Controle tribotrônico de uma camada limite iônica em operando amplia os limites da lubrificação

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 20479 (2022) Citar este artigo

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Foi estudado o efeito do potencial elétrico na lubrificação de um líquido iônico ortoborato de fosfônio não halogenado usado como aditivo em um óleo biodegradável. Um sistema tribotrônico interno foi construído em torno de um instrumento projetado para medir a espessura do filme lubrificante entre uma esfera de aço rolante e um disco de vidro revestido de sílica rotativo. A aplicação de um campo elétrico entre a esfera de aço e um conjunto de contraeletrodos personalizados induziu claramente mudanças na espessura do filme lubrificante: uma diminuição acentuada nos potenciais negativos e um aumento nos potenciais positivos. Estudos complementares de refletividade de nêutrons demonstraram a eletrorreatividade intrínseca do adsorvato: isso foi realizado em um bloco de silício revestido de ouro e possibilitado no mesmo sistema lubrificante pela deuteração do óleo. Os resultados indicam que os ânions, atuando como âncoras para o filme adsorvido na superfície do aço, são instrumentais na formação de filmes iônicos lubrificantes espessos e robustos. A aplicação de um alto potencial positivo, fora da janela eletroquímica, resultou em um enorme aumento na espessura do filme, implicando na formação de multicamadas iônicas e demonstrando a plausibilidade do controle remoto de falhas de contatos em máquinas inacessíveis, como ondas e vento offshore instalações de energia.

A energia consumida para superar o atrito e lidar com falhas relacionadas ao desgaste em máquinas contribui significativamente para o consumo global de energia (estimado em 23% em 2017)1. Prevê-se que a pesquisa tribológica focada no desenvolvimento de novas superfícies, materiais e tecnologias de lubrificação destinadas a reduzir o atrito e o desgaste em componentes mecânicos tenha um enorme potencial para reduzir o consumo de energia e as emissões1,2. De uma perspectiva de lubrificação sustentável, a maior parte da pesquisa é direcionada para o desenvolvimento de lubrificantes ambientalmente aceitáveis ​​que ajudam a melhorar a eficiência e a confiabilidade da máquina3. Como as máquinas modernas estão se tornando cada vez mais compactas (para maior densidade de potência) e eletrificadas, as demandas funcionais dos sistemas de lubrificação estão aumentando. Isso está levando a novos conceitos alternativos de lubrificação, como a tribotrônica.

Tribotronics é uma fusão de tribologia e eletrônica, destinada a aumentar a eficiência e a durabilidade da máquina por meio do controle in-situ de saídas de perda, como fricção e desgaste4. Um sistema tribotrônico inclui um contato tribológico, sensores (monitoramento de fricção, vibração, temperatura, etc.), atuadores e uma unidade de controle4. Líquidos iônicos (LIs), definidos como sais orgânicos com pontos de fusão abaixo de uma certa temperatura nominal (geralmente 100\(^\circ\)C)5, surgiram como candidatos viáveis ​​para sistemas de atuação tribotrônica, devido à sua natureza iônica. Os LIs também exibem a capacidade de sofrer alterações em sua dinâmica iônica sob a influência de fatores externos como temperatura, pressão e campo elétrico6.

Boas propriedades de lubrificação foram demonstradas por LIs como lubrificantes puros7,8,9,10,11,12,13, em alguns casos superando óleos de lubrificação totalmente formulados10,11,14. Esforços de pesquisa também têm sido feitos para sintetizar e avaliar tribologicamente LIs solúveis em óleo para aplicação como aditivos lubrificantes15,16,17,18,19,20,21,22,23,24. Alguns desses LIs apresentaram desempenho antidesgaste comparável ao ZDDP17, e também desempenho sinérgico quando usados ​​em conjunto25. A atividade de superfície de LIs em direção a superfícies carregadas, resultando na formação de filmes de contorno ordenados, foi demonstrada6,26,27,28,29,30. Esses filmes não sacrificiais demonstraram auxiliar na redução do atrito e na manutenção da separação de contato31,32. Como os LIs mais amplamente disponíveis foram destinados a aplicações químicas, suas estruturas incluem halogênios que tendem a formar haletos tóxicos e corrosivos na hidrólise33,34,35,36. Para resolver esse problema, LIs não halogenados à base de boro e fósforo foram projetados para pesquisa em lubrificação37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47.