ES2277914T3

ES2277914T3 - Nanoparticulas huecas de tipo fulereno utilizadas como lubricantes solidos en matrices metalicas compuestas.

Info

Publication number: ES2277914T3
Application number: ES01910116T
Authority: ES
Inventors: Reshef Tenne; Lev Rapoport; Mark Lvovsky; Yishay Feldman; Volf Leshchinsky
Original assignee: Holon Academic Institute of Technology; Yeda Research and Development Co Ltd
Current assignee: Holon Academic Institute of Technology; Yeda Research and Development Co Ltd
Priority date: 2000-03-06
Filing date: 2001-03-05
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2021-03-05
Also published as: EP1261447B1; CN1267220C; ATE347959T1; DE60125147T2; IL134892A0; KR20020086897A; US20030144155A1; EP1261447A2; DE60125147D1; CN1406164A; US6710020B2; JP2003526001A; KR100614534B1; AU2001237698A1; JP5106733B2; WO2001066676A3; WO2001066676A2

Abstract

Un material compuesto que tiene una porosidad entre el 10% y el 40% que comprende: i) una matriz porosa hecha de metal, aleación metálica o material semiconductor; y ii) nanopartículas huecas de tipo fulereno de un compuesto de calcogenuro metálico o mezcla de dichos compuestos, en el que dichas nanopartículas están impregnadas en los poros de dicha matriz porosa.

Description

Nanopartículas huecas de tipo fulereno utilizadas como lubricantes sólidos en matrices metálicas compuestas.

Esta invención se refiere a lubricantes sólidos para metales, aleaciones metálicas y materiales semiconductores. La invención es particularmente útil en aplicaciones tales como transporte automovilístico, industria aeronáutica, tecnología espacial o vacío ultra-alto.

Después de los fulerenos de carbono y nanotubos de carbono (lijima S, Helical microtubules of graphitic carbon, Nature 354, 56-58 (1991); Kroto HW, et al., C_{60}: Buckminsterfullerene, Nature 318, 162-163 (1985)) nanopartículas huecas y nanotubos de dicalcogenuros metálicos; carburos de boro y otros compuestos intercalados se han sintetizado como una única fase en los últimos años (Chopra NG, et al., Boron nitride nanotubes, Science, 269, 966-967 (1995); Feldman Y., et al., High-rate, gas-phase growth of MoS_{2} nested inorganic fullerenes and nanotubes, Science, 267, 222-225 (1995); Rothschild A, et al., The growth of WS_{2} nanotubes phases J. Am. Chem. Soc., 122, 5169-5179 (2000); Tenne R, et al., Polyhedral and Cylindrical Structures of WS_{2.} Nature 360: 444-445 (1992)). Estos materiales se diseñaron con el nombre genérico de materiales inorgánicos de tipo fulereno (IF).

Las propiedades tribológicas de los lubricantes sólidos tales como grafito y los dicalcogenuros metálicos MX_{2} (donde M es molibdeno o volframio y X es azufre o selenio) son de interés tecnológico para reducir el desgaste en circunstancias en las que los lubricantes líquidos no son prácticos, tal como en la tecnología espacial, vacío ultra-alto o transporte automovilístico. Estos materiales se caracterizan por interacciones interatómicas débiles (fuerzas de van der Waals) entre sus estructuras intercaladas, que permiten una cizalla fácil, de baja resistencia.

Se requiere que los lubricantes sólidos tengan ciertas propiedades, tales como una baja energía superficial, una alta estabilidad química, un enlace intermolecular débil, una buena capacidad de formación de película de transferencia y una alta capacidad de soportar carga. Los lubricantes sólidos convencionales tales como partículas de MoS_{2}, grafito, y politetrafluoroetileno (PTFE) tienen un enlace intercapa débil que facilita la transferencia de dichos materiales a la superficie de acoplamiento. Dichas películas de transferencia son parcialmente responsables de la baja fricción y desgaste.

El uso de dicalcogenuros metálicos y partículas de MoS_{2} como lubricantes sólidos en diversas aplicaciones, está bien documentado (Singer IL, en Fundamentals of Friction: Macroscopic and Microscopic Processes (eds. 3, Singer Hand Pollock HM), pág. 237 (Kluwer, Dordrecht, 1992)). Recientemente, se han demostrado también las aplicaciones tribológicas de nanopartículas huecas de WS_{2} como aditivo para fluidos de lubricación (Rapoport L, et al., Hollow nanoparticles of WS_{2} as potential solid-state lubricants, Nature, 387, 791-793 (1997).

