탄소 나노튜브 초윤활성 코팅은 마찰, 마모로 인한 경제적 손실을 줄일 수 있습니다.

탄소 나노튜브 초윤활성 코팅은 마찰, 마모로 인한 경제적 손실을 줄일 수 있습니다.

타임 스탬프 : 7 년 2023 월 2 일 오후 53:XNUMX
소스 노드 : 2707633
07 년 2023 월 XNUMX 일 (나노 워크 뉴스) 에너지부 산하 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory)의 과학자들은 차량 구동렬부터 풍력 및 수력 터빈에 이르기까지 움직이는 부품이 있는 일반적인 하중 지지 시스템의 마찰을 극적으로 줄일 수 있는 코팅을 발명했습니다. 이는 강철과 강철의 마찰을 최소 1배 이상 줄여줍니다. 새로운 ORNL 코팅은 마찰과 마모로 인해 매년 5조 달러 이상(GDP의 XNUMX%에 해당)을 잃는 미국 경제에 윤활유를 공급하는 데 도움이 될 수 있습니다. ORNL의 표면 엔지니어링 및 마찰 공학 그룹 리더인 Jun Qu는 “구성 요소가 서로 미끄러질 때 마찰과 마모가 발생합니다. 마찰이라는 뜻의 그리스어에서 유래한 마찰학은 기어나 베어링과 같이 상대 운동으로 표면을 상호 작용하는 과학 및 기술입니다. “마찰을 줄이면 에너지 소비도 줄일 수 있습니다. 마모를 줄이면 시스템 수명을 늘려 내구성과 신뢰성을 높일 수 있습니다.” ORNL 동료 Chanaka Kumara 및 Michael Lance와 함께 Qu는 다음과 같은 연구를 주도했습니다. 재료투데이 나노 ("희생 탄소 나노튜브 코팅을 통한 거대 규모의 초윤활성") 다음으로 구성된 코팅에 대해 탄소 나노 튜브 접동부에 초윤활성을 부여하는 제품입니다. 초윤활성은 미끄러짐에 대한 저항이 거의 없는 특성입니다. 그 특징은 0.01 미만의 마찰 계수입니다. 이에 비해 건조한 금속이 서로 미끄러질 때 마찰계수는 약 0.5입니다. 오일 윤활제를 사용하면 마찰 계수가 약 0.1로 떨어집니다. 그러나 ORNL 코팅은 마찰계수를 초윤활성 컷오프보다 훨씬 낮은 0.001까지 줄였습니다. 수직으로 정렬된 탄소나노튜브 ORNL의 수직 정렬 탄소 나노튜브는 마찰을 거의 XNUMX으로 줄여 에너지 효율성을 향상시킵니다. (이미지: Chanaka Kumara, ORNL) “우리의 주요 성과는 가장 일반적인 응용 분야에서 초윤활성을 실현할 수 있게 만든 것입니다.”라고 Qu는 말했습니다. "이전에는 나노 규모나 특수 환경에서만 볼 수 있었습니다." 연구를 위해 Kumara는 강철판에 탄소 나노튜브를 성장시켰습니다. 그와 Qu는 트라이보미터(tribometer)라는 기계를 사용하여 판을 서로 마찰시켜 탄소 나노튜브 부스러기를 생성했습니다. 다중벽 탄소 나노튜브는 강철을 코팅하고 부식성 습기를 차단하며 윤활유 저장고 역할을 합니다. 처음 증착되면 수직으로 정렬된 탄소나노튜브가 풀잎처럼 표면에 서 있습니다. 강철 부품이 서로 지나갈 때 본질적으로 "잔디를 자르는" 것입니다. 각 블레이드는 속이 비어 있지만 여러 겹의 롤링된 블레이드로 구성됩니다. 그래 핀, 철조망처럼 인접한 육각형으로 배열된 원자적으로 얇은 탄소 시트입니다. 면도로 인해 파손된 탄소 나노튜브 파편이 접촉 표면에 재침착되어 마찰을 거의 XNUMX으로 줄이는 그래핀이 풍부한 마찰막을 형성합니다. 탄소나노튜브를 만드는 것은 다단계 과정이다. “먼저 나노미터 크기 규모의 작은 구조를 생성하려면 강철 표면을 활성화해야 합니다. 둘째, 탄소나노튜브를 성장시키기 위한 탄소원을 제공해야 한다”고 Kumara는 말했다. 그는 스테인리스 스틸 디스크를 가열하여 표면에 금속 산화물 입자를 형성했습니다. 그런 다음 그는 화학 기상 증착을 사용하여 에탄올 형태의 탄소를 도입하여 금속 산화물 입자가 탄소를 원자 단위로 나노튜브 형태로 연결할 수 있도록 했습니다. 