Nadsmarowna powłoka z nanorurek węglowych może zmniejszyć straty ekonomiczne wynikające z tarcia i zużycia

Nadsmarowna powłoka z nanorurek węglowych może zmniejszyć straty ekonomiczne wynikające z tarcia i zużycia

Znacznik czasu: 7 czerwca 2023 2:53
Węzeł źródłowy: 2707633
07 cze 2023 (Wiadomości Nanowerk) Naukowcy z Krajowego Laboratorium Oak Ridge w Departamencie Energii wynaleźli powłokę, która może radykalnie zmniejszyć tarcie w typowych systemach nośnych z ruchomymi częściami, od układów napędowych pojazdów po turbiny wiatrowe i wodne. Zmniejsza tarcie tarcia stali o stal co najmniej stokrotnie. Nowatorska powłoka ORNL może pomóc gospodarce USA, która każdego roku traci ponad 1 bilion dolarów z powodu tarcia i zużycia – co odpowiada 5% produktu narodowego brutto. „Kiedy elementy ślizgają się obok siebie, dochodzi do tarcia i zużycia” — powiedział Jun Qu, lider grupy Inżynierii Powierzchni i Trybologii ORNL. Tribologia, z greckiego słowa oznaczającego pocieranie, to nauka i technologia zajmująca się oddziaływaniem powierzchni w ruchu względnym, takich jak koła zębate i łożyska. „Jeśli zmniejszymy tarcie, możemy zmniejszyć zużycie energii. Jeśli zmniejszymy zużycie, możemy wydłużyć żywotność systemu, zapewniając lepszą trwałość i niezawodność”. Wraz z kolegami z ORNL, Chanaką Kumarą i Michaelem Lance, Qu prowadził badanie opublikowane w Materiały Dzisiaj Nano ("Macroscale superlubricity by a sacrificial carbon nanotube coating") o powłoce składającej się z nanorurki węglowe który nadaje supersmarowność częściom ślizgowym. Nadsmarowność jest właściwością wykazującą praktycznie brak odporności na poślizg; jego znakiem rozpoznawczym jest współczynnik tarcia mniejszy niż 0.01. Dla porównania, gdy suche metale przesuwają się obok siebie, współczynnik tarcia wynosi około 0.5. W przypadku smaru olejowego współczynnik tarcia spada do około 0.1. Jednak powłoka ORNL obniżyła współczynnik tarcia znacznie poniżej wartości granicznej supersmarowności, do zaledwie 0.001. ułożone pionowo nanorurki węglowe Pionowo ustawione nanorurki węglowe ORNL zmniejszają tarcie prawie do zera, poprawiając efektywność energetyczną. (Zdj.: Chanaka Kumara, ORNL) „Naszym głównym osiągnięciem jest umożliwienie supersmarności w najpowszechniejszych zastosowaniach” — powiedział Qu. „Wcześniej można było to zobaczyć tylko w nanoskali lub środowiskach specjalnych”. Na potrzeby badań Kumara wyhodował nanorurki węglowe na stalowych płytach. Za pomocą maszyny zwanej trybometrem on i Qu sprawili, że płytki pocierały się o siebie, tworząc wióry nanorurek węglowych. Wielościenne nanorurki węglowe pokrywają stal, odpychają korozyjną wilgoć i działają jako zbiornik smaru. Kiedy są one osadzane po raz pierwszy, ustawione pionowo nanorurki węglowe stoją na powierzchni jak źdźbła trawy. Kiedy stalowe części przesuwają się obok siebie, zasadniczo „tną trawę”. Każde ostrze jest puste, ale wykonane z wielu warstw walcowanych grafenu, atomowo cienki arkusz węgla ułożony w sąsiednie sześciokąty jak drut z kurczaka. Pęknięte szczątki nanorurek węglowych z wiórów są ponownie osadzane na powierzchni styku, tworząc trybofilm bogaty w grafen, który zmniejsza tarcie prawie do zera. Wytwarzanie nanorurek węglowych to proces wieloetapowy. „Najpierw musimy aktywować powierzchnię stali, aby wytworzyć małe struktury w skali nanometrów. Po drugie, musimy zapewnić źródło węgla do wzrostu nanorurek węglowych” – powiedział Kumara. Podgrzał dysk ze stali nierdzewnej, aby na jego powierzchni utworzyły się cząsteczki tlenku metalu. Następnie użył chemicznego osadzania z fazy gazowej, aby wprowadzić węgiel w postaci etanolu, tak aby cząsteczki tlenku metalu mogły tam