Carbon Nanotube Superlubricity Coating Could Reduce Economic Losses From Friction, Wear

Julkaissut Platon

seuraajia: 0

07. kesäkuuta 2023 (Nanowerk-uutiset) Department of Energyn Oak Ridge National Laboratoryn tutkijat ovat keksineet pinnoitteen, joka voi dramaattisesti vähentää kitkaa yleisissä kantavissa järjestelmissä, joissa on liikkuvia osia, ajoneuvojen voimansiirroista tuuli- ja vesivoimaloihin. Se vähentää teräksen hankauksen kitkaa teräkseen vähintään satakertaisesti. Uusi ORNL-pinnoite voi auttaa rasvaamaan Yhdysvaltain taloutta, joka menettää vuosittain yli 1 biljoona dollaria kitkan ja kulumisen vuoksi – mikä vastaa 5 prosenttia bruttokansantuotteesta. "Kun komponentit liukuvat toistensa ohi, esiintyy kitkaa ja kulumista", sanoi Jun Qu, ORNL:n pintatekniikan ja tribologian ryhmän johtaja. Tribologia, kreikan sanasta hankausta, on tiede ja teknologia vuorovaikutteisten pintojen, kuten hammaspyörien ja laakerien, suhteellisessa liikkeessä. ”Jos vähennämme kitkaa, voimme vähentää energiankulutusta. Jos vähennämme kulumista, voimme pidentää järjestelmän käyttöikää parantaaksemme kestävyyttä ja luotettavuutta." Qu johti ORNL-kollegoiden Chanaka Kumaran ja Michael Lancen kanssa vuonna julkaistua tutkimusta Materiaalit tänään Nano ("Macroscale superlubricity by a sacrificial carbon nanotube coating") pinnoitteesta, joka koostuu hiilinanoputket joka antaa ylivoitelun liukuosiin. Ylivoitelu on ominaisuus, joka ei osoita käytännössä mitään liukukestävyyttä; sen tunnusmerkki on kitkakerroin alle 0.01. Vertailun vuoksi, kun kuivat metallit liukuvat toistensa ohi, kitkakerroin on noin 0.5. Öljyvoiteluaineella kitkakerroin putoaa noin 0.1:een. ORNL-pinnoite kuitenkin alensi kitkakertoimen paljon ylivoitelurajan alapuolelle, niinkin alhaiseksi kuin 0.001.

ORNL:n pystysuoraan kohdistetut hiilinanoputket vähentävät kitkan lähes nollaan energiatehokkuuden parantamiseksi. (Kuva: Chanaka Kumara, ORNL) "Tärkein saavutuksemme on, että ylivoitelu on mahdollista yleisimmissä sovelluksissa", Qu sanoi. "Aiemmin näki sen vain joko nanomittakaavassa tai erikoisympäristöissä." Tutkimusta varten Kumara kasvatti hiilinanoputkia teräslevyille. Tribometriksi kutsutulla koneella hän ja Qu saivat levyt hankaamaan toisiaan vasten hiilinanoputkilastujen muodostumiseksi. Moniseinäiset hiilinanoputket päällystävät teräksen, hylkivät syövyttävää kosteutta ja toimivat voiteluaineen säiliönä. Kun ne levitetään ensimmäisen kerran, pystysuorassa linjassa olevat hiilinanoputket seisovat pinnalla kuin ruohonkorsi. Kun teräsosat liukuvat toistensa ohi, ne "leikkaavat ruohoa". Jokainen terä on ontto, mutta valmistettu useista valssatuista kerroksista grafeeni, atomisesti ohut hiililevy, joka on järjestetty vierekkäisiin kuusikulmioihin, kuten kanalanka. Parranajoprosessista syntyneet murtuneet hiilinanoputkijätteet kerrostuvat uudelleen kosketuspinnalle, jolloin muodostuu grafeenipitoinen tribokalvo, joka vähentää kitkan lähes nollaan. Hiilinanoputkien valmistus on monivaiheinen prosessi. ”Ensin meidän on aktivoitava teräspinta tuottaaksemme pieniä, nanometrien kokoisia rakenteita. Toiseksi meidän on tarjottava hiililähde hiilinanoputkien kasvattamiseksi", Kumara sanoi. Hän kuumensi ruostumattomasta teräksestä valmistettua kiekkoa metallioksidihiukkasten muodostamiseksi pinnalle. Sitten hän käytti kemiallista höyrypinnoitusta hiilen tuomiseen etanolin muodossa, jotta metallioksidihiukkaset voivat kiinnittää hiiltä siihen atomi atomilta nanoputkien muodossa. Uudet nanoputket eivät tarjoa supervoitelukykyä ennen kuin ne ovat vaurioituneet. "Hiilinanoputket tuhoutuvat hankautuessa, mutta niistä tulee uusi asia", Qu sanoi. ”Tärkeintä on, että murtuneet hiilinanoputket ovat grafeenin palasia. Nämä grafeenipalat levitetään ja liitetään kosketusalueeseen, jolloin niistä tulee tribofilmiksi kutsuttu pinnoite, joka muodostuu prosessin aikana. Sitten molemmat kosketuspinnat peitetään grafeenipitoisella pinnoitteella. Nyt kun he hierovat toisiaan, se on grafeenia grafeenin päällä."