Un objeto de la presente invención es desarrollar nuevos compuestos de metal, aleación metálica o material semiconductor, que proporcionen una alta durabilidad y resistencia mecánica.

El objeto anterior se consigue mediante la presente invención, que proporciona nuevos materiales compuestos que se usan para reducir el coeficiente de fricción y las velocidades de desgaste y para aumentar la capacidad de soportar carga de las piezas hechas con dichos materiales. Los nuevos materiales compuestos de la invención se definen en la reivindicación 1 y comprenden una matriz porosa hecha de metal, aleación metálica o material semiconductor y nanopartículas huecas de tipo fulereno (IF) de un compuesto de calcogenuro metálico o mezcla de dichos compuestos, teniendo dichos materiales compuestos una porosidad entre el 10% y el 40%.

La presente invención proporciona también un método para preparar los nuevos materiales compuestos de la invención.

Las nanopartículas de IF usadas en los materiales compuestos de la invención tienen un diámetro entre aproximadamente 10 y aproximadamente 200 nm. A la vista de sus pequeños tamaños, estas nanopartículas pueden impregnarse en matrices altamente densificadas.

Sin desear ceñirse a una teoría, se sugiere que las nanopartículas de IF se impregnan en los poros de la matriz porosa y se liberan lentamente a la superficie, donde sirven como lubricante y como espaciador. El comportamiento de las nanopartículas de IF se compara a continuación en este documento con las laminillas de WS_{2} y MoS_{2} disponibles en el mercado con estructura de politipo 2H (2H).

Para entender la invención y para ver cómo puede realizarse en la práctica, se describirá ahora una realización preferida, a modo únicamente de ejemplo no limitante, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

Las Figuras 1A y 1B ilustran, respectivamente, una imagen SEM del bloque de bronce-grafito sinterizado con laminillas 2H-WS_{2}, y una imagen SEM del bloque de bronce-grafito sinterizado con nanopartículas de IF-WS_{2};

La Figura 2 es una ilustración gráfica de las dependencias del coeficiente de fricción y la temperatura sobre la carga ejercida sobre el bronce-grafito; bronce-grafito impregnado con 2H-WS_{2} y nanopartículas de IF-WS_{2}.

\newpage

La Figura 3 es una ilustración gráfica de la rugosidad de las superficies de 4 muestras de bronce-grafito (virgen, con aceite, con aceite y 2H-WS_{2} y aceite con nanopartículas de IF-WS_{2}) después de fricción bajo una carga de 30 kg y una velocidad de deslizamiento de 1 m/s;

La Figura 4 es una ilustración gráfica del coeficiente de fricción de compuestos de bronce-grafito como una función del parámetro PV con aceite y aceite + nanopartículas IF-WS_{2} (3,2% en peso);

La Figura 5 ilustra una imagen SEM de la superficie de un bloque de bronce-grafito en polvo impregnado con aceite + IF después del ensayo a PV = 5200;

La Figura 6 es una ilustración gráfica de la correlación entre el coeficiente de fricción y la carga para el bloque de hierro-níquel-grafito impregnado con 2H-WS_{2}, 6,5% en peso e IF-WS_{2}, 6,5 y 8,4% en peso, después del secado con aceite;

La Figura 7 es una ilustración gráfica de la correlación entre el coeficiente de fricción y la carga para el bloque de hierro-grafito impregnado con 2H-WS_{2} (5% en peso) e IF-WS_{2} (4,5% en peso) después del secado con aceite.

La presente invención proporciona un nuevo material compuesto que comprende una matriz porosa hecha de metal, aleación metálica o material semiconductor y nanopartículas huecas de tipo fulereno de un compuesto de calcogenuro metálico o una mezcla de dichos compuestos. El material compuesto se caracteriza porque tiene una porosidad entre el 10% y el 40%. La cantidad de las nanopartículas huecas en el material compuesto es del 1-20% en peso.

