tests was performed, using balls with two different surface roughnesses. The worn surfaces were investigated using 3-D profilometry and SEM. The ability of the different overcoats to initially reduce the roughness of both the coated surface and the counter surface and to produce stable, low-friction conditions was examined for the different initial roughnesses. The implications for design of efficient run-in coatings for various systems are discussed.

Τα τελευταία χρόνια έχει σημειωθεί έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον στο πεδίο της σχεδίασης, κατασκευής και βελτιστοποίησης διατάξεων κατάλληλων για ηλιακό έλεγχο στα κτήρια. Τέτοιες διατάξεις είναι τα ηλεκτροχρωμικά ή «έξυπνα» παράθυρα, τα οποία παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των συμβατικών παραθύρων. Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται η ανάπτυξη λογισμικού σχεδίασης συνδυασμένων ηλεκτροχρωμικών και διάφανων αγώγιμων επιστρώσεων, καθώς και η κατασκευή, μελέτη και σύγκριση επιλεγμένων δειγμάτων στο εργαστήριο. Υφιστάμενος υπολογιστικός κώδικας βασισμένος στη θεωρία του χαρακτηριστικού πίνακα συμπληρώθηκε με αλγόριθμους Monte Carlo για την οπτική σχεδίαση των επιστρώσεων της μορφής Διηλεκτρικό/Μέταλλο/WO3 ή Δ/Μ/WO3. Σε αυτές τις επιστρώσεις το ηλεκτροχρωμικό υμένιο του WO3 εξυπηρετεί διπλό σκοπό: Ως διηλεκτρικό, κατάλληλου δείκτη διάθλασης και πάχους, δρα ως αντι-ανακλαστικό του μετάλλου στη διαυγή του κατάσταση, ενώ, στη χρωματισμένη κατάσταση, ως LixWO3, απορροφά την ακτινοβολία στο ορατό μειώνοντας τη διαπερατότητα στα επιθυμητά επίπεδα. Συνολικά, σχεδιάστηκαν 4 είδη επιστρώσεων, συνδυάζοντας διαφορετικά διηλεκτρικά υλικά και τα μέταλλα Ag, Au, ενώ έγιναν προσομοιώσεις των καμπύλων φασματικής διαπερατότητας και ανακλαστικότητας για διαφορετικά πάχη του ηλεκτροχρωμικού υμενίου WO3. Όλες οι επιστρώσεις μελετήθηκαν ως προς την ευαισθησία τους στη διακύμανση του πάχους των υμενίων που τα αποτελούν και υπολογίστηκαν οι χρωματικές τους συντεταγμένες. Προέκυψε ότι, βέλτιστη επίστρωση είναι η Γυαλί/ZnS(34nm)/Ag(15 nm)/WO3 (326 nm) με υψηλή φωτεινή διαπερατότητα και με αρκετά παχύ υμένιο WO3 ώστε να εξασφαλίζεται ικανοποιητικό επίπεδο χρωματισμού. Προομοιώσεις των επιστρώσεων στη χρωματισμένη κατάσταση αποκάλυψαν μία ασυμμετρία σχετικά με τις ιδιότητες της συσκευής ανάλογα με την κατεύθυνση πρόσπτωσης του φωτός, όπου παρατηρείται υψηλή απορρόφηση στο ορατό, από τη μία κατεύθυνση και από την αντίθετη, υψηλή ανάκλαση στο υπέρυθρο. Αυτή η ιδιότητα επιβεβαιώθηκε πειραματικά και δεν έχει παρατηρηθεί σε άλλες τυπικές ηλεκτροχρωμικές συσκευές. Αντικατάσταση του υμενίου ZnS από το WO3, του Αg από Au και η προσθήκη ενός τέταρτου προστατευτικού υμενίου Al2O3 ανάμεσα στα υμένια Ag και WO3 αποτελούν ικανοποιητικές εναλλακτικές λύσεις. Επιστρώσεις της μορφής Γυαλί/WO3/Ag/WO3 παρασκευάστηκαν στο εργαστήριο με εξάχνωση δέσμης ηλεκτρονικού πυροβόλου. Οι επιστρώσεις αυτές ήταν διαφανείς στο ορατό μεφωτεινή διαπερατότητα 0.57, ανακλαστικές στο υπέρυθρο με χαμηλή αφετική ικανότητα ε=0.09 και ηλεκτρικά αγώγιμες με αντίσταση φύλλου Rsheet=9Ω μικρότερη σε σύγκριση με άλλα διαφανή αγώγιμα οξείδια Τα πάχη των επιστρώσεων υπολογίστηκαν με ακρίβεια έως και 98% με χρήση λογισμικού προσαρμογής των πειραματικών καμπύλων διαπερατότητας, το οποίο κατασκευάστηκε για αυτό το σκοπό.