Caracterización tribológica de materiales compuestos cerámica/grafeno

Resumen

La búsqueda de sistemas más eficientes y que produzcan menor cantidad de emisiones contaminantes es un área de gran importancia en el actual contexto energético mundial. En este sentido, el comportamiento tribológico que presenta un determinado sistema, juega un papel primordial de cara a disminuir las pérdidas energéticas que se producen y mejorar, así, su rendimiento. El sector de la automoción posee un importante peso específico en el conjunto de emisiones globales. Dentro de este campo, los motores de inyección directa de gasolina (GDI), están ampliamente extendidos en los vehículos actuales y el aumento de su eficiencia pasa por incrementar su presión y temperatura de trabajo. Los materiales cerámicos estructurales poseen excelentes cualidades para operar en esas condiciones tan exigentes, aunque es necesario optimizar, aún más, su desempeño tribológico. Las singulares propiedades del grafeno, tanto mecánicas como lubricantes, hacen de él un buen candidato para la fabricación de materiales compuestos cerámico/grafeno con respuesta tribológica mejorada. Para este fin se emplean las denominadas nanoestructuras basadas en grafeno (NGs), tales como las nanoplaquetas de grafeno (GNPs) o de óxido de grafeno reducido (rGOs). Hasta el comienzo de esta tesis doctoral, los trabajos publicados se centraban, fundamentalmente, en materiales base Si3N4 y Al2O3 conteniendo cantidades relativamente bajas de NGs (menores del 8% vol.) y en condiciones de deslizamiento en seco, por lo que el efecto de contenidos mayores de NGs, su efecto en otros tipo de matrices cerámicas o bajo deslizamiento con lubricación, permanecía inexplorado. El trabajo descrito en esta memoria se centra en el estudio de las propiedades tribológicas de materiales compuestos cerámicos con contenidos elevados de NGs (hasta 20% vol.) y el papel que estas desempeñan en la respuesta frente a la fricción y el desgaste. En particular, se analizan, por primera vez, las propiedades tribológicas bajo deslizamiento en seco de materiales compuestos con base SiC y 8YSZ y se realiza un estudio tribológico exhaustivo de materiales base Si3N4 y SiC bajo lubricación con isooctano, para explorar su potencial en sistemas GDI. Además, se profundiza en el papel desempeñado por diferentes tipos de NGs (GNPs o rGOs) y, por último, se propone una estrategia para el desarrollo de materiales compuestos cerámico/grafeno con propiedades tribológicas mejoradas. Los resultados obtenidos muestran que, en términos generales, la adición de NGs es beneficiosa en los sistemas ensayados, disminuyendo la fricción y el desgaste, tanto en deslizamiento en seco como bajo lubricación con isooctano. Específicamente, se ha constatado que, en sistemas base Si3N4, SiC o 8YSZ, son necesarios contenidos elevados de GNPs (20% vol.) para observar mejoras significativas. En algunas ocasiones, también se ha podido correlacionar con éxito el comportamiento en desgaste de estos materiales con sus propiedades mecánicas (dureza, módulo elástico y tenacidad). Estas propiedades están fuertemente afectadas tanto por la microestructura del material cerámico de la matriz, como por el tipo de NGs empleada, e influyen, de manera decisiva, en el desempeño tribológico de este tipo de sistemas, ya que ambas afectan a la interacción cerámica/grafeno. Este último aspecto resulta ser clave en los diferentes mecanismos que tienen lugar al aplicar cargas mecánicas, tales como la transmisión de dicha carga entre las diferentes fases del material y los efectos reforzantes inducidos por las NGs. Según los resultados obtenidos son preferibles microestructuras finas y NGs con poco espesor para mejorar estos factores e incrementar la resistencia al desgaste. Por otro lado, se ha confirmado que el factor que gobierna la formación de una tribocapa protectora rica en carbono es la capacidad de extracción de las NGs durante el proceso de desgaste, sobre lo que influye la cantidad y tipo de NGs, las características de la matriz y las condiciones de ensayo. Dicha tribocapa se produce como resultado del arranque, molienda y compactación de las NGs y la naturaleza y estructura de esta tribocapa se ha caracterizado mediante diferentes técnicas experimentales. Además se ha identificado, por primera vez en materiales cerámico/grafeno la formación de virutas de desgaste con geometría cilíndrica como resultado del enrollamiento de grafeno inducido por fricción. Por último, se analizan diferentes familias de materiales desde el punto de vista de su potencial aplicación en sistemas GDI, siendo el material Si3N4/20% vol GNPs el que muestra los resultados más prometedores.