El recubrimiento de superlubricidad podría reducir las pérdidas económicas por fricción y desgaste

May 17, 2023

Afectando a una variedad de sistemas, desde trenes de transmisión de vehículos hasta turbinas eólicas e hidroeléctricas.

Los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía han inventado un revestimiento que podría reducir drásticamente la fricción en los sistemas de soporte de carga comunes con partes móviles, desde trenes de transmisión de vehículos hasta turbinas eólicas e hidroeléctricas.

Reduce la fricción del roce de acero sobre acero al menos cien veces. El novedoso recubrimiento ORNL podría ayudar a engrasar una economía de EE. UU. que cada año pierde más de $ 1 billón debido a la fricción y el desgaste, lo que equivale al 5% del producto nacional bruto.

"Cuando los componentes se deslizan entre sí, hay fricción y desgaste", dijo Jun Qu, líder del grupo de ingeniería de superficies y tribología de ORNL.

La tribología, de la palabra griega para frotar, es la ciencia y la tecnología de superficies que interactúan en movimiento relativo, como engranajes y cojinetes.

"Si reducimos la fricción, podemos reducir el consumo de energía. Si reducimos el desgaste, podemos alargar la vida útil del sistema para una mayor durabilidad y confiabilidad", dijo Qu.

Con los colegas de ORNL, Chanaka Kumara y Michael Lance, Qu dirigió un estudio publicado en Materials Today Nano sobre un recubrimiento compuesto de nanotubos de carbono que imparte superlubricidad a las piezas deslizantes.

La superlubricidad es la propiedad de no mostrar virtualmente resistencia al deslizamiento; su sello distintivo es un coeficiente de fricción inferior a 0,01. En comparación, cuando los metales secos se deslizan entre sí, el coeficiente de fricción es de alrededor de 0,5. Con un aceite lubricante, el coeficiente de fricción cae a alrededor de 0,1. Sin embargo, el revestimiento ORNL redujo el coeficiente de fricción muy por debajo del límite de superlubricidad, hasta un mínimo de 0,001.

"Nuestro principal logro es que hacemos factible la superlubricidad para las aplicaciones más comunes", dijo Qu. "Antes, solo lo veías en entornos de nanoescala o de especialidad".

Para el estudio, Kumara cultivó nanotubos de carbono en placas de acero. Con una máquina llamada tribómetro, él y Qu hicieron que las placas se frotaran entre sí para generar virutas de nanotubos de carbono.

Los nanotubos de carbono de paredes múltiples recubren el acero, repelen la humedad corrosiva y funcionan como depósito de lubricante. Cuando se depositan por primera vez, los nanotubos de carbono alineados verticalmente se paran en la superficie como briznas de hierba. Cuando las piezas de acero se deslizan entre sí, esencialmente "cortan el césped".

Cada hoja es hueca pero está hecha de múltiples capas de grafeno laminado, una hoja de carbono atómicamente delgada dispuesta en hexágonos adyacentes como alambre de gallinero. Los restos de nanotubos de carbono fracturados del afeitado se vuelven a depositar en la superficie de contacto, formando una tribopelícula rica en grafeno que reduce la fricción a casi cero.

Hacer los nanotubos de carbono es un proceso de varios pasos.

"Primero, necesitamos activar la superficie de acero para producir estructuras diminutas, en una escala de tamaño de nanómetros. Segundo, debemos proporcionar una fuente de carbono para hacer crecer los nanotubos de carbono", dijo Kumara.

Calentó un disco de acero inoxidable para formar partículas de óxido de metal en la superficie. Luego usó la deposición química de vapor para introducir carbono en forma de etanol para que las partículas de óxido de metal puedan unir el carbono allí, átomo por átomo en forma de nanotubos.

Los nuevos nanotubos no proporcionan superlubricidad hasta que se dañan.

"Los nanotubos de carbono se destruyen al frotarlos, pero se convierten en algo nuevo", dijo Qu. "La parte clave es que esos nanotubos de carbono fracturados son piezas de grafeno. Esas piezas de grafeno se manchan y se conectan al área de contacto, convirtiéndose en lo que llamamos tribofilm, un recubrimiento formado durante el proceso. Luego, ambas superficies de contacto se cubren con algo rico en grafeno". recubrimiento. Ahora, cuando se frotan entre sí, es grafeno sobre grafeno".

La presencia de una sola gota de aceite es crucial para lograr una superlubricidad.

"Lo intentamos sin aceite; no funcionó", dijo Qu. "La razón es que, sin aceite, la fricción elimina los nanotubos de carbono de manera demasiado agresiva. Luego, el tribofilm no puede formarse bien ni sobrevivir por mucho tiempo. Es como un motor sin aceite. Echa humo en unos minutos, mientras que uno con aceite puede funcionar fácilmente durante años. "

La capacidad de deslizamiento superior del recubrimiento ORNL tiene poder de permanencia. Superlubricidad persistió en pruebas de más de 500.000 ciclos de frotamiento. Kumara probó las prestaciones de deslizamiento continuo durante tres horas, luego un día y luego 12 días.

"Todavía tenemos superlubricidad", dijo Kumara. "Es estable".

Usando microscopía electrónica, Kumara examinó los fragmentos cortados para demostrar que el desgaste tribológico había cortado los nanotubos de carbono. Para confirmar de forma independiente que el frotamiento había acortado los nanotubos, el coautor de ORNL, Lance, utilizó la espectroscopia Raman, una técnica que mide la energía vibratoria, que está relacionada con la unión atómica y la estructura cristalina de un material.

"La tribología es un campo muy antiguo, pero la ciencia y la ingeniería modernas proporcionaron un nuevo enfoque científico para hacer avanzar la tecnología en esta área", dijo Qu. "La comprensión fundamental ha sido superficial hasta los últimos 20 años, cuando la tribología cobró una nueva vida. Más recientemente, los científicos e ingenieros realmente se unieron para usar las tecnologías de caracterización de materiales más avanzadas, esa es una fortaleza de ORNL. La tribología es muy multidisciplinaria. No uno es experto en todo. Por eso, en tribología, la clave del éxito es la colaboración.”

Agregó: "En algún lugar, puede encontrar un científico con experiencia en nanotubos de carbono, un científico con experiencia en tribología, un científico con experiencia en caracterización de materiales. Pero están aislados. Aquí en ORNL, estamos juntos".

Los equipos de tribología de ORNL han realizado un trabajo premiado que ha atraído asociaciones industriales y licencias. En 2014, un aditivo antidesgaste iónico para lubricantes de motores de bajo consumo de combustible, desarrollado por ORNL, General Motors, Shell Global Solutions y Lubrizol, ganó un premio R&D 100. Los colaboradores de ORNL fueron Qu, Huimin Luo, Sheng Dai, Peter Blau, Todd Toops, Brian West y Bruce Bunting. La Oficina de Tecnologías de Vehículos de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE, o EERE, patrocinó la investigación.

De manera similar, el trabajo descrito en el documento actual fue finalista de un premio R&D 100 en 2020. Y los investigadores solicitaron una patente de su novedoso recubrimiento de superlubricidad.

"A continuación, esperamos asociarnos con la industria para escribir una propuesta conjunta al DOE para probar, madurar y licenciar la tecnología", dijo Qu. "En una década nos gustaría ver vehículos mejorados de alto rendimiento y centrales eléctricas con menos pérdida de energía por fricción y desgaste".