Οι παραπάνω επιστρώσεις ενσωματώθηκαν σε ηλεκτροχρωμικές συσκευές της μορφής Γυαλί/WO3/Ag/WO3/1M LiCLO4-PC/SnO2:F/glass και στη συνέχεια εξετάστηκαν ως προς τις οπτικές τους ιδιότητες. Από τα φάσματα διαπερατότητας, ανακλαστικότητας και απορρόφησης των επιστρώσεων προέκυψαν σημαντικές παρατηρήσεις, όπως η διαφορετική συμπεριφορά των επιστρώσεων ανάλογα με την κατεύθυνση πρόσπτωσης του φωτός με μεγάλη απορρόφηση στο ορατό. / In recent years a considerable research effort has been directed towards the design, fabrication and optimization of devices suitable for solar control applications. These devices are also referred as electrochromic or “smart” windows which have several advantages compared to conventional shadings and solar control devices. In the present thesis a computer code has been developed for the design of combined electrochromic-transparent conducting coatings some of which have been also constructed in our laboratory for studying and comparison. A computer code, based on the characteristic matrix formulation, and a Monte Carlo algorithm have been devised for the optical design of coatings of the form dielectric/metal/WO3 or D/M/WO3. In these coatings the electrochromic layer of WO3 serves a dual purpose: As a dielectric of suitable thickness and refractive index it anti-reflects the metal in the bleached state whereas in the colored state, as LixWO3 (tungsten bronze), it becomes absorptive in the visible, reducing transmittance to the desirable level. Four different species of coatings were designed in total, each one consisting of various dielectric materials and the metals, Ag and Au. Simulations of transmittance and reflectance spectra have been made for different values of thickness of the electrochromic layer of WO3. All coatings were tested for their sensitivity upon layer thickness variation as well as their color coordinates. It has been found that the optimum design is glass/ZnS (34nm)/Ag (15 nm)/WO3 (326 nm) with high luminous transmittance and enough thick layer of WO3 to ensure adequate transmittance modulation. Simulation of the coatings in the colored state revealed an asymmetry in its response related to the direction of the incoming radiation, with high absorptance in one direction and high reflectance in the opposite one. This feature was verified experimentally and it has not been observed in typical electrochromic devices. Substitution of the ZnS layer with WO3, of the Ag layer with Au, and addition of a 4th Al2O3 protective layer were found to be feasible alternatives to the optimum design. Various Glass/WO3/Ag/WO3 coatings, with thin and thick electrochromic layer of WO3 have been fabricated by electron beam gun deposition. These coatings were transparent in the visible with a luminous transmittance of 0.57, reflective in the infrared with low emmitance value, ε=0.09 and electrically conducting with a sheet resistance Rsheet=9Ω, which is better than other transparent conducting oxides. Moreover, experimental thickness values of layers were extracted by fitting of the experimental curves of transmittance with the use of another computer code that was made for this reason, with accuracy as high as 98%. The fabricated coatings were incorporated into electrochromic devices of the type glass/WO3/Ag/WO3/1M LiCLO4-PC/SnO2:F/glass and their optical properties were tested. Transmittance, reflectance and absorptance spectra of the devices gave rise to important conclusions such as their behavior with regard to direction of incident light.