Le contrôle tribotronique d'une couche limite ionique in operando étend les limites de la lubrification

Aug 03, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 20479 (2022) Citer cet article

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L'effet du potentiel électrique sur la lubrification d'un liquide ionique d'orthoborate de phosphonium non halogéné utilisé comme additif dans une huile biodégradable a été étudié. Un système tribotronique interne a été construit autour d'un instrument conçu pour mesurer l'épaisseur du film lubrifiant entre une bille d'acier roulant et un disque de verre recouvert de silice en rotation. L'application d'un champ électrique entre la bille d'acier et un ensemble de contre-électrodes personnalisées a clairement induit des changements dans l'épaisseur du film lubrifiant : une diminution marquée aux potentiels négatifs et une augmentation aux potentiels positifs. Des études complémentaires de réflectivité neutronique ont démontré l'électroréactivité intrinsèque de l'adsorbat : celle-ci a été réalisée sur un bloc de silicium recouvert d'or et rendue possible dans le même système lubrifiant par deutération de l'huile. Les résultats indiquent que les anions, agissant comme ancrages pour le film adsorbé sur la surface de l’acier, jouent un rôle déterminant dans la formation de films limites ioniques lubrifiants épais et robustes. L'application d'un potentiel positif élevé, en dehors de la fenêtre électrochimique, a entraîné une énorme augmentation de l'épaisseur du film, impliquant la formation de multicouches ioniques et démontrant la plausibilité du contrôle à distance des contacts défaillants dans des machines inaccessibles, telles que les éoliennes et les vagues offshore. installations électriques.

L’énergie consommée pour surmonter les frictions et remédier aux défaillances des machines liées à l’usure contribue de manière significative à la consommation mondiale d’énergie (estimée à 23 % en 2017)1. Il est prévu que la recherche tribologique axée sur le développement de nouvelles surfaces, matériaux et technologies de lubrification visant à réduire la friction et l'usure des composants mécaniques présente un énorme potentiel de réduction de la consommation d'énergie et des émissions1,2. Du point de vue de la lubrification durable, la plupart des recherches visent à développer des lubrifiants acceptables pour l'environnement qui contribuent à améliorer l'efficacité et la fiabilité des machines3. À mesure que les machines modernes deviennent de plus en plus compactes (pour une densité de puissance accrue) et électrifiées, les exigences fonctionnelles des systèmes de lubrification augmentent. Cela conduit à de nouveaux concepts de lubrification alternatifs, tels que la tribotronique.

La tribotronique est une fusion de la tribologie et de l'électronique, visant à améliorer l'efficacité et la durabilité des machines grâce au contrôle in situ des pertes, telles que la friction et l'usure4. Un système tribotronique comprend un contact tribologique, des capteurs (surveillance des frottements, des vibrations, de la température, etc.), des actionneurs et une unité de contrôle4. Les liquides ioniques (IL), définis comme des sels organiques dont les points de fusion sont inférieurs à une certaine température nominale (généralement 100\(^\circ\)C)5, sont apparus comme des candidats viables pour les systèmes d'actionnement tribotroniques, en raison de leur nature ionique. Les IL présentent également la capacité de subir des modifications dans leur dynamique ionique sous l’influence de facteurs externes tels que la température, la pression et le champ électrique6.

De bonnes propriétés lubrifiantes ont été démontrées par les IL en tant que lubrifiants purs7,8,9,10,11,12,13, surpassant dans certains cas les huiles lubrifiantes entièrement formulées10,11,14. Des efforts de recherche ont également été déployés pour synthétiser et évaluer tribologiquement des IL solubles dans l’huile en vue d’une application comme additifs pour lubrifiants15,16,17,18,19,20,21,22,23,24. Certains de ces IL ont montré des performances anti-usure comparables à celles du ZDDP17, ainsi que des performances synergiques lorsqu'elles sont utilisées ensemble25. L'activité de surface des IL vers des surfaces chargées, entraînant la formation de films limites ordonnés, a été démontrée6,26,27,28,29,30. Il a été démontré que ces films non sacrificiels contribuent à réduire la friction et à maintenir la séparation des contacts31,32. Étant donné que la plupart des IL largement disponibles étaient destinées à des applications chimiques, leurs structures comprennent des halogènes qui ont tendance à former des halogénures toxiques et corrosifs lors de l'hydrolyse33,34,35,36. Pour résoudre ce problème, des IL non halogénés à base de bore et de phosphore ont été conçus pour la recherche sur la lubrification37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47.