Supersmørebelegg av karbon nanorør kan redusere økonomiske tap fra friksjon, slitasje

Supersmørebelegg av karbon nanorør kan redusere økonomiske tap fra friksjon, slitasje

Tidsstempel: 7. juni 2023 2:53
Kilde node: 2707633
07. juni 2023 (Nanowerk Nyheter) Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har oppfunnet et belegg som dramatisk kan redusere friksjonen i vanlige lastbærende systemer med bevegelige deler, fra kjøretøys drivtog til vind- og vannkraftturbiner. Det reduserer friksjonen av stål som gnis mot stål minst hundre ganger. Det nye ORNL-belegget kan bidra til å smøre en amerikansk økonomi som hvert år taper mer enn 1 billion dollar på grunn av friksjon og slitasje - tilsvarende 5% av bruttonasjonalproduktet. "Når komponenter glir forbi hverandre, er det friksjon og slitasje," sa Jun Qu, leder av ORNLs Surface Engineering and Tribology-gruppe. Tribologi, fra det greske ordet for gni, er vitenskapen og teknologien for samvirkende overflater i relativ bevegelse, som tannhjul og lagre. «Hvis vi reduserer friksjonen, kan vi redusere energiforbruket. Hvis vi reduserer slitasje, kan vi forlenge levetiden til systemet for bedre holdbarhet og pålitelighet." Sammen med ORNL-kolleger Chanaka Kumara og Michael Lance ledet Qu en studie publisert i Materialer i dag Nano ("Makroskala supersmøring ved et offerbelegg av karbon nanorør") om et belegg som består av karbon nanorør som gir supersmøring til glidende deler. Supersmøring er egenskapen til å vise praktisk talt ingen motstand mot å skli; dens kjennetegn er en friksjonskoeffisient mindre enn 0.01. Til sammenligning, når tørre metaller glir forbi hverandre, er friksjonskoeffisienten rundt 0.5. Med et oljesmøremiddel faller friksjonskoeffisienten til ca. 0.1. Imidlertid reduserte ORNL-belegget friksjonskoeffisienten langt under grensen for supersmøring, til så lavt som 0.001. vertikalt justerte karbon nanorør ORNLs vertikalt justerte karbon nanorør reduserer friksjonen til nesten null for å forbedre energieffektiviteten. (Bilde: Chanaka Kumara, ORNL) "Vår hovedprestasjon er at vi gjør supersmøring mulig for de vanligste bruksområdene," sa Qu. "Før så du det bare i enten nanoskala eller spesialmiljøer." For studien dyrket Kumara karbon nanorør på stålplater. Med en maskin kalt tribometer, fikk han og Qu platene til å gni mot hverandre for å generere karbon-nanorørspon. De flerveggede nanorørene i karbon belegger stålet, avviser korrosiv fuktighet og fungerer som et smøremiddelreservoar. Når de først avsettes, står de vertikalt justerte karbonnanorørene på overflaten som gresstrå. Når ståldeler glir forbi hverandre, "klipper de gresset". Hvert blad er hult, men laget av flere lag med rullet graphene, et atomisk tynt ark av karbon arrangert i tilstøtende sekskanter som hønsenetting. Det knuste nanorøret av karbon fra barberingen blir avsatt på nytt på kontaktflaten, og danner en grafenrik tribofilm som reduserer friksjonen til nesten null. Å lage karbon-nanorør er en flertrinnsprosess. "Først må vi aktivere ståloverflaten for å produsere bittesmå strukturer, på størrelsesskalaen til nanometer. For det andre må vi skaffe en karbonkilde for å dyrke karbonnanorørene, sa Kumara. Han varmet opp en skive i rustfritt stål for å danne metalloksidpartikler på overflaten. Deretter brukte han kjemisk dampavsetning for å introdusere karbon i form av etanol slik at metalloksidpartikler