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Cómo reducir las pérdidas entre superficies de contacto

Los sistemas mecánicos como engranajes y pistones tienen componentes móviles que generan fricción y pérdidas de energía. Un modelo híbrido que aúna las descripciones atomística y continua de las interficies deslizantes podría señalar el camino para optimizar los diseños de cara a conseguir una mayor eficiencia.
Cómo reducir las pérdidas entre superficies de contacto
Las protrusiones de muy baja desigualdad (asperezas) pueden experimentar altas fuerzas y presiones de cizalladura. Eso puede provocar adhesión, flujo plástico e incluso fracturas. Una mayor fricción se traduce en un mayor consumo energético, lo que además de reducir la eficiencia del sistema mecánico contribuye a mayores emisiones de dióxido de carbono (CO2).

Un mejor conocimiento de la contribución del flujo plástico y la fractura a la fricción puede servir para optimizar las superficies y los recubrimientos de cara a minimizar la fricción, el consumo energético y las emisiones de CO2. Eso requiere un conocimiento detallado a escalas de evolución de la estructura superficial durante la deformación plástica que van de los nanómetros (atomística) a los milímetros (apreciable a simple vista).

Un grupo de científicos financiado con fondos europeos ha hecho importantes avances hacia el desarrollo del modelo unificador necesario para abarcar esa escala de tamaños en el contexto del proyecto TOPOGRAPHY EVOLUTION. El modelo continuo se basa en la resolución de problemas relacionados con los valores límite o bien de sistemas de ecuaciones diferenciales con restricciones adicionales relacionadas con las condiciones límite de la barrera física (mediante la utilización de la función de Green). Este primer método se combinó con el segundo, consistente en algoritmos innovadores de dinámica molecular, para proporcionar un acoplamiento perfecto del sistema atomístico en la barrera elástica.

Los cálculos a escala atómica predicen cómo cambia la adhesión la superficie de contacto y en qué condiciones se vuelven las superficies «pegajosas». Deberían resultar útiles para desarrollar mejores adhesivos y también para diseñar sistemas con una adhesión mínima. El modelo ha proporcionado asimismo información sobre el modo en que la geometría atómica y la plasticidad modifican la distribución de presión y la superficie de contacto de un sólido atómico.

Por último, los investigadores estudiaron carbono amorfo, un material de recubrimiento con propiedades superiores de resistencia al desgaste, para intentar entender la deformación plástica en las uniones aspereza-aspereza. Demostraron una localización espacial de eventos de deformación por cizalladura que concentra los daños en la interficie, previniendo así una deformación subsuperficial importante y los consiguientes daños en el material de recubrimiento.

El nuevo modelo híbrido atomístico-continuo desarrollado por TOPOGRAPHY EVOLUTION está llamado a mejorar el conocimiento de los fenómenos de adherencia y plasticidad en los sistemas mecánicos con barreras interficiales. Ello contribuirá a optimizar las estructuras superficiales y los recubrimientos y, así, reducirá la fricción, el consumo energético y las emisiones de CO2.

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Palabras clave

Sistemas mecánicos, fricción, atomístico, continuo, asperezas, evolución topográfica
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