Se sugiere que los poros de la matriz sirven como depósito para las nanopartículas de IF, que se proporcionan lentamente a la superficie metálica proporcionando una baja fricción, una baja velocidad de desgaste y una elevada carga crítica de agarrotamiento en comparación con las partículas 2H. Más probablemente, las principales contribuciones favorables de las nanopartículas de IF son el resultado de los siguientes tres efectos: a. fricción de rodadura; b. las nanopartículas huecas sirven como espaciador, que elimina el contacto de metal a metal; c. transferencia de material al tercer cuerpo, es decir, las capas de nanopartículas se transfieren de tiempo en tiempo de las nanopartículas sobre las superficie metálicas y proporcionan una fricción de deslizamiento reducida entre las superficies metálicas de acoplamiento.

Las nanopartículas huecas de tipo fulereno se hacen preferiblemente de WS_{2}, MoS_{2} o mezclas de los mismos. Pueden hacerse tan pequeñas como sea necesario y poseen una superficie no reactiva y, por lo tanto, pueden impregnarse fácilmente en la matriz. Como el tamaño de las nanopartículas de IF sintetizadas puede variar entre 10 y 200 nm, la relación entre los poros y los tamaños de nanopartícula puede variarse de acuerdo con la aplicación.

En ocasiones, las nanopartículas de tipo fulereno se mezclan con un fluido orgánico o una mezcla de fluidos orgánicos tales como aceite, cera fundida, etc. antes de añadirlas a la matriz porosa.

La matriz porosa se hace de un metal, aleación metálica o material semiconductor, por ejemplo cobre y aleaciones basadas en cobre, hierro, y aleaciones basadas en hierro, titanio y aleaciones basadas en titanio, aleaciones basadas en níquel, silicio y aluminio.

Pueden preverse numerosas aplicaciones para las nanopartículas de IF en la reducción de la fricción y el desgaste. Dichas aplicación es, por ejemplo, en rodamientos deslizantes.

Los rodamientos deslizantes se usan habitualmente en lugares en los que están prohibidos los rodamientos de bola debido consideraciones de ahorro de peso, tal como motores para coches y otro tipo de automóviles, sistemas de transmisión, bombas, aplicaciones aeroespaciales y otras muchas aplicaciones. Desafortunadamente, las pérdidas por fricción de los rodamientos deslizantes son mayores que las encontradas para los rodamientos de bola. El compuesto de la invención combina las ventajas de las dos tecnologías. En este punto, las nanopartículas huecas sirven como rodamientos de nanobola y reducen de esta manera las fricciones a niveles comparables con los encontrados en rodamientos de bola, aunque con el beneficio adicional del ahorro de peso típico de los rodamientos deslizantes y sin sacrificar las propiedades mecánicas de la pieza metálica.

El mecanismo de crecimiento de nanopartículas de WS_{2} de tipo fulereno se ha descrito en la bibliografía, véase por ejemplo Y. Feldman et al., J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 4176. La reacción se realiza en un reactor de lecho fluidizado, donde H_{2}S y H_{2} reaccionan con nanopartículas de WO_{3} a 850ºC. Una capa monoatómica de WS_{2} cerrada se forma instantáneamente y el núcleo de la nanopartícula se reduce a WO_{3}-_{x}. La capa de sulfuro envolvente evita la sinterización de las nanopartículas. En la siguiente etapa, el azufre difunde lentamente hacia el núcleo de óxido y reacciona con el óxido. Los átomos de oxígeno se difunden hacia fuera y progresivamente las capas de WS_{2} cerradas sustituyen a todo el núcleo de óxido. Después de unas pocas horas de reacción, se obtienen nanopartículas de WS_{2} anidadas y huecas de un diámetro \leq200 nm.

El método de preparación de los materiales compuestos de la invención comprende las siguientes etapas:

i. preparar una matriz porosa mezclando el material precursor para la matriz deseada con agentes espumantes y compactar;

ii. volatilizar los agentes espumantes a una temperatura de aproximadamente 500ºC y sinterizar la matriz obtenida a una temperatura entre 700 y 2000ºC;

iii. calentar dicha matriz a una temperatura entre aproximadamente 20ºC a aproximadamente 150ºC al vacío;

iv. exponer la matriz obtenida en la etapa iii anterior a una fuente de material de nanopartículas huecas de un compuesto de calcogenuro metálico o una mezcla de dichos compuestos en un fluido portador al vacío para obtener un compuesto que comprende dicha matriz porosa impregnada con nanopartículas huecas de un calcogenuro metálico o una mezcla de calcogenuros metálicos; y

v. opcionalmente secar la matriz porosa impregnada obtenida en la etapa iv para eliminar el fluido orgánico cuando este fluido sea indeseable.

