Ingeniería de superficies

La ingeniería de superficies es la subdisciplina de la ciencia de los materiales que estudia la superficie de la materia sólida. Tiene aplicaciones en la química , la ingeniería mecánica y la ingeniería eléctrica (en particular en relación con la fabricación de semiconductores ).

Los sólidos están compuestos por un material a granel cubierto por una superficie. La superficie que une el material a granel se denomina fase superficial. Actúa como interfaz con el entorno circundante. El material a granel de un sólido se denomina fase a granel.

La fase superficial de un sólido interactúa con el entorno que lo rodea. Esta interacción puede degradar la fase superficial con el tiempo. La degradación ambiental de la fase superficial con el tiempo puede ser causada por el desgaste , la corrosión , la fatiga y la fluencia .

La ingeniería de superficies implica alterar las propiedades de la fase superficial para reducir la degradación con el tiempo. Esto se logra haciendo que la superficie sea resistente al entorno en el que se utilizará. Proporciona un material rentable para un diseño robusto. Un espectro de temas que representan la naturaleza diversa del campo de la ingeniería de superficies incluye tecnologías de recubrimiento, nanotecnologías y tecnologías emergentes e ingeniería de superficies, caracterización y pruebas.

Las técnicas de ingeniería de superficies se utilizan en las industrias automotriz, aeroespacial, de misiles, de energía, electrónica, biomédica, textil, petrolera, petroquímica, química, siderúrgica, cementera, de máquinas herramienta y de construcción, incluyendo la pavimentación de carreteras . Las técnicas de ingeniería de superficies se pueden utilizar para desarrollar una amplia gama de propiedades funcionales, incluyendo propiedades físicas, químicas, eléctricas, electrónicas, magnéticas, mecánicas, resistentes al desgaste y a la corrosión en las superficies de sustrato requeridas. Casi todos los tipos de materiales, incluyendo metales, cerámicas, polímeros y compuestos, se pueden recubrir sobre materiales similares o diferentes. También es posible formar recubrimientos de materiales más nuevos (por ejemplo, vidrio metálico, beta-C ₃ N ₄ ), depósitos graduados, depósitos multicomponentes, etc. Los materiales avanzados y los procesos de deposición, incluyendo los desarrollos recientes en materiales ultraduros como BAM (compuesto de AlMgB), se tratan en su totalidad en un libro reciente [R. Chattopadhyay: Green Tribology, Green Surface Engineering and Global Warming, ASM International, USA, 2014]

En 1995, la ingeniería de superficies era un mercado de 10 mil millones de libras esterlinas en el Reino Unido. Los recubrimientos, destinados a hacer que las superficies duren más tiempo y sean resistentes al desgaste y la corrosión, representaban aproximadamente la mitad del mercado.

En los últimos años, ha habido un cambio de paradigma en la ingeniería de superficies, desde la galvanoplastia tradicional a procesos como la deposición en fase de vapor, la difusión, la pulverización térmica y la soldadura que utilizan fuentes de calor, como láser, plasma, rayos solares, microondas, fricción, combustión pulsada, iones, arco pulsado de electrones, chispas, fricción e inducción. [Ref: R. Chattopadhyay: Procesos avanzados de ingeniería de superficies asistida térmicamente, Springer, Nueva York, EE. UU., 2004]

Se estima que las pérdidas por desgaste y corrosión en Estados Unidos ascienden a unos 500.000 millones de dólares. En ese país, hay alrededor de 9.524 establecimientos (incluidas las industrias de la automoción, la aeronáutica, la energía y la construcción) que dependen de superficies de ingeniería con el apoyo de 23.466 industrias.

Hay alrededor de 65 instituciones académicas en todo el mundo dedicadas a la investigación y educación en ingeniería de superficies.

La limpieza de superficies, también conocida como limpieza en seco, es una técnica de limpieza mecánica que se utiliza para reducir la suciedad superficial, el polvo, la mugre, los excrementos de insectos, las acumulaciones u otros depósitos superficiales. (La limpieza en seco, como se utiliza el término en la conservación del papel, no emplea el uso de disolventes orgánicos). La limpieza de superficies se puede utilizar como una técnica de limpieza independiente, como un paso (normalmente el primero) de un tratamiento más completo o como preludio de tratamientos posteriores (por ejemplo, inmersión acuosa) que pueden hacer que la suciedad se fije de forma irreversible en las fibras del papel.

El objetivo de la limpieza de superficies es reducir la posibilidad de que se dañen los objetos de papel eliminando materiales extraños que pueden ser abrasivos, ácidos, higroscópicos o degradantes. La decisión de eliminar la suciedad de la superficie también se debe a razones estéticas, ya que interfiere con la visibilidad de las imágenes o la información. Se debe tomar una decisión sopesando el cuidado probable de cada objeto frente a los posibles problemas relacionados con la limpieza de la superficie.

La aplicación de la ingeniería de superficies a los componentes conduce a una mayor duración (por ejemplo, mediante la resistencia a la corrosión) y una mayor eficiencia (por ejemplo, mediante la reducción de la fricción), lo que reduce directamente las emisiones correspondientes a esos componentes. La aplicación de tecnologías innovadoras de ingeniería de superficies al sector energético tiene el potencial de reducir las emisiones anuales de CO2 _- eq en hasta 1,8 Gt en 2050 y 3,4 Gt en 2100. Esto corresponde a una reducción anual del 7% y el 8,5% en el sector energético en 2050 y 2100, respectivamente. ^[1] A pesar de esos beneficios, un importante inconveniente ambiental son las pérdidas disipativas que se producen a lo largo del ciclo de vida de los componentes y los impactos ambientales asociados a ellas. En las aplicaciones de ingeniería de superficies mediante pulverización térmica, la mayoría de esas pérdidas disipativas se producen en la etapa de recubrimiento (hasta un 39%), donde parte de los polvos pulverizados no se adhieren al sustrato. ^[2]

• Cemento modificado energéticamente  – Clase de cementos, procesados ​​mecánicamente para transformar la reactividad
• Acabado de superficies  : gama de procesos que alteran la superficie de un artículo para lograr una determinada propiedad.
• Ciencia de superficies  : estudio de los fenómenos físicos y químicos que ocurren en la interfaz de dos fases.
• Metrología de superficies  : medición de características a pequeña escala en superficies
• Tribología  – Ciencia e ingeniería de superficies que interactúan en movimiento relativo

• R. Chattopadhyay, 'Procesos avanzados de ingeniería de superficies asistidos térmicamente' Kluwer Academic Publishers, MA, EE. UU. (ahora Springer, NY), 2004, ISBN 1-4020-7696-7 , E- ISBN 1-4020-7764-5 .  
• R. Chattopadhyay, 'Desgaste de la superficie: análisis, tratamiento y prevención', ASM-International, Materials Park, OH, EE. UU., 2001, ISBN 0-87170-702-0 . 
• Sanjay Kumar Thakur y R. Gopal Krishnan, 'Avances en ingeniería de superficies aplicada', Research Publishing Services, Singapur, 2011, ISBN 978-981-08-7922-8 . 

• Instituto de Química de Superficies y Catálisis de la Universidad de Ulm