En un estudio publicado en LubricanteEn este estudio, los investigadores estudiaron el efecto de la rugosidad de la superficie en el rendimiento de fricción y desgaste de las películas de grafeno inducidas por láser fabricadas en sustratos de silicio pulidos, espejados y rugosos. Este estudio también analiza el grafeno inducido por láser. El potencial de la película como lubricante sólido se debe a su bajo costo y productividad a gran escala.
estancia: Efecto de la rugosidad del sustrato en el comportamiento de fricción y desgaste de la película de grafeno inducida por láser. Haber de imagen: koya979/Shutterstock.com
¿Qué es el grafeno inducido por láser?
El grafeno inducido por láser es un nanomaterial basado en carbono tridimensional de alta calidad y bajo costo. Debido a cualidades excepcionales, como alta conductividad térmica y eléctrica, facilidad de fabricación y respeto por el medio ambiente, el grafeno inducido por láser tiene aplicaciones prometedoras en supercondensadores, electrocatalizadores y sensores flexibles.
Los métodos convencionales de fabricación de grafeno, como la síntesis química, la exfoliación, la deposición química de vapor y el crecimiento sobre el eje, requieren mucho tiempo y condiciones especiales, como altas temperaturas y una cámara de vacío.
Sin embargo, el enfoque de fabricación de un solo paso del grafeno inducido por láser supera los procedimientos complejos y las costosas necesidades de equipos de los métodos tradicionales, lo que lo convierte en un método de producción de bajo costo con un enorme potencial en varias industrias.
Tribología del grafeno a micro y nanoescala
Las propiedades mecánicas, físicas y químicas únicas del grafeno lo convierten en un competidor atractivo para muchas aplicaciones tribológicas donde el control del desgaste y la fricción es fundamental.
El grafeno demuestra un rendimiento tribológico excepcional. La capa única de grafeno puede reducir en gran medida el coeficiente de fricción y desgaste entre pares triples.
A escala nanométrica y molecular, el grafeno tiene propiedades de muy baja fricción y una fuerte resistencia al desgaste, lo que lo convierte en un potencial lubricante sólido. Aunque el grafeno inducido por láser tiene excelentes capacidades de resistencia a la corrosión, aún no se ha investigado su eficacia en aplicaciones a gran escala.
A escala microscópica, los sustratos gruesos afectan el rendimiento de los materiales antifricción, lo que da como resultado un aumento en la tasa de desgaste y el coeficiente de fricción.
Efecto de la rugosidad del sustrato sobre los lubricantes
La aspereza del sustrato determina en gran medida el rendimiento de desgaste y fricción del lubricante.
Dado que la deformación plástica está restringida en el estado de alta rugosidad del sustrato, el coeficiente de fricción aumenta con el aumento de la presión de contacto máxima y la temperatura instantánea en las interfaces de fricción. Cuando la alta presión de contacto produce partículas de desechos corrosivos, los mecanismos de desgaste cambian de adhesivo a desgaste abrasivo.
Dado que la aspereza afecta negativamente el rendimiento de los lubricantes, los investigadores han experimentado con diferentes estrategias, como el dopaje, el grabado y el cambio del espesor de la película lubricante para reducir la aspereza.
Sin embargo, a nivel macroscópico, los grandes sustratos reducen la efectividad de estas técnicas.
Estudio del efecto de la rugosidad del sustrato en películas de grafeno inducidas por láser
Se investigó el efecto de la rugosidad del sustrato sobre la vida útil y el coeficiente de fricción de las películas de grafeno inducidas por láser. El proceso de escritura láser directa deposita películas de grafeno inducidas por láser sobre sustratos de silicio.
Las bolas de cobre se hacen rodar sobre sustratos de silicona rugosos y pulidos como un espejo. Las pruebas de fricción para películas de grafeno inducidas por láser se realizaron utilizando un triómetro en disco. Cada película de grafeno inducida por láser se ha sometido a más de cinco pruebas de 30 000 ciclos.
La microestructura de las capas de transporte en las superficies de la esfera de cobre y las rutas de erosión se investigaron mediante espectrometría de dispersión de energía (EDS), microscopía electrónica de barrido (SEM), espectroscopía Raman y microscopía óptica.
Resultados importantes del estudio
El coeficiente de fricción del grafeno inducido por láser aumentó de 0,11 a 0,24 y la rugosidad del sustrato aumentó de 1,4 nm a 54,8 nm. La vida útil del grafeno inducida por láser fue de más de 20 000 ciclos para los sustratos de silicio rugosos y pulidos a espejo.
Cuando la rugosidad del sustrato se elevó a 21,2 nm, la vida útil primero se redujo significativamente de más de 30 000 ciclos a 10 000 ciclos. Sin embargo, aumentó a más de 20.000 ciclos cuando la rugosidad del sustrato era superior a 35,6 nm.
El análisis de películas de grafeno inducidas por láser sobre sustratos de silicio mediante SEM, EDS, microscopía óptica y espectroscopia Raman indicó la evolución del mecanismo de fricción.
La capa de transferencia de nanopartículas de grafeno gruesa y estable puede crecer y persistir en la esfera correspondiente al sustrato de Si pulido espejo, lo que provoca fricción entre la película y el sustrato de Si.
Para los sustratos de Si con una rugosidad superficial relativamente leve, el grafeno inducido por láser no se puede mantener en los sustratos o esferas de Si correspondientes, lo que genera una fuerte fricción entre ellos.
En el caso de una gran rugosidad superficial, el grafeno inducido por láser se comprimirá y almacenará en las ranuras de un sustrato de Si. Permite un rendimiento antidesgaste estable y reduce la rugosidad de la superficie en la interfaz de fricción. Esto demuestra la alta adaptabilidad del grafeno inducido por láser como lubricante.
Este estudio demuestra la excelente adaptabilidad a la fricción de la película de grafeno inducida por láser. Además, destaca el desarrollo del mecanismo de fricción para películas de grafeno inducidas por láser fabricadas sobre sustratos de silicio con rugosidad superficial variable.
referencia
Xue, P., Huang, Z. y Chen, C. (2022). Efecto de la rugosidad del sustrato en el comportamiento de fricción y desgaste de la película de grafeno inducida por láser. Lubricante. https://www.mdpi.com/2075-4442/10/10/239/htm
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