Más específicamente, la matriz porosa usada en la etapa i anterior se produce introduciendo materiales orgánicos tales como agentes espumantes en un polvo del metal o aleación metálica deseada y calentando después la mezcla obtenida. El ciclo de calentamiento incluye: volatilizar los materiales orgánicos, es decir los agentes espumantes, y sinterizar la mezcla. Los agentes espumantes se evaporaron durante la etapa de sinterización, calentando la matriz a aproximadamente 500ºC durante 30 min. La sinterización se realizó en una atmósfera protectora de hidrógeno a una temperatura de entre 500ºC y 2000ºC, de acuerdo con el metal o aleación metálica en polvo utilizados. Mediante este procedimiento, se obtuvieron diferentes matrices con diversos valores de porosidad (30-60%).

En la siguiente etapa, la matriz porosa obtenida se expone a una fuente de material de nanopartículas huecas de un compuesto de calcogenuro metálico o una mezcla de dichos compuestos. Las nanopartículas de IF-WS_{2} o MoS_{2}, con un diámetro de entre 10 y 200 nm se aplicaron como lubricantes sólidos. Para los ensayos de comparación, las partículas de WS_{2} y MoS_{2} (2H) con un tamaño medio próximo a 4 \mum se aplicaron como lubricantes sólidos. Una suspensión bien mezclada de un fluido orgánico tal como un aceite mineral, cera, etc. y el lubricante sólido (contenido del 10-15%) se impregnó al vacío en los materiales porosos a un intervalo de temperatura de 20-150ºC. Para los ensayos de comparación, algunas de las muestras se secaron con aceite después de la impregnación.

La matriz porosa impregnada obtenida se seca opcionalmente para conseguir una cantidad controlada de fluido portador con nanopartículas huecas en la matriz. La matriz obtenida tiene una porosidad del 10-40%. Cuando se desee, la matriz puede volver a prensarse opcionalmente.

La invención se describirá ahora adicionalmente mediante los siguientes ejemplos no limitantes.

Ejemplo 1

Algunos polvos metálicos, que proporcionan baja fricción (usados en rodamientos deslizantes auto-lubricantes tales como bronce, bronce-grafito, ferroso-grafito y otras aleaciones y compuestos), se agitaron con materiales orgánicos de bajo punto de fusión, tales como carbometil celulosa, que contribuyen a la formación de poros y después se comprimieron en frío. En este caso las muestras de bronce-grafito se sinterizaron en atmósfera de hidrógeno a 750ºC. Posteriormente, las nanopartículas de 2H-WS_{2} y IF-WS_{2} impregnadas con aceite se llevaron a las matrices metálicas porosas al vacío. Posteriormente, las muestras se secaron a 100ºC para excluir el lubricante y otros aditivos. Finalmente, las muestras se volvieron a comprimir hasta una porosidad del 25-30%. La composición del polvo metálico es la siguiente: Cu-86,4%; Sn-9,6%; grafito-4%.

Las Figuras 1A y 1B muestran imágenes de superficies metálicas tomadas con un Microscopio Electrónico de Barrido (SEM). La Figura 1A es la imagen SEM de un bloque de bronce-grafito sinterizado con laminillas de 2H-WS_{2}. La mayor parte de la laminillas están apoyadas sobre el borde, "pegadas" a la superficie metálica a través de sus caras prismáticas reactivas (100) (mostradas mediante las flechas). El análisis por SEM mostró una distribución no uniforme de las laminillas 2H sobre la superficie de la matriz metálica. La adhesión ("pegado") de los bordes prismáticos de las laminillas 2H a la superficie metálica evita su permeación en profundidad en la pieza metálica y conduce a su acumulación en la superficie metálica. De acuerdo con los resultados de este experimento se espera que su efecto tribológico se deteriore más rápido con el tiempo. Contrariamente, las nanopartículas de IF-WS_{2} se distribuyen bastante aleatoriamente en la matriz metálica porosa (Figura 1B). Se espera que la naturaleza deslizante de las nanopartículas de IF conduzca a su distribución aleatoria en la matriz metálica porosa, normalmente en forma de aglomerados. Estos aglomerados unidos débilmente se descomponen fácilmente en nanopartículas de IF separadas bajo una carga ligera. El análisis EDS confirma la presencia de nanopartículas de IF dentro de los poros.

