O revestimento de superlubricidade pode reduzir as perdas econômicas por atrito e desgaste

May 17, 2023

Afetando uma variedade de sistemas, desde trens de acionamento de veículos até turbinas eólicas e hidrelétricas.

Cientistas do Oak Ridge National Laboratory do Departamento de Energia inventaram um revestimento que pode reduzir drasticamente o atrito em sistemas comuns de suporte de carga com partes móveis, desde trens de acionamento de veículos até turbinas eólicas e hidrelétricas.

Reduz o atrito do aço esfregando no aço em pelo menos cem vezes. O novo revestimento ORNL pode ajudar a lubrificar a economia dos EUA, que a cada ano perde mais de US$ 1 trilhão em atrito e desgaste – o equivalente a 5% do produto nacional bruto.

"Quando os componentes estão deslizando uns sobre os outros, há fricção e desgaste", disse Jun Qu, líder do grupo de Tribologia e Engenharia de Superfície do ORNL.

Tribologia, da palavra grega para fricção, é a ciência e a tecnologia da interação de superfícies em movimento relativo, como engrenagens e rolamentos.

"Se reduzirmos o atrito, podemos reduzir o consumo de energia. Se reduzirmos o desgaste, podemos prolongar a vida útil do sistema para melhor durabilidade e confiabilidade", disse Qu.

Com os colegas do ORNL, Chanaka Kumara e Michael Lance, Qu liderou um estudo publicado no Materials Today Nano sobre um revestimento composto de nanotubos de carbono que confere superlubricidade a peças deslizantes.

Superlubricidade é a propriedade de não apresentar praticamente nenhuma resistência ao deslizamento; sua marca registrada é um coeficiente de fricção inferior a 0,01. Em comparação, quando metais secos deslizam um sobre o outro, o coeficiente de atrito é de cerca de 0,5. Com um óleo lubrificante, o coeficiente de atrito cai para cerca de 0,1. No entanto, o revestimento ORNL reduziu o coeficiente de atrito muito abaixo do limite para superlubricidade, para apenas 0,001.

"Nossa principal conquista é viabilizar a superlubricidade para as aplicações mais comuns", disse Qu. "Antes, você só o veria em nanoescala ou em ambientes especiais."

Para o estudo, Kumara cultivou nanotubos de carbono em placas de aço. Com uma máquina chamada tribômetro, ele e Qu fizeram as placas se esfregarem umas nas outras para gerar aparas de nanotubos de carbono.

Os nanotubos de carbono de paredes múltiplas revestem o aço, repelem a umidade corrosiva e funcionam como um reservatório de lubrificante. Quando são depositados pela primeira vez, os nanotubos de carbono alinhados verticalmente ficam na superfície como folhas de grama. Quando as peças de aço deslizam umas sobre as outras, elas basicamente "cortam a grama".

Cada lâmina é oca, mas feita de múltiplas camadas de grafeno laminado, uma folha de carbono atomicamente fina disposta em hexágonos adjacentes como arame de galinha. Os detritos de nanotubos de carbono fraturados da apara são redepositados na superfície de contato, formando um tribofilme rico em grafeno que reduz o atrito a quase zero.

Fazer os nanotubos de carbono é um processo de várias etapas.

"Primeiro, precisamos ativar a superfície do aço para produzir estruturas minúsculas, na escala de tamanho de nanômetros. Segundo, precisamos fornecer uma fonte de carbono para o crescimento dos nanotubos de carbono", disse Kumara.

Ele aqueceu um disco de aço inoxidável para formar partículas de óxido de metal na superfície. Em seguida, ele usou a deposição química de vapor para introduzir carbono na forma de etanol, de modo que as partículas de óxido de metal possam costurar o carbono ali, átomo por átomo, na forma de nanotubos.

Os novos nanotubos não fornecem superlubricidade até que sejam danificados.

"Os nanotubos de carbono são destruídos na fricção, mas se tornam uma coisa nova", disse Qu. "A parte principal é que esses nanotubos de carbono fraturados são pedaços de grafeno. Esses pedaços de grafeno são untados e conectados à área de contato, tornando-se o que chamamos de tribofilme, um revestimento formado durante o processo. Então, ambas as superfícies de contato são cobertas por algum material rico em grafeno revestimento. Agora, quando eles se esfregam, é grafeno sobre grafeno."

A presença de até mesmo uma gota de óleo é crucial para alcançar a superlubricidade.

"Tentamos sem óleo; não funcionou", disse Qu. "A razão é que, sem óleo, o atrito remove os nanotubos de carbono de forma muito agressiva. Então o tribofilme não pode se formar bem ou sobreviver por muito tempo. É como um motor sem óleo. Ele solta fumaça em alguns minutos, enquanto um com óleo pode funcionar facilmente por anos. "