La nanoindentación TEM revela la tribología del carbono amorfo

La nanoindentación TEM revela la tribología del carbono amorfo


Un novedoso estudio de microscopía electrónica de transmisión (TEM) in situ del deslizamiento sostenido de carbono similar al diamante (DLC) en el diamante se publicó recientemente en la revista Carbon como evidencia preliminar.

La nanoindentación TEM revela la tribología del carbono amorfo

Estudio: Adhesión dependiente del estrés y desgaste a nanoescala inducido por deslizamiento de carbono tipo diamante estudiado mediante nanoindentación TEM in situ. Crédito de la foto: Björn Wylezich/Shutterstock.com

Al examinar el inicio de la degradación del estado de deslizamiento duro del diamante en la resaca, quedó claro cómo las propiedades tribológicas del carbono amorfo (aC) se acercan a su umbral.

Los carbonos amorfos, un componente de clase DLC libre de hidrógeno extremadamente fuerte, son de gran importancia científica, pero los métodos por los cuales evoluciona la degradación durante el encuentro de la interfaz no están bien establecidos. El uso de escaneo TEM en tiempo real de la zona de nanocontacto puede revelar procesos de degradación y daño.

Significado del carbono similar al diamante (DLC)

El carbono similar al diamante (DLC) es una sustancia fuerte, resistente a los daños y de baja fricción que exhibe propiedades comparables al diamante a pesar de estar compuesto por una combinación heterogénea de enlaces covalentes sp2 y sp3.

Es una sustancia económicamente significativa con un mercado global de mil millones de dólares y una fuerte tasa de crecimiento. Esto se atribuye a su uso generalizado como material de recubrimiento flexible en una variedad de aplicaciones que requieren una capa fuerte y resistente a la abrasión.

El recubrimiento de tanques de pistón en automóviles de alto rendimiento, el recubrimiento de discos duros para evitar mayores pérdidas por fallas en los cabezales de lectura y la extensión de la vida útil de instrumentos de corte y cuchillas, como paletas y rotores, y cortadoras industriales son solo algunos ejemplos. Debido a sus propiedades biológicas, DLC también se usa en implantes ortopédicos para reducir la degradación y aumentar la durabilidad.

¿Cuál es el comportamiento tribológico de DLC?

Debido a sus propiedades únicas, el comportamiento tribológico de DLC ha sido ampliamente investigado desde la escala macro hasta la escala nanométrica. El entorno y la estructura de los DLC pueden tener un gran impacto en sus propiedades de desgaste abrasivo reducido.

Para lograr menos desgaste y fricción, los DLC sin hidrógeno, como el carbono amorfo tetragonal (ta-C), generalmente involucran un gas atmosférico que reacciona (como humedad, oxígeno o hidrógeno), mientras que los DLC que contienen hidrógeno, como el carbono hidrolizado amorfo (aC: H) funcionan particularmente bien en ambientes secos y succionadores.

Se ha observado que el comportamiento de deslizamiento está controlado por el deslizamiento (sin desgaste) entre las capas, que viene determinado por el área de contacto y adherencia en la zona de mínimo rozamiento y desgaste. La diversidad de procesos en el trabajo impulsa la investigación científica para comprenderlos mejor.

Un estudio novedoso utilizando un microscopio electrónico de transmisión (TEM) en DLC

Aunque ha habido algunos estudios in situ del comportamiento tribológico a escala nanométrica de DLC, solo una investigación ha realizado estudios visuales in situ de una interacción DLC-diamante; Este estudio se centró principalmente en las interacciones regulares (adhesivas), no en el deslizamiento prolongado. La capa de diamante fuerte y neutra es particularmente atractiva como contrasuperficie, ya que ayuda a demostrar que los procesos de desgaste se limitan a la otra superficie de contacto.

En este artículo, los investigadores presentan un nuevo estudio TEM in situ del deslizamiento extendido de DLC en el diamante.

Al evaluar la fuerza de impacto, las imágenes TEM de la interfaz permiten el estudio de la degradación, la fractura y el fondo del punto de contacto, todos los cuales son aspectos cruciales a considerar. Además, las superficies a nivel macroscópico entran en contacto con imperfecciones a escala nano y micro.

Estudiar una imprecisión a nanoescala mapea efectivamente la unidad básica de interacción. Los estudios tribológicos de DLC en vacío son particularmente interesantes ya que reducen o eliminan la participación de moléculas gaseosas reactivas que causan fricción y desgaste, lo que permite una interpretación más clara de los procesos de desgaste abrasivo subyacentes. Además, el excelente rendimiento de algunos DLC en condiciones de vacío es la base de su uso en aeronaves y otras situaciones de baja presión, por lo que estudiar su comportamiento y limitaciones en vacío es de enorme importancia técnica.

Resultados de la investigación y conclusión

En resumen, los investigadores encontraron que la adhesión entre las puntas de sonda recubiertas de CA a nanoescala y el diamante aumentó drásticamente con la carga aplicada durante el deslizamiento, siendo la adhesión extremadamente baja a bajas presiones y aumentando rápidamente con cargas altas.

El aumento de la velocidad de deslizamiento también condujo a un aumento de la adherencia. En términos más generales, los resultados muestran cómo las interacciones de enlace covalente inducidas por estrés a nanoescala en la superficie pueden alterar la adhesión de manera significativa, mucho más allá de las energías de adhesión de van der Waals, lo que implica estrategias para mejorar o quizás controlar la adhesión en función del comportamiento deslizante. Estos resultados se suman a un creciente cuerpo de investigación que muestra que la adhesión puede controlarse mediante aportes energéticos como el estrés y la velocidad de deslizamiento.

referencia

Liang, JH y col. (2022). Investigación de la adhesión dependiente del estrés y el desgaste a nanoescala inducido por deslizamiento de carbono tipo diamante con nanoindentación TEM in situ. carbón. Disponible en: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0008622322002020​

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