Ejemplo 2

La Figura 2 ilustra el efecto de la carga (en kg) sobre el coeficiente de fricción (1,2,3) y la temperatura (1',2',3') de un bloque de bronce-grafito poroso secado con aceite contra disco de acero endurecido (HRC 52). En estos experimentos, después de un periodo de ejecución de 10-30 horas, las muestras se ensayaron a una carga de 30 kg y a una velocidad de deslizamiento de 1 m/s durante 11 h. Posteriormente, las cargas se aumentaron de 30 kg con un incremento de 9 kg y permanecieron 1 h bajo cada carga. (1,1') muestra de referencia; (2,2') matriz con 2H-WS_{2} (6% en peso) (3,3') matriz con nanopartículas de IF-WS_{2} (5% en peso). Los valores de rugosidad media (Ra) (en \mum) fueron:
superficies vírgenes - 2; bronce-grafito+laminillas 2H-WS_{2} - 0,28; bronce-grafito+nanopartículas de IF-WS_{2} - 0,75.

Para cargas bajas, todas las muestras sinterizadas mostraron un coeficiente de fricción relativamente bajo. Según aumentaba la carga más allá de un cierto valor crítico, el coeficiente de fricción y la temperatura aumentaron bruscamente, lo que significó el agarrotamiento del par de fricción.

Se obtuvieron los siguientes valores de los coeficientes de desgaste a una carga de 30 kg y una velocidad de deslizamiento de 1 m/s: el coeficiente de desgaste (Kw[mm^{3}/mm\cdotN\cdot10^{-10}]) fue de 8,9, 3,3, y 2 para bronce-grafito, bronce-grafito con 2H-WS_{2} y bronce-grafito con nanopartículas de IF-WS_{2}, respectivamente.

Más extraordinariamente, aunque las laminillas de 2H-WS_{2} aumentan la carga crítica bastante modestamente, las nanopartículas de IF-WS_{2} aumentan este punto desde aproximadamente 35 kg a 85 kg. Las micrografías SEM tomadas después de estos ensayos muestran que la superficie del material sinterizado no cambió drásticamente después del experimento con las nanopartículas, y los poros vírgenes se protegen principalmente sobre la superficie de contacto. Además, las nanopartículas esféricas pueden distinguirse claramente dentro de los poros. Por otro lado, la superficie del bloque de referencia de bronce-grafito o con partículas de 2H-WS_{2} añadidas, sufrió un fuerte desgaste. En este caso, la superficie se hizo bastante lisa como resultado de la transferencia de los desechos de desgaste a los poros. Se usó un perfilador de punta para examinar la rugosidad superficial antes y después de los ensayos tribológicos.

Los resultados de este análisis se resumen en la Figura 3, y confirman las observaciones por SEM. Usando análisis de rayos X de dispersión de energía (EDS), se descubrió una fuerte oxidación del metal desgastado para las superficies de desgaste, mientras que el compuesto que contiene nano-partículas permaneció casi sin oxidar.

Se realizó un experimento similar con nanopartículas de MoS_{2} usadas como lubricante sólido. El experimento se realizó de acuerdo con el mismo procedimiento del Ejemplo 2. El coeficiente de fricción en la fricción en estado estacionario fue de 0,035 para las muestras impregnadas con IF-MoS_{2} y 2H-MoS_{2}. La carga crítica para la transición a agarrotamiento fue mayor para la muestra de IF-MoS_{2} que para la muestra de IF-WS_{2} y fue de 120 kg.

