El uso de MXene TI3C2Tx para lubricación sólida - efecto del número de láminas en sus propiedades tribológicas

Abstract

Los carburos, nitruros y carbonitruros de metales de transición 2D, conocidos como MXenes, se descubrieron en 2011 y han demostrado ser excelentes candidatos en su uso como recubrimientos para lubricación sólida, destacándose por sobre nanomateriales 2D de última generación en lo que respecta a resistencia al desgaste. Aún así, a pesar de ser un material prometedor como lubricante sólido (tanto híbrido como puro), los mecanismos de fricción y desgaste del MXene son un tema poco explorado actualmente. Además, la síntesis de MXenes permite poder trabajar con escamas de pocas o multi-láminas, permitiendo así el análisis comparativo de las propiedades tribológicas entre recubrimientos de MXene de pocas láminas, y recubrimientos con multi-láminas de MXene, sin embargo, hasta la fecha no se han realizado estudios que comparen el rendimiento tribológico entre ambas configuraciones bajo las mismas condiciones de operación. En base a lo anterior, se realizaron recubrimientos homogéneos de aproximadamente 150 y 330nm de espesor dependiendo de la cantidad depositada (caracterizados mediante interferometría de luz blanca y microscopía óptica), de Ti3C2Tx de pocas capas (∼15 láminas por nano-capa) y Ti3C2Tx multi-lámina (∼95 láminas por nano-capa) caracterizadas mediante microscopía electrónica de barrido y espectroscopía Raman. La deposición se realizó sobre acero inoxidable, utilizando la técnica de recubrimiento por spray mediante un aerógrafo. Luego, con el objetivo de estudiar el efecto del número de láminas en las propiedades tribológicas del MXene como lubricante sólido, y de esta manera dilucidar entre que tipo de MXene presenta un mejor comportamiento, es que se realizaron pruebas de fricción y desgaste de los recubrimientos mediante tribometría de bola, efectuando ciclos lineales de desplazamiento, realizando ensayos con 0,1 y 0,2N de carga normal y con 2,5 y 6mm/s de velocidad de rodaje. Así, las muestras recubiertas con MXene multi-lámina demostraron una reducción del coeficiente de fricción (COF) en un 59 %, mientras que el MXene de pocas capas en un 42 % como promedio para los ensayos con 2,5mm/s, ya que con 6mm/s se obtuvieron mayores valores de COF. La caracterización mediante microscopío óptica verificó el mejor rendimiento tanto del MXene multi-lámina por sobre el de pocas capas, como de los ensayos con 2,5mm/s por sobre los ensayos con 6mm/s, observándose zonas con colores azules/rojizos características de las tribocapas beneficiosas de baja fricción que se generan producto de la degradación de MXene y procesos termomecánicos durante la carga. Así, con el presente estudio, se demuestra que el MXene multi-lámina presenta un mejor comportamiento tribológico que el de pocas capas, además de la dependencia de la velocidad de rodaje en las reacciones tribológicas del MXene como recubrimiento en lubricación seca, cosas que no se habían hecho hasta el momento, aportando nuevo conocimiento al mundo de la ciencia de los materiales, comprendiendo tanto el efecto del número de láminas como el efecto de la velocidad de rodaje, en las propiedades tribológicas del MXene.