Il controllo tribotronico di uno strato limite ionico nell'operando estende i limiti della lubrificazione

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 20479 (2022) Citare questo articolo

767 accessi

1 Citazioni

1 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

È stato studiato l'effetto del potenziale elettrico sulla lubrificazione di un liquido ionico ortoborato di fosfonio non alogenato utilizzato come additivo in un olio biodegradabile. Un sistema tribotronico interno è stato costruito attorno a uno strumento progettato per misurare lo spessore del film lubrificante tra una sfera d'acciaio rotolante e un disco di vetro rotante rivestito di silice. L'applicazione di un campo elettrico tra la sfera d'acciaio e una serie di controelettrodi personalizzati ha chiaramente indotto cambiamenti nello spessore del film lubrificante: una marcata diminuzione ai potenziali negativi e un aumento ai potenziali positivi. Studi complementari sulla riflettività neutronica hanno dimostrato l'elettroresponsività intrinseca dell'adsorbato: questa è stata eseguita su un blocco di silicio rivestito d'oro e resa possibile nello stesso sistema lubrificante dalla deuterazione dell'olio. I risultati indicano che gli anioni, agendo come ancoraggi per il film adsorbito sulla superficie dell'acciaio, sono determinanti nella formazione di film limite ionici lubrificanti spessi e robusti. L'applicazione di un potenziale positivo elevato, al di fuori della finestra elettrochimica, ha comportato un enorme aumento dello spessore del film, implicando la formazione di multistrati ionici e dimostrando la plausibilità del controllo remoto dei contatti guasti in macchinari inaccessibili, come il vento offshore e le onde. impianti di potenza.

L’energia consumata per superare l’attrito e per risolvere i guasti legati all’usura dei macchinari contribuisce in modo significativo al consumo energetico globale (stimato al 23% nel 2017)1. Si prevede che la ricerca tribologica focalizzata sullo sviluppo di nuove superfici, materiali e tecnologie di lubrificazione volte a ridurre l'attrito e l'usura nei componenti meccanici abbia un enorme potenziale per ridurre il consumo di energia e le emissioni1,2. Dal punto di vista della lubrificazione sostenibile, la maggior parte della ricerca è diretta allo sviluppo di lubrificanti ambientalmente accettabili che aiutino a migliorare l’efficienza e l’affidabilità delle macchine3. Poiché le macchine moderne stanno diventando sempre più compatte (per una maggiore densità di potenza) ed elettrificate, le esigenze funzionali dei sistemi di lubrificazione stanno aumentando. Ciò sta portando a nuovi concetti di lubrificazione alternativi, come la tribotronica.

La tribotronica è una fusione di tribologia ed elettronica, volta a migliorare l'efficienza e la durata delle macchine attraverso il controllo in situ delle perdite, come attrito e usura4. Un sistema tribotronico comprende un contatto tribologico, sensori (monitoraggio dell'attrito, delle vibrazioni, della temperatura, ecc.), attuatori e un'unità di controllo4. I liquidi ionici (IL), definiti come sali organici con punti di fusione inferiori a una certa temperatura nominale (solitamente 100\(^\circ\)C)5, sono emersi come validi candidati per i sistemi di attuazione tribotronici, a causa della loro natura ionica. Gli IL mostrano anche la capacità di subire cambiamenti nella loro dinamica ionica sotto l'influenza di fattori esterni come temperatura, pressione e campo elettrico6.

Buone proprietà lubrificanti sono state dimostrate dagli IL come lubrificanti interi7,8,9,10,11,12,13, in alcuni casi superando gli oli lubrificanti completamente formulati10,11,14. Sono stati compiuti sforzi di ricerca anche per sintetizzare e valutare tribologicamente gli IL solubili in olio da applicare come additivi per lubrificanti15,16,17,18,19,20,21,22,23,24. Alcuni di questi IL hanno mostrato prestazioni antiusura paragonabili a ZDDP17 e anche prestazioni sinergiche se usati insieme25. È stata dimostrata l'attività superficiale degli IL verso superfici cariche, con conseguente formazione di film delimitanti ordinati6,26,27,28,29,30. È stato dimostrato che queste pellicole non sacrificali aiutano a ridurre l'attrito e a mantenere la separazione dei contatti31,32. Poiché gli IL più ampiamente disponibili erano destinati ad applicazioni chimiche, le loro strutture includono alogeni che tendono a formare alogenuri tossici e corrosivi durante l'idrolisi33,34,35,36. Per risolvere questo problema, sono stati progettati IL non alogenati a base di boro e fosforo per la ricerca sulla lubrificazione37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47.