Ejemplo 3

En otra serie de experimentos, la duración de la pieza metálica con y sin el lubricante sólido se comparó en condiciones relativamente rigurosas. Después de un periodo de ejecución similar al usado en los experimentos anteriores, la carga se aumentó gradualmente a 60 kg a una velocidad de deslizamiento de 1 m/s. Se descubrió que la duración de la pieza metálica que contenía un 6% en peso de laminillas de 2H-WS_{2} era menor de una hora antes de que tuviera lugar el agarrotamiento. En las mismas condiciones, la pieza metálica que contenía un 5% en peso IF-WS_{2} sobrevivió durante 18 horas antes del agarrotamiento, es decir, una mejora de 20 veces en la duración de la pieza metálica. La pieza metálica seca agarrotó antes de poder alcanzar esta carga (después del periodo de ejecución). Estos resultados son consistentes con los resultados anteriores y se refieren a las ganancias sustanciales en la duración de piezas metálicas impregnadas con dicha pequeña cantidad de nanopartículas huecas.

Ejemplo 4

Se eligieron compuestos de bronce para este experimento. En este caso se comparó el comportamiento de fricción y desgaste de bronce impregnado con aceite bien conocido con las muestras impregnadas con aceite + suspensiones de lubricante sólido. Una suspensión bien mezclada de aceite mineral con el lubricante sólido se impregnó al vacío en los materiales porosos. La cantidad de lubricante sólido impregnado en la matriz porosa fue del 3,2% en peso. El valor final de la porosidad de la matriz fue de aproximadamente el 27-30%. Los ensayos se realizaron en la atmósfera del laboratorio (\sim50% de humedad) usando un aparato de ensayo de bloque de anillo a cargas de 150-3000 N. La velocidad de deslizamiento se cambió cada media hora en etapas de 0,2 m/s de 0,5 a 1,7 m/s a una carga definida. Después, se repitió el ciclo de aumentar la velocidad de deslizamiento a la siguiente carga. La carga se aumentó en etapas de 150 N. Todos los puntos experimentales medidos se presentaron como el parámetro PV, es decir, presión x velocidad. La Figura 4 muestra el coeficiente de fricción de la matriz metálica como una función del parámetro PV de la pieza metálica con y sin la adición de las nanopartículas de WS_{2} de tipo fulereno.

La adición de las nanopartículas de IF al aceite conduce a una disminución del coeficiente de fricción en un 30-50% comparado con las superficies impregnadas con aceite. Los valores medios del coeficiente de fricción para muestras con aceite y aceite+IF fueron 0,009 y 0,005, respectivamente. El bloque en polvo con aceite+suspensión de IF mostró una capacidad muy alta para soportar carga, PV> 5200 Nm/(cm^{2}s). La Figura 5 muestra la superficie del bloque impregnado con aceite + IF después del ensayo a PV = 5200. La superficie porosa sin acanalar y las partículas de desgaste añadidas presentan unas buenas condiciones de fricción.

Ejemplo 5

Este ejemplo describe la sinterización de muestras en polvo de hierro-níquel-grafito impregnadas con nanopartículas de IF después del secado con aceite y sus propiedades tribológicas.

La sinterización de las muestras se realizó en una atmósfera de hidrógeno protectora a una temperatura de 1050ºC. La cantidad de lubricante sólido impregnado en la matriz porosa se cambió del 6,5% en peso al 8,4% en peso. Después de la impregnación de las nanopartículas de IF suspendidas en aceite, la muestra se calentó a 150ºC durante 2 h para retirar el exceso de aceite de la matriz metálica. La transición a agarrotamiento se evaluó en este experimento. El ensayo de fricción y desgaste fue similar al descrito en el ejemplo 1. Más allá de una cierta carga crítica, el coeficiente de fricción y la temperatura aumentaron bruscamente, lo que significó la transición a agarrotamiento del par metálico de acoplamiento. Las dependencias del coeficiente de fricción sobre la carga para el bloque de hierro-níquel-grafito impregnado con aceite, aceite + 2H y aceite + IF se presentan en la Figura 6. Se observa que la impregnación de nanopartículas de IF mejora las propiedades tribológicas en comparición con los aditivos conocidos (2H-WS_{2} y 2H-MoS_{2}).

Ejemplo 6

Este ejemplo describe la sinterización de muestras en polvo de hierro-grafito impregnadas con nanopartículas de IF y sus propiedades tribológicas.

