Deposición electroforética de recubrimientos de MXenes de pocas- y multi- capas (ti3c2tx) y sus desempeños tribológicos

Abstract

El rápido y continuo crecimiento de la sociedad implica un mayor consumo de la energía mundial, de la cual una parte se utiliza para superar los efectos de la fricción y el desgaste en piezas móviles que se encuentren en contacto. En la actualidad se está en continua búsqueda de soluciones sustentables que permitan alivianar este efecto, principalmente en el área de la tribología. Esta ciencia se encarga de estudiar los efectos del roce en superficies que se encuentren en contacto, y como se puede disminuir la fricción y el desgaste mediante la lubricación. Los carbonitruros de metales de transición, más conocidos como MXenes, son materiales 2D descubiertos en 2011 que han mostrado potencial al emplearse como lubricantes sólidos debido a la alta resistencia al cizallamiento y capacidad de autolubricación que poseen. La síntesis de MXenes permite obtener estructuras de pocas- o multi-láminas, donde es interesante analizar y comprender el comportamiento que estas configuraciones muestran en términos de rendimiento tribológico.

Se fabricaron recubrimientos de MXenes Ti3C2Tx de pocas- y multi- capas con deposición electroforética de 15, 30 y 60 minutos sobre sustratos de acero inoxidable, obteniendo películas de material lubricante con espesores de entre 500 y 1000 [nm], siendo esto determinado por el tiempo de deposición, la concentración utilizada y la cantidad de láminas del MXene. Para estudiar el comportamiento tribológico de los recubrimientos fabricados se realizaron ensayos tribológicos (bola-contra-disco) de fricción y desgaste en los recubrimientos mediante tribometría de bola, donde se efectúan ciclos lineales de desplazamiento a lo largo de la superficie durante 15 minutos, con cargas normales de 0.1, 0.2, 0.4 y 0.8 [N], y con velocidad de rodaje de 2.5 mm/s. Además, se caracterizó la superficie de los recubrimientos fabricados, así como también el desgaste generado producto de la fricción, mediante microscopía óptica e interferometría de luz blanca.

Los resultados muestran que los MXenes de multi-capas reducen el coeficiente de fricción (COF) hasta un 85%, mientras que los MXenes de pocas-capas logran disminuir el COF en un 74% en relación a la referencia. La caracterización de los desgastes generados confirma estos resultados, donde se logró obtener una disminución de hasta el 95% en el volumen del desgaste generado producto de la fricción para el MXene de multi-láminas. Con esto se demuestra que el MXene de multi-capas presenta mejor comportamiento tribológico que el de pocas-capas, aún en condiciones de contacto prolongado de hasta 120 minutos. Los resultados obtenidos permiten concluir también que el rendimiento tribológico de los recubrimientos fabricados no solo depende de la cantidad de láminas del MXene, sino que también de otros factores como el tiempo de deposición efectuado, la estabilidad de la dispersión utilizada y la concentración de MXenes presentes. Se propone estudiar el rendimiento tribológico de recubrimientos fabricados mediante EPD de otros tipos de MXenes.