Síntesis, caracterización y evaluación tribológica de nanopartículas de metales (CeO2, TiO2, ZrO2 y Ag) soportadas sobre nanotubos de carbono dispersos en agua

Abstract

Recently, nanofluids have gained popularity due to their performance compared to conventional fluids. Due to their exceptional mechanical and thermal characteristics, carbon nanotubes are of great interest in tribology to reduce friction and wear. The use of carbon nanotubes as support materials, for example, metal nanoparticles, is a novel application. Although water lubrication is used in numerous industrial applications, more research is required to develop better water-based nanofluids. In this research, is reported the synthesis of ceria (CeO2), titania (TiO2), zirconia (ZrO2) and silver (Ag) nanoparticles, supported on multi-walled carbon nanotubes. Carbon nanotubes were synthesized by the CVD spray-pyrolysis method, using alpha pinene as a biological and renewable carbon source. The nanotubes were functionalized by treatment with acids and the nanoparticles were deposited on them by a microwave method. The synthesized composite materials were characterized by transmission electron microscopy and Raman spectroscopy. Subsequently, they were used as additives to prepare water-based nanofluids. The tribological performance of the nanofluids was investigated using a pin on disk tribometer on steel-steel contacts at a constant load (10 N) and main additive concentration of 0.10 wt%. Mixed results are observed in friction and wear. In tribological tests, the ceria, silver, and zirconia composites reduced the coefficient of friction by 60% compared to a blank with no additives. The silver composite increased wear, while the titania composite decreased it. In the characterization after the wear tests, Raman spectroscopy, scanning electron microscopy and optical profilometry were used.

Recientemente, los nanofluidos han ganado popularidad gracias a su rendimiento, comparándolos con fluidos convencionales. Debido a sus excepcionales características mecánicas y térmicas, los nanotubos de carbono son de gran interés en tribología para reducir fricción y desgaste. El uso de nanotubos de carbono como soporte de materiales, por ejemplo, nanopartículas metálicas es una novedosa aplicación. Aunque la lubricación con agua se utiliza en numerosas aplicaciones industriales, se requiere más investigación para desarrollar mejores nanofluidos base agua. Este trabajo de investigación consiste en la síntesis de nanopartículas de ceria (CeO2), titania (TiO2), zirconia (ZrO2) y plata (Ag), soportadas sobre nanotubos de carbono de pared múltiple. Los nanotubos de carbono fueron sintetizados por el método CVD spray-pirólisis (rocío pirolítico), utilizando alfa pineno como fuente de carbono biológica y renovable. Los nanotubos se funcionalizaron mediante tratamiento con ácidos y las nanopartículas se sintetizaron en las paredes de estos mediante un método de microondas. Los materiales compósitos sintetizados se caracterizaron mediante microscopía electrónica de transmisión y espectroscopía Raman. Posteriormente se usaron como aditivos para preparar nanofluidos base agua. El desempeño tribológico de estos nanofluidos se investigó utilizando un tribómetro espiga-disco en contactos acero-acero a carga constante (10 N) y concentración principal de aditivo de 0.10% peso. Se observaron resultados mixtos en fricción y desgaste. En las pruebas tribológicas, los compósitos de ceria, plata y zirconia redujeron el coeficiente de fricción en 60% con respecto al blanco sin aditivos. El compósito de plata incrementó el desgaste, mientras que el de titania lo disminuyó. En la caracterización posterior a las pruebas de desgaste se utilizó espectroscopia Raman, microscopía electrónica de barrido y perfilometría óptica.