Ruostumattomasta teräksestä valmistettu kiekko kuumennettiin rauta- ja nikkelioksidihiukkasten muodostamiseksi sen pinnalle. (Kuva: Carlos Jones, ORNL) Jo yhden öljypisaran läsnäolo on ratkaisevan tärkeää supervoitelukyvyn saavuttamiseksi. ”Kokeilimme sitä ilman öljyä; se ei toiminut”, Qu sanoi. ”Syynä on, että ilman öljyä kitka poistaa hiilinanoputket liian aggressiivisesti. Silloin tribofilmi ei voi muodostua kauniisti tai säilyä pitkään. Se on kuin moottori ilman öljyä. Se savuaa muutamassa minuutissa, kun taas öljyinen voi helposti toimia vuosia." ORNL-pinnoitteen ylivoimaisella liukkaudella on pysyvyys. Ylivoitelukyky säilyi yli 500,000 12 hankaussyklin testeissä. Kumara testasi suorituskyvyn jatkuvaa liukumista kolmen tunnin ajan, sitten yhden päivän ja myöhemmin 20 päivän ajan. "Meillä on edelleen supervoitelukyky", hän sanoi. "Se on vakaa." Elektronimikroskopiaa käyttäen Kumara tutki leikatut palaset todistaakseen, että tribologinen kuluminen oli katkaissut hiilinanoputket. Vahvistaakseen itsenäisesti, että hankaus oli lyhentänyt nanoputkia, ORNL:n toinen kirjoittaja Lance käytti Raman-spektroskopiaa, tekniikkaa, joka mittaa värähtelyenergiaa, joka liittyy materiaalin atomisidoksiin ja kiderakenteeseen. "Tribologia on hyvin vanha ala, mutta moderni tiede ja tekniikka tarjosivat uuden tieteellisen lähestymistavan teknologian edistämiseen tällä alalla", Qu sanoi. ”Peruskäsitys on ollut pinnallista viimeiset ehkä 2014 vuotta, jolloin tribologia sai uuden elämän. Viime aikoina tiedemiehet ja insinöörit todella kokoontuivat käyttämään edistyneempiä materiaalien karakterisointitekniikoita – se on ORNL:n vahvuus. Tribologia on hyvin monitieteistä. Kukaan ei ole asiantuntija kaikessa. Siksi tribologiassa avain menestykseen on yhteistyö. Hän lisäsi: "Jostain voit löytää tutkijan, jolla on asiantuntemusta hiilinanoputkista, tutkijan, jolla on asiantuntemusta tribologiasta, tutkijan, jolla on asiantuntemusta materiaalien karakterisoinnissa. Mutta he ovat eristettyjä. Täällä ORNL:ssä olemme yhdessä." ORNL:n tribologiatiimit ovat tehneet palkittua työtä, joka on houkutellut teollisia kumppanuuksia ja lisenssejä. Vuonna 100 ORNL:n, General Motorsin, Shell Global Solutionsin ja Lubrizolin kehittämä ioninen kulumista estävä lisäaine polttoainetaloudellisille moottorivoiteluaineille voitti R&D 100 -palkinnon. ORNL:n yhteistyökumppaneita olivat Qu, Huimin Luo, Sheng Dai, Peter Blau, Todd Toops, Brian West ja Bruce Bunting. Vastaavasti tässä artikkelissa kuvattu työ oli finalisti R&D 2020 -palkinnolle vuonna XNUMX. Ja tutkijat ovat hakeneet patenttia uudelle supervoitelupinnoitteelleen. "Seuraavaksi toivomme saavamme yhteistyötä teollisuuden kanssa kirjoittaaksemme yhteisen ehdotuksen DOE:lle teknologian testaamiseksi, kehittämiseksi ja lisensoimiseksi", Qu sanoi. "Haluamme nähdä vuosikymmenen kuluttua parempia korkean suorituskyvyn ajoneuvoja ja voimalaitoksia, joissa kitkan ja kulumisen aiheuttama energiahävikki vähenee."