Study of new materials, surfaces and interfaces in tribology

Mención Europeo / Mención Internacional: Concedido[SPA] La presente tesis doctoral recoge los resultados de los trabajos de investigación realizados sobre nanofluidos, nanofases de carbono y nanocomposites de matriz epoxi, su preparación, caracterización y aplicaciones en la reducción de los coeficientes de fricción, las tasas de desgaste y el daño superficial de materiales en distintas condiciones de deslizamiento bajo carga. Se han utilizado cristales líquidos iónicos próticos derivados de ácidos grasos, así como otros líquidos iónicos próticos con aniones carboxilato también biocompatibles como citrato y succinato, para generar nuevos lubricantes base agua, así como nuevas dispersiones conteniendo grafeno y nanodiamantes. La generación de películas finas de lubricante sobre las superficies por evaporación de agua en condiciones suaves, previas al deslizamiento, permite alcanzar prestaciones semejantes a las de los lubricantes puros, con un gran ahorro de líquido iónico. La combinación de líquidos iónicos derivados de imidazolio disponibles comercialmente y grafeno ha dado lugar a dispersiones con un comportamiento reológico sin precedentes, ya que, en función de la concentración de grafeno, su viscosidad se mantiene constante o se incrementa con el aumento de temperatura. Se ha estudiado la aplicación de dispersiones de grafeno en líquidos iónicos como aditivos de una base lubricante libre de aditivos y de un aceite de motor comercial totalmente formulado, mejorando considerablemente sus prestaciones incluso a alta temperatura. Se han obtenido nuevos nanomateriales de matriz epoxi con comportamiento tribológico mejorado. La adición de un líquido iónico de cadena corta, da lugar a un material poroso que libera el líquido iónico bajo carga, presentando un comportamiento autolubricante y de autorreparación del daño superficial. Cuando se añaden líquidos iónicos de cadena larga, se obtienen dispersiones homogéneas que reducen los coeficientes de fricción y previenen el desgaste, incluso en condiciones muy severas de deslizamiento y abrasión. Las nuevas dispersiones de líquido iónico o líquido iónico y grafeno en resina epoxi se han depositado sobre sustrato de resina epoxi sin modificar o de acero al carbono, con el fin de mejorar su resistencia a la fricción y al desgaste, sin modificar las propiedades del material base. En el primero de los casos, se obtienen materiales con un gradiente de composición, ya que los aditivos se localizan allí donde se necesitan, en la capa superficial. En esta investigación ha sido necesaria la utilización de un gran número de técnicas experimentales, de ensayos normalizados y de caracterización de los materiales, así como la colaboración con otros grupos de investigación, tanto nacionales como internacionales.[ENG] The present PhD thesis includes the results of the research works on the preparation and characterization of nanofluids, carbon nanophases and epoxy matrix nanocomposites, and their applications in the reduction of friction coefficients, wear rates and surface damage of materials under different sliding conditions. Protic ionic liquid crystals with anions derived from fatty acids and other protic ionic liquids with biocompatible carboxylate citrate and succinate anions have been used in the development of new water-based lubricants, and in new dispersions containing graphene and nanodiamonds. Thin lubricant films generated, before the sliding, on the surfaces after water evaporation under mild conditions have shown excellent tribological performances, similar to those of the neat ionic liquids, but using a minimum amount of them. The combined use of commercial imidazolium ionic liquids and graphene gives rise to new dispersions with unprecedented rheological behaviour, as they present constant or increasing viscosity values under increasing temperature, as a function of graphene concentration. The new graphene dispersions in ionic liquids have been used as additives in an additive-free lubricant basestock and in a fully-formulated commercial motor oil, achieving good results even at high temperatures. New epoxy matrix nanocomposites have been obtained. The porous material obtained by addition of a short-chain protic ionic liquid shows a self-lubricating and self-healing behaviour. Uniform dispersions obtained when long-chain ionic liquids are added to the epoxy matrix, reduce friction coefficient and prevent wear even under very severe sliding or abrasion conditions. The new dispersions of long-chain ionic liquids or ionic liquids and graphene have been deposited on unmodified epoxy resin or carbon steel substrates to improve their tribological performance without modifying their bulk properties. In the first case, new materials with gradient composition are obtained, where the additives are localized only where they are needed, that is at the material surface. The research work described here makes use of many experimental techniques, standard tests and characterization equipments, and has been possible thanks to the cooperation with national and international research groups.Escuela Internacional de Doctorado de la Universidad Politécnica de CartagenaUniversidad Politécnica de CartagenaPrograma de Doctorado en Tecnologías Industriales por la Universidad Politécnica de Cartagen