La sinterización y preparación de la muestra para los ensayos tribológicos fue similar a la del ejemplo 1. La transición a agarrotamiento se evaluó en este experimento. Los ensayos de fricción y desgaste fueron similares a los descritos en el ejemplo 1. Más allá de una cierta carga crítica, el coeficiente de fricción y temperatura aumentaron bruscamente, lo que significó la transición a agarrotamiento del par metálico de acoplamiento. Las dependencias del coeficiente de fricción sobre la carga para el bloque de hierro-níquel-grafito impregnado con aceite, aceite + 2H (5% en peso) y aceite + IF (4,5% en peso) se presentan en la Figura 7. Se observa que la impregnación de nanopartículas de IF mejora las propiedades tribológicas en comparación con aditivos conocidos.

Ejemplo 7

Este ejemplo se refiere a la impregnación de nanopartículas de IF con una cera de parafina fundida en la matriz porosa de una muestra de bronce-grafito y las medidas tribológicas de esta muestra. La sinterización y preparación de la muestra y los ensayos tribológicos fueron similares a los de los ejemplos 1, 2. Los resultados se presentan en la Tabla 1.

TABLA 1

1

Puede observarse que la adición de cera de parafina a la matriz porosa proporciona un coeficiente de fricción muy bajo comparado con la muestra con nanopartículas de IF impregnadas después del secado con aceite (f = 0,05). La carga crítica de transición a agarrotamiento para la muestra con cera de parafina+IF (P=1380 N) es sustancialmente mayor que para la muestra con nanopartículas de IF secada con aceite (P = 850 N).

Ejemplo 8

Un sustrato poroso de silicio se preparó anodizando una oblea de Si dopado con Sb (tipo n) durante 40 min en una mezcla de HF/H_{2}O al 10% con iluminación mediante una lámpara de halógeno de cuarzo (80 mW/cm^{2}) que produjo una corriente anódica de 15 mA/cm^{2}. La oblea anodinada se lavó abundantemente y se sumergió en solución de KOH (1 M) para disolver la película nanoporosa y dejar la superficie superior macroporosa expuesta a la superficie externa. La oblea de Si tratada se examinó mediante un microscopio electrónico de barrido (SEM) y se descubrió que incluía un patrón denso de poros con un diámetro de sección transversal de entre 0,1-1 micrómetros. Escindiendo la oblea de Si, se descubrió que la capa porosa se extendía aproximadamente a 10 micrómetros de profundidad. Esto significa que la superficie superior del Si poroso puede considerarse un hospedador adecuado para las nanopartículas del material de tipo fulereno y que puede esperarse una reducción sustancial en la fricción. Por lo tanto, la profundidad de los poros puede determinarse básicamente a través de los parámetros electroquímicos de la reacción; la estructura del hospedador puede extenderse cualquier cifra entre 0,5 micrómetros y 100 micrómetros y mayor.

La muestra de la oblea de Si (1x0,5 cm^{2}) se puso en el aparato de ensayo de bloque de disco y los parámetros tribológicos se midieron a una carga de 20 kg y una velocidad de 0,4 m/s. Se usó un disco de acero inoxidable para estas medidas. Cuando se ensayó el Si seco, se midió un coeficiente de fricción de 0,24. Cuando se añadió el aceite mineral entre la oblea de Si y el disco metálico, el coeficiente de fricción disminuyó a 0,108. Después se usó aceite mineral con un 2% de IF-WS_{2} como lubricante en lugar del aceite puro. Después de un corto periodo de ejecución, se obtuvo un coeficiente de fricción de 0,03. Después de las medidas, la oblea de Si se examinó mediante un SEM y se encontró un polvo negro identificado químicamente como WS_{2} por análisis EDS en los macroporos de la oblea de Si. Esto muestra que durante el periodo de ejecución, las nanopartículas de tipo fulereno se insertaron en los poros del Si poroso, como se confirmó adicionalmente mediante un análisis cuidadoso por microscopía electrónica de transmisión.

