Süsinik-nanotoru ülimäärdeainega kate võib vähendada hõõrdumisest ja kulumisest tekkivat majanduslikku kahju

Süsinik-nanotoru ülimäärdeainega kate võib vähendada hõõrdumisest ja kulumisest tekkivat majanduslikku kahju

Ajatempel: 7. juuni 2023 kell 2
Allikasõlm: 2707633
07. juuni 2023 (Nanowerki uudised) Energeetikaministeeriumi Oak Ridge'i riikliku labori teadlased on leiutanud katte, mis võib märkimisväärselt vähendada hõõrdumist tavalistes liikuvate osadega kandesüsteemides, alates sõidukite ajamitest kuni tuule- ja hüdroturbiinideni. See vähendab terase hõõrdumist terasele vähemalt sada korda. Uudne ORNL-kate võib aidata määrida USA majandust, mis kaotab igal aastal hõõrdumise ja kulumise tõttu rohkem kui 1 triljoni dollari, mis võrdub 5% rahvamajanduse koguproduktist. "Kui komponendid libisevad üksteisest mööda, tekib hõõrdumine ja kulumine," ütles ORNLi pinnaehituse ja triboloogia töörühma juht Jun Qu. Triboloogia, mis pärineb kreekakeelsest sõnast hõõrdumisest, on teadus ja tehnoloogia suhtelises liikumises olevate pindade, näiteks hammasrataste ja laagrite vastastikuse mõju kohta. "Kui me vähendame hõõrdumist, saame vähendada energiatarbimist. Kui vähendame kulumist, saame pikendada süsteemi eluiga, et tagada parem vastupidavus ja töökindlus. Qu juhtis koos ORNLi kolleegide Chanaka Kumara ja Michael Lance'iga aastal avaldatud uuringut Materjalid täna Nano ("Macroscale superlubricity by a sacrificial carbon nanotube coating") katte kohta, mis koosneb süsiniknanotorud mis annab libisevatele osadele ülimäärdevõime. Ülimääre on omadus, mis praktiliselt ei näita libisemiskindlust; selle tunnuseks on hõõrdetegur alla 0.01. Võrdluseks, kui kuivad metallid üksteisest mööda libisevad, on hõõrdetegur umbes 0.5. Õlimäärdeainega langeb hõõrdetegur umbes 0.1-ni. Kuid ORNL-kate vähendas hõõrdetegurit palju alla ülimäärdevõime piiri, nii madalale kui 0.001. vertikaalselt joondatud süsinik-nanotorud ORNL-i vertikaalselt joondatud süsinik-nanotorud vähendavad energiatõhususe parandamiseks hõõrdumist peaaegu nullini. (Pilt: Chanaka Kumara, ORNL) "Meie peamine saavutus on see, et me muudame ülimäärdeaine kõige tavalisemate rakenduste jaoks teostatavaks," ütles Qu. "Varem nägite seda ainult nanomõõtmetes või erikeskkondades." Uuringu jaoks kasvatas Kumara terasplaatidel süsiniknanotorusid. Tribomeetriks nimetatud masinaga panid ta ja Qu plaadid üksteise vastu hõõruma, et tekitada süsinik-nanotoru laaste. Mitmeseinalised süsiniknanotorud katavad terase, tõrjuvad söövitavat niiskust ja toimivad määrdeaine reservuaarina. Esmakordsel ladestamisel seisavad vertikaalselt joondatud süsiniknanotorud pinnal nagu rohulibled. Kui terasosad libisevad üksteisest mööda, "lõigavad nad muru". Iga tera on õõnes, kuid valmistatud mitmest rullitud kihist graphene, aatomiliselt õhuke süsinikuleht, mis on paigutatud kõrvuti asetsevatesse kuusnurkadesse nagu kana traat. Raseerimisel tekkinud murdunud süsinik-nanotoru praht ladestatakse uuesti kontaktpinnale, moodustades grafeenirikka tribokile, mis vähendab hõõrdumist peaaegu nullini. Süsiniknanotorude valmistamine on mitmeastmeline protsess. "Esiteks peame aktiveerima teraspinna, et toota nanomeetrites pisikesi struktuure. Teiseks peame süsiniknanotorude kasvatamiseks pakkuma süsinikuallika, " ütles Kumara. Ta kuumutas roostevabast terasest ketast, et moodustada pinnale metalloksiidi osakesi. Seejärel kasutas ta keemilist aurude sadestamist süsiniku