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Contribuição do Instituto ao desenvolvimento de revestimentos inteligentes.

quarta-feira, 12 de dezembro de 2018 16:08

As vantagens dos revestimentos à base de carbono, como o DLC, para componentes de motores e outros sistemas são bem conhecidas: em grandes linhas, fazem com que as peças revestidas durem mais e diminuem as perdas de energia devidas ao atrito. Entretanto, esses revestimentos poderiam se tornar ainda mais atrativos se tivessem a capacidade de se adaptar a condições de trabalho agressivas, evitando falhas que prejudiquem sua vida útil.

Uma equipe de pesquisadores de dois laboratórios associados ao Instituto Nacional de Engenharia de Superfície fez descobertas que podem representar um passo importante rumo ao desenvolvimento de revestimentos a base de carbono "inteligentes". Mais precisamente, o estudo mostrou que recobrimentos de carbono amorfo hidrogenado (a-C:H) podem adaptar a própria estrutura quando são submetidos a pressões muito altas e conseguem, dessa maneira, proteger peças e componentes.

Inicialmente, pesquisadores do Laboratório Associado de Sensores e Materiais (LAS) do INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) prepararam amostras de aço ferramenta revestido com filmes de carbono amorfo hidrogenado. Além de conter átomos de hidrogênio, esse material é formado por átomos de carbono com hibridização sp2 (estrutura do grafite) e sp3 (estrutura do diamante). Essa mistura de tipos de ligação atômica possibilita ao recobrimento a base de carbono apresentar qualidades tanto do grafite quanto do diamante, como baixo coeficiente de atrito e alta resistência ao desgaste.

Numa segunda etapa, cientistas do Laboratório de Fenômenos de Superfícies (LFS) da EPUSP (Escola Politécnica da Universidade de São Paulo) fizeram uma série de testes tribológicos, mediante os quais submeteram as amostras a altas pressões de contato, de até 2 GPa - o equivalente a uma pressão 20.000 vezes superior à da atmosfera terrestre. Esse nível de pressão é comumente encontrado em sistemas mecânicos, tais como em engrenagens e sistemas de acionamento de válvulas.

Depois de aplicar essas pressões, os cientistas da EPUSP analisaram as mudanças ocorridas na estrutura do material, e encontraram evidências de que a pressão exercida tinha provocado mudanças, transformando regiões de estrutura grafítica em regiões com estrutura de diamante, trazendo um aumento significativo da dureza nesses locais.

O trabalho experimental foi complementado com simulações computacionais baseadas em um código que está sendo desenvolvido no LFS, o TriboCODE.

"De modo geral, neste trabalho foi observado o endurecimento superficial de um filme de a-C:H promovido por altas pressões de contato em ensaios tribológicos em temperatura ambiente", resume o professor Newton Kiyoshi Fukumasu (EPUSP), autor correspondente do artigo que reporta este trabalho no periódico Tribology International. "O nível de pressão alcançado permitiu atingir, no diagrama de equilíbrio de fases do carbono, a transformação de grafite para diamante meta-estável", completa o pesquisador do LFS.

De acordo com Fukumasu, a descoberta permite um melhor entendimento das características dos recobrimentos de carbono amorfo e, dessa maneira, abre possibilidades de desenvolvimento de revestimentos inteligentes que adaptem suas propriedades em função dos esforços aos quais são submetidos. "Como exemplo, pode-se pensar em engrenagens que, no caso de um impacto, teriam suas superfícies adaptadas para resistir mecanicamente sem ocorrer uma grande falha, mantendo a eficiência energética do sistema", propõe o professor.

Esta pesquisa foi realizada no âmbito da cooperação entre os laboratórios da EPUSP e INPE para o desenvolvimento de recobrimentos a base de carbono, focado em aplicações em sistemas sob alta pressão de contato, como engrenagens e componentes de motores. A pesquisa foi realizada com apoio financeiro do CNPq, FAPESP, BNDES e do grupo FCA do Brasil.

Referência: N.K. Fukumasu, C.F. Bernardes, M.A. Ramirez, V.J. Trava-Airoldi, R.M. Souza, I.F. Machado. Local transformation of amorphous hydrogenated carbon coating induced by high contact pressure. Tribology International 124 (2018) 200-208.

Fonte: Gerência de Comunicação do Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies

Palavras-chave: carbono amorfo, diamante, DLC, dureza, engenharia de superfície, engenharia de superfícies, engrenagens, grafite, inpe, Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies, newton fukumasu, pressão de contato, revestimentos, triboCODE, tribologia, usp, válvulas