Ejemplo 9

Se adquirió una membrana de aluminio poroso con diámetros de poro de entre 0,05-0,5 micrómetros. Como alternativa, se anodizó una lámina de aluminio en una mezcla HF/H_{2}O (10%) y se obtuvo una membrana de aluminio poroso con porosidad similar. Se realizaron medidas análogas a las del Ejemplo 4 con estas muestras porosas. Se determinaron coeficientes de fricción muy altos (>0,4) con la superficie seca de membrana de aluminio. Añadiendo el aceite, el coeficiente de fricción disminuyó a 0,14 y añadiendo un 2% de las nanopartículas de WS_{2} de tipo fulereno (IF-WS_{2}), se obtuvo un coeficiente de fricción de 0,012 después de un corto periodo de ejecución. Como para el caso del Ejemplo 4, se descubrió que las nanopartículas de IF-WS_{2} se acumulaban en los poros de la membrana de aluminio y mitigaban la alta fricción de la superficie de muestra. También se midió el coeficiente de desgaste. Disminuyó en un factor de 25 entre la superficie lubricada con aceite puro y la lubricada con aceite puro y un 2% de material IF. Estos resultados indican la esperanza de vida de las dos superficies. El coeficiente de desgaste de la muestra seca no pudo medirse ya que es un material quebradizo y se deteriora después de un periodo de carga muy corto.

Claims

1. Un material compuesto que tiene una porosidad entre el 10% y el 40% que comprende:

i) una matriz porosa hecha de metal, aleación metálica o material semiconductor; y

ii) nanopartículas huecas de tipo fulereno de un compuesto de calcogenuro metálico o mezcla de dichos compuestos,

en el que dichas nanopartículas están impregnadas en los poros de dicha matriz porosa.

2. Un compuesto de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichas nanopartículas huecas se hacen de WS_{2}, MoS_{2} o mezclas de los mismos.

3. Un compuesto de acuerdo con la reivindicación 2, en el que el diámetro de dichas nanopartículas es entre 10 y 200 nm.

4. Un compuesto de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que la cantidad de nanopartículas huecas en dicha matriz es entre el 1% y el 20% en peso.

5. Un compuesto de acuerdo con la reivindicación 1, en el que las nanopartículas de tipo fulereno se mezclan con un fluido orgánico portador o mezcla de fluidos orgánico portadores.

6. Un compuesto de acuerdo con la reivindicación 1, en el que las nanopartículas de tipo fulereno se mezclan con un aceite o mezcla de aceites como fluido portador.

7. Un compuesto de acuerdo con la reivindicación 1 en el que dicha matriz porosa se selecciona entre el grupo compuesto por cobre, y aleaciones basadas en cobre, hierro, y aleaciones basadas en hierro, titanio y aleaciones basadas en titanio, aleaciones basadas en níquel, silicio, y aluminio.

8. Un compuesto de acuerdo con la reivindicación 7, en el que la matriz porosa es un sustrato de silicio dopado anodinado en soluciones que contienen HF.

9. Un compuesto de acuerdo con la reivindicación 7, en el que la matriz porosa es una lámina de aluminio anodinada en solución ácida.

10. Un compuesto de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores para usar en la reducción del coeficiente de fricción y las velocidades de desgaste y en el aumento de la capacidad de soportar carga de los artículos fabricados a partir de dicho compuesto.

11. Un método de preparación de un material compuesto como se ha definido en la reivindicación 1, comprendiendo el método las siguientes etapas:

iii. calentar dicha matriz a una temperatura entre 20ºC y 150ºC al vacío;

iv. exponer la matriz obtenida en la etapa iii anterior a una fuente de material de nanopartículas huecas de un compuesto de calcogenuro metálico o mezcla de dichos compuestos en un fluido portador al vacío para obtener un compuesto constituido por dicha matriz porosa impregnada con nanopartículas huecas de un calcogenuro metálico o mezcla de calcogenuros metálicos; y

v. opcionalmente secar la matriz porosa impregnada obtenida en la etapa iv para eliminar el fluido orgánico cuando el fluido sea indeseable.

12. Un método de acuerdo con la reivindicación 11, en el que la cantidad de nanopartículas huecas en los poros de la matriz es entre el 1% y el 20% en peso.

13. Un método de acuerdo con la reivindicación 11, en el que dichas nanopartículas se añaden a dicha matriz porosa en la etapa iv mezclando con un 5-30% en peso de un fluid orgánico portador o una mezcla de fluidos orgáni-
cos.

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14. Un método de acuerdo con la reivindicación 11, en el que dichas nanopartículas se añaden a dicha matriz porosa en la etapa iv mezclando con un 5-30% en peso de un aceite portador o mezcla de aceites.

15. Un método de acuerdo con la reivindicación 11, en el que dichas nanopartículas se añaden a dicha matriz porosa en la etapa iv mezclando con una cera fundida.