sisseviimiseks etanooli kujul, nii et metalloksiidi osakesed saaksid nanotorude kujul aatomhaaval süsinikku siduda. Uued nanotorud ei anna ülimääret enne, kui need on kahjustatud. "Süsinik-nanotorud hävivad hõõrdumisel, kuid neist saab uus asi," ütles Qu. "Peamine osa on selles, et purunenud süsinik-nanotorud on grafeenitükid. Need grafeenitükid määritakse ja ühendatakse kontaktalaga, saades tribofilmiks, protsessi käigus moodustunud katteks. Seejärel kaetakse mõlemad kontaktpinnad mõne grafeenirikka kattega. Nüüd, kui nad üksteist hõõruvad, on see grafeen grafeenil. Roostevabast terasest ketast kuumutati, et tekitada selle pinnale raua- ja nikkeloksiidiosakesed Roostevabast terasest ketast kuumutati, et tekitada selle pinnale raua- ja nikkeloksiidiosakesed. (Pilt: Carlos Jones, ORNL) Isegi ühe tilga õli olemasolu on ülimäärdevõime saavutamiseks ülioluline. “Proovisime ilma õlita; see ei töötanud," ütles Qu. "Põhjus on selles, et ilma õlita eemaldab hõõrdumine süsiniknanotorusid liiga agressiivselt. Siis ei saa tribokile ilusti tekkida ega kaua püsida. See on nagu mootor ilma õlita. See suitseb mõne minutiga, samas kui õliga võib kergesti töötada aastaid. ORNL-katte suurepärasel libedusel on püsiv jõud. Ülimääre püsis enam kui 500,000 12 hõõrumistsükli katsetes. Kumara katsetas etendusi pideva libisemise osas kolme tunni, seejärel ühe päeva ja hiljem 20 päeva jooksul. "Meil on ikkagi ülimääre," ütles ta. "See on stabiilne." Elektronmikroskoopia abil uuris Kumara niidetud fragmente, et tõestada, et triboloogiline kulumine oli süsiniknanotorud katkestanud. Sõltumatult kinnitamaks, et hõõrumine on nanotorusid lühendanud, kasutas ORNL-i kaasautor Lance Ramani spektroskoopiat – tehnikat, mis mõõdab vibratsioonienergiat, mis on seotud materjali aatomisideme ja kristallstruktuuriga. "Triboloogia on väga vana valdkond, kuid kaasaegne teadus ja tehnika andsid uue teadusliku lähenemisviisi tehnoloogia edendamiseks selles valdkonnas," ütles Qu. “Põhimõtteline arusaam on olnud pinnapealne kuni viimased ehk 2014 aastat, mil triboloogia sai uue elu. Hiljuti tulid teadlased ja insenerid tõesti kokku, et kasutada täiustatud materjali iseloomustamise tehnoloogiaid – see on ORNL-i tugevus. Triboloogia on väga multidistsiplinaarne. Keegi pole kõiges ekspert. Seetõttu on triboloogias edu võti koostöö. Ta lisas: "Kusagilt võite leida teadlase, kellel on teadmised süsinik-nanotorude alal, teadlase, kellel on teadmised triboloogiast, teadlase, kellel on teadmised materjalide iseloomustamise alal. Kuid nad on isoleeritud. Siin ORNL-is oleme koos. ORNL-i triboloogiameeskonnad on teinud auhinnatud tööd, mis on kaasanud tööstuspartnerlusi ja litsentse. 100. aastal võitis ORNL, General Motors, Shell Global Solutions ja Lubrizol välja töötatud kütusesäästlike mootorimäärdeainete ioonne kulumisvastane lisand R&D 100 auhinna. ORNLi kaastöötajad olid Qu, Huimin Luo, Sheng Dai, Peter Blau, Todd Toops, Brian West ja Bruce Bunting. Samamoodi oli käesolevas dokumendis kirjeldatud töö 2020. aastal R&D XNUMX auhinna finalist. Teadlased on taotlenud oma uudse ülimäärdeaine katte patenti. "Järgmisena loodame teha koostööd tööstusega, et kirjutada DOE-le ühine ettepanek tehnoloogia testimiseks, arendamiseks ja litsentsimiseks," ütles Qu. "Kümne aasta pärast tahaksime näha täiustatud suure jõudlusega sõidukeid ja elektrijaamu, mille hõõrdumise ja kulumise tõttu kuluks vähem energiat."

Ajatempel:

Veel alates Nanowerk