새로운 나노튜브는 손상될 때까지 초윤활성을 제공하지 않습니다. Qu는 “탄소 나노튜브는 마찰로 파괴되지만 새로운 것이 된다”고 말했다. “핵심 부분은 부서진 탄소 나노튜브가 그래핀 조각이라는 점입니다. 이러한 그래핀 조각은 번지고 접촉 영역에 연결되어 공정 중에 형성된 코팅인 트리보필름(tribofilm)이 됩니다. 그런 다음 두 접촉 표면 모두 그래핀이 풍부한 코팅으로 덮여 있습니다. 이제 서로 비비면 그래핀 위에 그래핀이 되는 거죠.” 스테인리스 스틸 디스크를 가열하여 표면에 철과 산화니켈 입자를 생성했습니다. 스테인리스 스틸 디스크를 가열하여 표면에 철과 산화니켈 입자를 생성했습니다. (이미지: Carlos Jones, ORNL) 초윤활성을 달성하려면 한 방울의 오일이라도 존재하는 것이 중요합니다. “저희는 기름 없이 사용해 보았습니다. 작동하지 않았습니다.”라고 Qu는 말했습니다. “그 이유는 기름이 없으면 마찰로 인해 탄소 나노튜브가 너무 공격적으로 제거되기 때문입니다. 그러면 트리보필름은 제대로 형성되지 않거나 오래 살아남을 수 없습니다. 마치 기름이 없는 엔진과 같습니다. 담배는 몇 분 안에 피우는 반면, 기름이 있는 담배는 몇 년 동안 쉽게 연기를 낼 수 있습니다.” ORNL 코팅의 뛰어난 미끄러움으로 지속력이 뛰어납니다. 500,000회 이상의 마찰 주기 테스트에서도 초윤활성이 지속되었습니다. Kumara는 12시간, 하루, 그 후 20일에 걸쳐 연속 슬라이딩 성능을 테스트했습니다. “우리는 여전히 뛰어난 윤활성을 갖고 있습니다.”라고 그는 말했습니다. “안정적이에요.” Kumara는 전자현미경을 사용하여 절단된 조각을 조사하여 마찰 마모로 인해 탄소 나노튜브가 절단되었음을 입증했습니다. 마찰로 인해 나노튜브가 짧아졌음을 독립적으로 확인하기 위해 ORNL의 공동 저자인 Lance는 물질의 원자 결합 및 결정 구조와 관련된 진동 에너지를 측정하는 기술인 라만 분광학을 사용했습니다. Qu는 “마찰학은 매우 오래된 분야이지만 현대 과학 및 공학은 이 분야의 기술을 발전시키기 위한 새로운 과학적 접근 방식을 제공했습니다.”라고 말했습니다. “마찰학이 새로운 생명을 얻은 지난 2014년 전까지는 기본적인 이해가 얕았습니다. 최근에는 과학자와 엔지니어가 함께 모여 더욱 발전된 재료 특성화 기술을 사용하고 있습니다. 이것이 바로 ORNL의 강점입니다. 마찰학은 매우 다양한 분야에 걸쳐 있습니다. 모든 일에 전문가는 없습니다. 따라서 마찰공학에서 성공의 열쇠는 협업입니다.” 그는 “어디서나 탄소나노튜브 전문 지식을 갖춘 과학자, 마찰학 전문 지식을 갖춘 과학자, 재료 특성화 전문 지식을 갖춘 과학자를 찾을 수 있다”고 덧붙였다. 그러나 그들은 고립되어 있습니다. 여기 ORNL에서 우리는 함께합니다.” ORNL의 마찰 공학 팀은 산업 파트너십과 라이센스를 유치하는 수상 경력이 있는 작업을 수행했습니다. 100년에는 ORNL, General Motors, Shell Global Solutions 및 Lubrizol이 개발한 연료 효율적인 엔진 윤활유용 이온 마모 방지 첨가제가 R&D 100 상을 수상했습니다. ORNL의 공동 작업자는 Qu, Huimin Luo, Sheng Dai, Peter Blau, Todd Toops, Brian West 및 Bruce Bunting이었습니다. 마찬가지로, 현재 논문에 설명된 작업은 2020년 R&D XNUMX 상의 최종 후보였습니다. 그리고 연구원들은 새로운 초윤활성 코팅에 대한 특허를 신청했습니다. Qu는 “다음으로 우리는 업계와 협력하여 DOE에 기술을 테스트하고 성숙시키고 라이센스를 부여하는 공동 제안서를 작성하기를 희망합니다”라고 말했습니다. "XNUMX년 안에 우리는 마찰과 마모로 인한 에너지 손실이 적은 개선된 고성능 차량과 발전소를 보고 싶습니다."

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