łączyć węgiel, atom po atomie, w postaci nanorurek. Nowe nanorurki nie zapewniają supersmarowności, dopóki nie zostaną uszkodzone. „Nanorurki węglowe są niszczone podczas pocierania, ale stają się nową rzeczą” – powiedział Qu. „Kluczową częścią jest to, że pęknięte nanorurki węglowe to kawałki grafenu. Te kawałki grafenu są rozmazane i połączone z obszarem styku, stając się tym, co nazywamy tribofilmem, powłoką utworzoną podczas procesu. Następnie obie powierzchnie styku są pokryte powłoką bogatą w grafen. Teraz, kiedy ocierają się o siebie, jest to grafen na grafenie”. Tarcza ze stali nierdzewnej została podgrzana w celu wytworzenia na jej powierzchni cząsteczek żelaza i tlenku niklu Tarcza ze stali nierdzewnej została podgrzana w celu wytworzenia na jej powierzchni cząsteczek żelaza i tlenku niklu. (Zdj.: Carlos Jones, ORNL) Obecność nawet jednej kropli oleju ma kluczowe znaczenie dla uzyskania supersmarowności. „Próbowaliśmy bez oleju; to nie zadziałało” – powiedział Qu. „Powodem jest to, że bez oleju tarcie zbyt agresywnie usuwa nanorurki węglowe. Wtedy trybofilm nie może się ładnie uformować ani przetrwać długo. To jak silnik bez oleju. Pali się w ciągu kilku minut, podczas gdy ten z olejem może spokojnie działać przez lata.” Doskonała śliskość powłoki ORNL ma wytrzymałość. Nadsmarowność utrzymywała się w testach obejmujących ponad 500,000 12 cykli tarcia. Kumara przetestował osiągi pod kątem ciągłego ślizgania się przez trzy godziny, następnie jeden dzień, a później 20 dni. „Nadal mamy supersmarowność” – powiedział. „Jest stabilny”. Używając mikroskopii elektronowej, Kumara zbadał skoszone fragmenty, aby udowodnić, że zużycie tribologiczne uszkodziło nanorurki węglowe. Aby niezależnie potwierdzić, że pocieranie skróciło nanorurki, Lance, współautor ORNL, wykorzystał spektroskopię Ramana, technikę pomiaru energii wibracyjnej, która jest związana z wiązaniami atomowymi i strukturą krystaliczną materiału. „Trybologia to bardzo stara dziedzina, ale współczesna nauka i inżynieria zapewniły nowe naukowe podejście do zaawansowanej technologii w tej dziedzinie” – powiedział Qu. „Podstawowe zrozumienie było płytkie aż do ostatnich może 2014 lat, kiedy trybologia dostała nowe życie. Niedawno naukowcy i inżynierowie naprawdę połączyli siły, aby wykorzystać bardziej zaawansowane technologie charakteryzacji materiałów — to jest siła ORNL. Trybologia jest bardzo multidyscyplinarna. Nikt nie jest ekspertem od wszystkiego. Dlatego w tribologii kluczem do sukcesu jest współpraca.” Dodał: „Gdzieś można znaleźć naukowca z doświadczeniem w nanorurkach węglowych, naukowca z doświadczeniem w tribologii, naukowca z doświadczeniem w charakteryzowaniu materiałów. Ale są odizolowani. Tutaj w ORNL jesteśmy razem”. Zespoły trybologiczne ORNL wykonały wielokrotnie nagradzane prace, które przyciągnęły partnerstwa przemysłowe i uzyskały licencje. W 100 r. jonowy dodatek przeciwzużyciowy do oszczędnych olejów silnikowych, opracowany przez ORNL, General Motors, Shell Global Solutions i Lubrizol, zdobył nagrodę R&D 100. Współpracownikami ORNL byli Qu, Huimin Luo, Sheng Dai, Peter Blau, Todd Toops, Brian West i Bruce Bunting. Podobnie praca opisana w bieżącym artykule była finalistą nagrody R&D 2020 w XNUMX r. Naukowcy złożyli wniosek o patent na swoją nowatorską powłokę supersmarowną. „Następnie mamy nadzieję na współpracę z przemysłem w celu napisania wspólnej propozycji dla DOE w celu przetestowania, dopracowania i licencjonowania technologii” – powiedział Qu. „Chcielibyśmy za dekadę zobaczyć udoskonalone, wydajne pojazdy i elektrownie, przy mniejszej ilości energii traconej na tarcie i zużycie”.

Znak czasu:

Więcej z Nanowerk