Nanotecnologia para Motores Eficientes e Usinagem

“Nanotribologia: Conceitos e Aplicações”

Prof. Dr. Carlos A. Figueroa - cafiguer@ucs.br

Laboratório de Engenharia de Superfícies e Tratamentos TérmicosUniversidade de Caxias do Sul, Caxias do Sul-RS, Brasil

Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies (Seção Caxias do Sul)

Plasmar Tecnologia - Equipamentos e processos de modificação de superfícies por plasmaCaxias do Sul-RS, Brasil - www.plasmartecnologia.com.br

O que é Nanotribologia?

1 nm = 10-9 m

Uma ligação química padrão possui um comprimento de 0,15 nm

É a ciência e engenharia da interaçãode superfícies em movimento relativo.

Inclui o estudo e aplicação dos princípios de atrito, lubrificação e desgaste.

Então, a nanotribologia envolve o estudo dos fenômenos que acontecem na interação de duas superfícies em movimento relativo

considerando as forças e efeitos do mundo atômico.

Cuidado: como qualquer área de nanotecnologia, os fenômenos a nívelnanoscópico são geralmente diferentes dos fenômenos a nível macroscópico.

Aplicações 1: Revestimento DLC (diamond-like carbon)Onde se aplica DLC atualmente ?

Cabeçote de leitura e superfície do HD

Motores de competição

Folhas para máquina de barbear

Vidros:Leitora de código

de barras

Que é Diamond-Like Carbon ?

É um material composto de carbono do tipo sp3 e sp2

Diamante

C-sp3

Material natural mais duro (10.000 HV)

Grafite (lápis)

C-sp2

Excelente lubrificante sólido

PROPRIEDADES DO MATERIAL (DLC)

Dureza (Vickers) 1.000-3.000 (ajustável)

Temperatura do processo de deposição 150°C

Coeficiente de atrito 0,1 – 0,01 (depende do conteúdo de H e lubrificante)

Espessura do revestimento 0,001-10 µm

Temperatura máxima de trabalho 300°C

Resistência química Quimicamente inerte: não reage com ácido nem com álcali.

Resistência elétrica 106-1012 ohm-cm (isolante)

Acabamento do revestimento Idêntico ao substrato

C. Donnet e A. Erdemir, Tribology of Diamond-Like Carbon Films, Ed. Springer (2008)

(*)http://www.nissan-global.com/EN/TECHNOLOGY/INTRODUCTION/DETAILS/DLC/index.html

Exemplo de DLC em motores (Nissan Motors) – mecanismo de ação(*)

Exemplo de DLC em motores – mecanismo de ação(*)

(*)http://www.nissan-global.com/EN/TECHNOLOGY/INTRODUCTION/DETAILS/DLC/index.html

Aplicações 2: Revestimento Si3N4 para usinagem a seco

Broca com revestimento protetor para usinagem a seco

No caso do Si3N4, ainda não existe uma explicação do mecanismo de

ação.

Atualmente na UCS e dentro das atividades do INES, estamos pesquisando esse sistema.

Tratamento Termo-Oxidativo (TTO)

Si3N4 obtido por magnetronsputtering

Si3N4 obtido por magnetronsputtering

Tratamento com 18O2Tratamento com 18O2

4 hora a 100 mbar4 hora a 100 mbarTemperaturas deTemperaturas de

500oC500oC 1000oC1000oC

Simula as condições de trabalho real

Simula as condições de trabalho real

0 100 200 300 400 50016

17

18

19

20

21

22

23

Sem TT

TT 500oC

TT 1000oC

Du

reza (

GP

a)

T empertura de Deposição (oC )

Nanodureza antes e após TTO

A dureza não muda após 4 h a 1000oC

0 5 10 150

20

40

60

80

100 Padrão SiO2

Temp. Amb. TT 1000oC

D300oC TT 1000oC

D500oC TT 1000oC

Temp. Amb. TT 500oC

D300oC TT 500oC

D500oC TT 500oC

18

O (

%)

Profundidade (nm)

Perfil de oxigênio no revestimento

Si

Si3N4

SiNxOy

Revestimento parcialmente oxidado e em seção transversal depositado

sobre silício

1000º C = 7-8 nm

500º C = 3-4 nm

NanoTribômetro

NanoDureza e módulode elasticidade

Célula de líquidos(Ex. lubrificante)

NanoDesgaste eNanoScratch

(Ex. Adesão e atrito)

Módulo de alta temperaura (até 550oC)