kan sy karbon der, atom for atom i form av nanorør. De nye nanorørene gir ikke supersmøring før de er skadet. "Karbonnanorørene blir ødelagt i gnidningen, men blir en ny ting," sa Qu. "Nøkkeldelen er at de knuste karbonnanorørene er biter av grafen. Disse grafenbitene blir smurt ut og koblet til kontaktområdet, og blir det vi kaller tribofilm, et belegg som dannes under prosessen. Da er begge kontaktflatene dekket av noe grafenrikt belegg. Nå, når de gnir hverandre, er det grafen på grafen.» En skive i rustfritt stål ble oppvarmet for å lage jern- og nikkeloksidpartikler på overflaten En skive i rustfritt stål ble oppvarmet for å lage jern- og nikkeloksidpartikler på overflaten. (Bilde: Carlos Jones, ORNL) Tilstedeværelsen av bare én dråpe olje er avgjørende for å oppnå supersmøring. «Vi prøvde det uten olje; det fungerte ikke,” sa Qu. "Årsaken er at uten olje fjerner friksjon karbonnanorørene for aggressivt. Da kan ikke tribofilmen dannes pent eller overleve lenge. Det er som en motor uten olje. Den ryker på noen få minutter, mens en med olje lett kan gå i årevis.» ORNL-beleggets overlegne glatthet har utholdenhet. Supersmøring vedvarte i tester på mer enn 500,000 12 gnidningssykluser. Kumara testet forestillingene for kontinuerlig gliding over tre timer, deretter en dag og senere 20 dager. "Vi har fortsatt supersmøring," sa han. "Det er stabilt." Ved hjelp av elektronmikroskopi undersøkte Kumara de klippede fragmentene for å bevise at tribologisk slitasje hadde kuttet karbon-nanorørene. For uavhengig å bekrefte at gnidning hadde forkortet nanorørene, brukte ORNL-medforfatter Lance Raman-spektroskopi, en teknikk som måler vibrasjonsenergi, som er relatert til atombindingen og krystallstrukturen til et materiale. "Tribologi er et veldig gammelt felt, men moderne vitenskap og ingeniørvitenskap ga en ny vitenskapelig tilnærming til å fremme teknologi på dette området," sa Qu. «Den grunnleggende forståelsen har vært grunn inntil de siste kanskje 2014 årene, da tribologi fikk et nytt liv. Nylig kom forskere og ingeniører virkelig sammen for å bruke de mer avanserte materialkarakteriseringsteknologiene - det er en ORNL-styrke. Tribologi er veldig tverrfaglig. Ingen er ekspert på alt. Derfor, i tribologi, er nøkkelen til suksess samarbeid." Han la til, "Et sted kan du finne en vitenskapsmann med ekspertise på karbon-nanorør, en vitenskapsmann med ekspertise innen tribologi, en vitenskapsmann med ekspertise i materialkarakterisering. Men de er isolert. Her på ORNL er vi sammen.» ORNLs tribologiteam har gjort prisvinnende arbeid som har tiltrukket industrielle partnerskap og lisensiering. I 100 vant et ionisk antislitasjeadditiv for drivstoffeffektive motorsmøremidler, utviklet av ORNL, General Motors, Shell Global Solutions og Lubrizol, en R&D 100-pris. ORNLs samarbeidspartnere var Qu, Huimin Luo, Sheng Dai, Peter Blau, Todd Toops, Brian West og Bruce Bunting. På samme måte var arbeidet beskrevet i denne artikkelen en finalist for en R&D 2020-pris i XNUMX. Og forskerne har søkt om patent på deres nye supersmørebelegg. "Deretter håper vi å samarbeide med industrien for å skrive et felles forslag til DOE for å teste, modne og lisensiere teknologien," sa Qu. "Om et tiår ønsker vi å se forbedrede kjøretøyer og kraftverk med høy ytelse med mindre energi tapt på grunn av friksjon og slitasje."

Tidstempel:

Mer fra Nanowerk