Estudio de las propiedades mecánicas y tribológicas de materiales nanoestructurados

Abstract

La determinación de las propiedades mecánicas de recubrimientos nanoestructurados es un tema complejo y en continuo desarrollo debido a su importancia tecnológica. El objetivo de este trabajo de tesis es comprender el comportamiento frente a la deformación y al rayado de recubrimientos de óxidos porosos, y la relación entre dicho comportamiento y distintas variables estructurales como porosidad, tamaño de poro y cristalinidad.Para comprender la influencia de cada uno de los parámetros estructurales en las propiedades mecánicas y tribológicas de recubrimientos nanoestructurados, se abordó el estudio de un sistema modelo: las películas de óxidos mesoporosos. Estos sistemas son ideales debido al estricto control que se tiene, desde la síntesis, de su composición, espesor, porosidad, tamaño de poro, orden de los poros y cristalinidad y, fundamentalmente, por la muy baja rugosidad que poseen (menor a los 5 nm). Se sintetizaron films mesoporosos de TiO2 y SiO2 combinando el método sol-gel con el autoensamblado de surfactantes y se realizó una caracterización estructural exhaustiva utilizando una multiplicidad de técnicas como XRR, DRX, SAXS-2D, elipsometría, microscopías óptica y electrónica. Se depositaron multicapas para obtener espesores del orden de 300 nm y minimizar efectos del sustrato en la determinación de las propiedades mecánicas. Las mismas fueron medidas utilizando porosimetría elipsométrica y nanoindentación, realizando tanto estudios mecánicos como tribológicos. Para realizar las mediciones, se optimizaron las técnicas de caracterización mecánica de películas delgadas y se desarrollaron protocolos que abarcan desde la preparación de las muestras hasta el análisis de los resultados.Una vez evaluado el sistema modelo, se aplicaron los conocimientos desarrollados para estudiar sistemas complejos, de alta rugosidad o con estructuras discretas (micropartículas y nanocables). Se optimizó la preparación de las muestras para su estudio por nanoindentación y se realizó la caracterización mecánica de recubrimientos de aluminio anodizado, polímeros de coordinación, nanocables de Ag embebidos en matrices poliméricas y recubrimientos de níquel poroso sobre sustratos de acero. Los nanocables de Ag son conductores eléctricos que pueden ser aplicados en sustratos flexibles y micromaquinados, y por ello es fundamental conocer sus propiedades mecánicas. Se evaluaron los arreglos de nanocables soportados, y se pudieron identificar las propiedades de cables aislados. Por otra parte, se caracterizaron mecánicamente recubrimientos de aluminio anodizado con aplicaciones industriales y de níquel poroso sobre sustratos de acero 316L con potenciales aplicaciones como catalizadores.Finalmente, se optimizó el método de preparación de muestras de polímeros de coordinación incluidas en resinas, para su caracterización con nanoindentación. Los polímeros de coordinación estudiados de Yb, In y Bi tienen potenciales aplicaciones en sensores ópticos, catálisis e inhibición bacteriana. En el caso de cristales anisotrópicos como los de Yb, se obtuvieron valores diferentes de módulo elástico para distintas orientaciones de los monocristales incluidos.

Mechanical properties determination of nanostructured coatings is a complex and continuously evolving subject due to its technological importance. The objective of this thesis is to understand the deformation behavior and scratching of porous oxide coatings, and the relationship between this behavior and different structural variables such as porosity, pore size and crystallinity. In order to understand the influence of each structural parameter on the mechanical and tribological properties of nanostructured coatings, a model system was studied: mesoporous oxide films. These systems are ideal due to the strict control that exists, from the synthesis, of their composition, thickness, porosity, pore size, pore order and crystallinity and, fundamentally, by the very low roughness (less than 5 nm). Mesoporous films of TiO2 and SiO2 were synthesized combining the sol-gel method with the self-assembly of surfactants and an exhaustive structural characterization was performed using a multiplicity of techniques such as XRR, DRX, SAXS-2D, ellipsometry, optical and electronic microscopy. Multilayers were deposited to obtain thicknesses of the order of 300 nm and to minimize effects of the substrate in determining the mechanical properties. They were measured using ellipsometric porosimetry and nanoindentation, performing both mechanical and tribological studies. To carry out the measurements, the mechanical characterization techniques of thin films were optimized and protocols were developed, ranging from the preparation of the samples to the analysis of the results. Once the model system was evaluated, the developed knowledge was applied to study complex systems, with high roughness or with discrete structures (microparticles and nanowires). The preparation of the samples was optimized for study by nanoindentation and the mechanical characterization of anodized aluminium coatings, coordination polymers, Ag nanowires embedded in polymeric matrices and porous nickel coatings on steel substrates was performed. Ag nanowires are electrical conductors that can be applied on flexible and micromachined substrates, and it is therefore essential to know their mechanical properties. The supported nanowire arrays were evaluated, and the properties of isolated cables could be identified. On the other hand, anodized aluminium coatings with industrial and nickel-porous applications were mechanically characterized on 316L steel substrates with potential applications as catalysts. Finally, sample preparation methods of coordination polymers included in resins were optimized for its characterization with nanoindentation. Studied coordination polymers of Yb, In and Bi have potential applications in optical sensors, catalysis and bacterial inhibition. In the case of anisotropic crystals such as those of Yb, different values of elastic modulus were obtained for different orientations of the included monocrystals.