Triboquímica de aditivos modelo de lubricación límite en contactos deslizantes de cobre, con y sin la presencia de óxidos superficiales

Abstract

La fricción es por lo general un fenómeno natural no deseado, en particular cuando lo que se desea es mantener sistemas en movimiento con la menor cantidad de energía posible, como también reducir el daño y desgaste que se genera. A su vez, debido a los avances tecnológicos, nos encontramos con dispositivos cada vez más pequeños, lo que aumenta la relación área superficial/volumen de estos sistemas, haciendo que los fenómenos superficiales, como lo es la fricción, cobren mayor importancia. Por lo tanto, la comprensión de este fenómeno, junto con el de lubricación y el desgaste, es fundamental para un amplio rango de sistemas y aplicaciones. La lubricación límite es el modo de lubricación más severo, ya que las condiciones de operación no permiten el uso de lubricantes líquidos, por lo que las superficies deslizantes se encuentran en contacto directo. Esto hace que el estudio de este tipo de sistemas presente limitaciones prácticas para su análisis, por lo que aun en la actualidad existe un amplio camino por recorrer. En el presente trabajo de tesis se analiza el potencial uso del disulfuro de dimetilo (DSDM) como aditivo de lubricación modelo para contactos deslizantes cobre-cobre, como puede ser el caso de contactos eléctricos deslizantes en motores eléctricos. Esto se realiza evaluado también el efecto de la presencia de un óxido nativo sobre las superficies, ya que debido al entorno oxidante (atmósfera) al que están expuestos, es de esperarse encontrar películas de óxido en la interface deslizante. Esto se logró utilizando un monocrital de Cu (111) en condiciones de ultra alto vacío, analizando el sistema mediante estrategias de la ciencia de superficies, en particular Espectroscopía de Fotoeletrones de Rayos X (XPS) y ensayos de Desorción Térmica Programada (DTP). De los resultados obtenidos se encontró que tanto las superficies de cobre puro como las que presentan una película de óxido, son lo suficientemente reactivas como para formar una película protectora (tribofilm) ricas en azufre al reaccionar con el DSDM. Sin embargo, la película de óxido muestra un efecto pasivante ante la reacción con el DSDM, como también un cambio en la selectividad de los productos de reacción. A pesar de que en ambos casos los productos principales de reacción son metano y etano, dejando azufre adsorbido sobre la superficie, la presencia de la película de óxido promueve la formación de etano con respecto a la superficie de cobre pura. A su vez, los tribofilms ricos en azufre presentaron una elevada estabilidad térmica en ambas superficies, sugiriendo el potencial uso del DSDM como aditivo de lubricación modelo bajo condiciones de lubricación límite para interfaces deslizantes de cobre-cobre en situaciones donde pueden estar presentes óxidos nativos en las superficies de dichos contactos. Por otro lado, se comenzó con el desarrollo de un modelo teórico de fricción microscópica, basado en el modelo de Prandtl-Tomlinson, el cual comúnmente se utiliza para describir el comportamiento de la punta de un microscopio de fuerza atómica (AFM) sobre una superficie atómicamente plana. En este trabajo de tesis se propone un modelo que tiene en cuenta una capa de especies moleculares adsorbidas sobre la superficie (análogo a lo que sucede al exponer una muestra de cobre con DSDM). Por un lado se obtuvo una solución analítica para el modelo propuesto, y por otro, se realizaron simulaciones de Monte Carlo, las cuales no solamente validan los resultados analíticos, sino que también evidencian las limitaciones que estos resultados presentan.

Friction is usually an undesired natural phenomenon, in particular when the goal is to keep systems in motion with the least amount of energy possible, as well as to reduce the damage and wear that is generated. In addition, due to technological advances, there are smaller and smaller devices, which increases the surface area/volume ratio, making surface phenomena, such as friction, to become more important. Therefore, the understanding of this phenomenon, along with lubrication and wear, is crucial for a wide range of systems and applications. Boundary lubrication is the most sever lubrication mode, since the operation conditions do not allow for the use of liquid lubricants, so that the sliding surfaces are in direct contact with each other. For this reason, the study of this type of systems presents practical limitations for their analysis, so that even today there is still a long way to go in this field of study. In the present work, the potential use of dimethyl disulfide (DMDS) as a model lubrication additive for copper-copper sliding interfaces is analyzed, as it could be the case of sliding electrical contact in electric motors. This is done also evaluating the effect of the presence of a native oxide on the surfaces, given that due to the oxidizing environment (atmosphere) to which they are exposed, it is expected to find oxide films at the sliding interface. This was achieved using a Cu (111) single crystal under ultra-high vacuum (UHV) conditions, analyzing the system by means of surface science strategies, in particular X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Temperature Programed Desorption (TPD) experiments. From the obtained results, it was found that the pure copper as well as the copper oxide surface are reactive enough to form a protective layer (tribofilm) rich in sulfur, when reacting with DMDS. However, the oxide film shows a passivating effect against the reaction with DMDS, as well as a change in the selectivity of the reaction products. Despite that, in both cases, the main reaction products are methane and ethane, leaving sulfur adsorbed on the surface, the presence of the oxide film promotes the formation of ethane with respect to the pure copper surface. In addition, the sulfur-rich tribofilms presented an elevated thermal stability on both surfaces, suggesting the potential use of DMDS as a model lubrication additive under boundary lubrication for copper-copper sliding interfaces, in situations where there could be native oxide present on the surfaces of such contacts On the other hand, a theoretical model for microscopic friction was developed based on the Prandtl-Tomlinson model, which is commonly used to describe the behavior of an Atomic Force Microscope (AFM) tip over an atomically flat surface. In this dissertation, a model that takes into account a layer of adsorbed species on the surface is proposed (analogous to what occurs when exposing copper to DMDS). On one hand, an analytical solution was obtained for the proposed model, and on the other hand, Monte Carlo simulations where performed, which not only validate the analytical results, but also show their limitations.