Metodologia para investigação do desempenho tribológico de nanopartículas de lubrificantes sólidos na macroescala aplicada a grafeno e carbono derivado de carbetos

Abstract

A lubrificação sólida torna-se cada vez mais importante e economicamente atrativa ocupando os espaços onde a lubrificação fluida apresenta limitações técnicas ou gera impactos ambientais. As formas atualmente utilizadas para o emprego de lubrificante sólidos, como por exemplo revestimentos e compósitos autolubrificantes, possuem alto custo e complexidade de manufatura, dificultando a investigação e a implementação destas soluções. O estudo atual teve por objetivo desenvolver um método de avaliação e aplicação de lubrificantes sólidos mais simples, econômico, eficaz e ainda adequado para avaliação de nanopartículas na macroescala, uma vez que há inúmeras nanopartículas com propriedades tribológicas promissoras sendo descobertas. Diferentes técnicas de deposição das nanopartículas foram testadas: spin-coating e drop-casting, com maior ênfase na técnica de drop-casting que apresentou um maior aproveitamento do material. A oferta de lubrificante sólido é uma variável chave para a qual pouca relevância é dada na literatura atual. Dois métodos de quantificação das nanopartículas depositadas foram desenvolvidos para suprir esta necessidade: um por análise de imagens obtidas por microscopia eletrônica de varredura e outro por interferometria óptica de luz branca. Devido ao seu potencial tribológico, foram escolhidas para o estudo nanopartículas de grafeno funcionalizado com amônia (solução comercial) e nanopartículas de carbono derivado de carbetos (CDC) obtidas a partir da reação entre Cr3C2 e B4C, produzidas através de um processo patenteado desenvolvido no Laboratório de Materiais (LabMat) da UFSC. Com estes métodos de quantificação, foi possível avaliar a real oferta de lubrificante sólido, permitindo uma melhor comparação do desempenho tribológico dos sistemas. Ensaios tribológicos com carga variável crescente, chamados ensaios de durabilidade, foram utilizados para ranquear sistemas com recobrimentos incrementais obtidos com 1, 5 e 10 aplicações por drop-casting. Neste caso, sistemas com apenas 1 aplicação apresentaram desempenho inferior a sistemas com 5 e 10 aplicações de nanopartículas para ambos os materiais (CDC e grafeno). Nesta etapa foram obtidos valores de durabilidade máximos entre 2000 e 3000 N·m. Na sequência, ainda utilizando ensaios de durabilidade, foram avaliadas superfícies com diferentes topografias obtidas com lixas de granulometrias variadas, demonstrando a existência de uma relação de vales e asperidades ideal para aprimorar o desempenho tribológico destes sistemas (no presente caso Sq=~0,36 µm e Svk=~0,59 µm), chegando a valores de durabilidade superiores a 30.000 N·m. Ensaios de carga constante utilizando a geometria de cilindro contra plano foram usados para medir a taxa de desgaste e o coeficiente de atrito dos sistemas. Nesta etapa também foram comparadas superfícies com diferentes níveis de recobrimento (1, 5 e 10 aplicações por drop-casting). A capacidade de lubricidade obtida a partir de 5 aplicações foi demonstrada, chegando a coeficientes de atrito estáveis de 0,08 para nanopartículas de grafeno e de 0,11 para nanopartículas de CDC. As marcas de desgaste das amostras e dos contra-corpos foram analisadas por microscopia eletrônica de varredura, análise de energia dispersiva de raios -x, interferometria óptica de luz branca e espectroscopia Raman. O conjunto de evidências permitiu identificar os mecanismos de desgaste e lubricidade atuantes, demonstrando a grande capacidade protetiva obtida a partir de certo nível de recobrimento (no caso 5 aplicações), com a geração de tribocamadas de fácil cisalhamento e redução de maneira contundente da oxidação observada. Com as nanopartículas de grafeno e de CDC foi observado um desgaste praticamente imensurável nas amostras de alta lubricidade, inclusive com ganho de material causado pelo acúmulo de materiais lubrificantes nos vales, juntamente com um desgaste muito suave observado nos contra-corpos.

Abstract: Solid lubrication becomes more important and economically viable, filling gaps of applicability where fluid lubrication shows technical limitations or environmental impact. Nowadays, solid lubricants are usually employed as coatings or self-lubricant composites, which is costly and complex to manufacture, hindering their investigation and implementation. The goal of this study was to develop a simple, low cost, efficient method to evaluate and apply solid lubricants, suitable to evaluate nanoparticles in the macroscale, since there is a myriad of new promising tribological nanoparticles being discovered. Different nanoparticle deposition methods were considered: spin coating and drop-casting, with emphasis on the latter because it wastes less lubricant material. The supply of solid lubricant is a key technological aspect, often neglected in most of the available literature. To overcome this limitation, two methods were developed to quantify the amount of nanoparticles deposited: one via SEM imaging analysis, and another via white light interferometry. Due their tribological potential, ammonia functionalized graphene (commercial solution) and carbide-derived carbon (CDC) nanoparticles were used. The CDC nanoparticles were obtained via dissociation of Cr3C2 and B4C in a patented process developed in the Materials Laboratory at UFSC. Using these quantification methods, it was possible to precisely evaluate the solid lubricant supply, improving future tribological comparison between systems. Tribological tests with increased variable load, called ?durability tests?, were used to rank systems with different nanoparticles coverage obtained with 1, 5 and 10 drop-casting depositions. In this case, systems with only one drop-cast deposition had lower tribological performance than systems with 5 and 10 depositions for both CDC and graphene nanoparticles. Maximum durability values were between 2000 and 3000 N·m under these conditions. Moreover, additional durability tests using different topographies were carried out for specimens ground by various grit sandpapers, demonstrating the existence of an ideal compromise between valley and asperities size to enhance the tribological performance of these systems (in this case with Root Mean Square (Sq) =~0,36 µm and Reduced Valley Depth (Svk) =~0,59 µm), reaching durability values as high as 30.000 N·m. Constant load tests were conducted to measure the wear rate and the friction coefficient using the cylinder vs. plane geometry, also for systems with different particle coverage (with 1, 5 and 10 drop-casting depositions). The ability of these nanoparticles to provide lubricity with at least 5 drop-casting depositions was demonstrated, reaching stable friction coefficient values of 0,11 for CDC and 0,08 for graphene. The wear marks on the samples and counter-bodies were then analyzed via SEM, dispersive x-ray energy, white light interferometry and Raman spectroscopy. The evidence gathered allowed the identification of active wear and lubrication mechanisms, revealing the great protective quality of these materials given the presence of sufficient surface coverage (i.e. 5 or more drop-casting depositions), with the formation of easy shearing layers and effectively avoiding oxide formation during sliding. With CDC and graphene nanoparticles a near non-measurable wear was observed on these highly lubricated samples. In fact, some volumetric gain was measured due the filling of surface valleys with lubricious material, together with mild wear detected on counter-bodies.