Суперсмазывающее покрытие из углеродных нанотрубок может снизить экономические потери от трения, износа

07 июня 2023 г. (Новости Наноуэрк) Ученые из Национальной лаборатории Ок-Риджа Министерства энергетики изобрели покрытие, которое может значительно уменьшить трение в обычных несущих системах с движущимися частями, от приводов транспортных средств до ветряных и гидроэлектрических турбин. Он уменьшает трение стали о сталь как минимум в сто раз. Новое покрытие ORNL может помочь экономике США, которая ежегодно теряет более 1 триллиона долларов из-за трения и износа, что эквивалентно 5% валового национального продукта. «Когда компоненты скользят относительно друг друга, возникает трение и износ», — сказал Цзюнь Цюй, руководитель группы инженеров поверхностей и трибологии ORNL. Трибология, от греческого слова «трение», представляет собой науку и технологию взаимодействующих поверхностей, находящихся в относительном движении, таких как зубчатые колеса и подшипники. «Если мы уменьшим трение, мы сможем снизить потребление энергии. Если мы уменьшим износ, мы сможем продлить срок службы системы, увеличив ее долговечность и надежность». Вместе с коллегами из ORNL Чанакой Кумарой и Майклом Лэнсом Ку провел исследование, опубликованное в Материалы Сегодня Нано ("Macroscale superlubricity by a sacrificial carbon nanotube coating") о покрытии, состоящем из углеродные нанотрубки что придает суперсмазываемость скользящим частям. Суперсмазывающая способность - это свойство практически не оказывать сопротивления скольжению; его отличительной чертой является коэффициент трения менее 0.01. Для сравнения, когда сухие металлы скользят друг относительно друга, коэффициент трения составляет около 0.5. При использовании масляной смазки коэффициент трения падает примерно до 0.1. Однако покрытие ORNL снизило коэффициент трения намного ниже порогового значения сверхсмазывающей способности, до 0.001. Вертикально расположенные углеродные нанотрубки ORNL снижают трение практически до нуля, повышая энергоэффективность. (Изображение: Чанака Кумара, ORNL) «Наше главное достижение заключается в том, что мы сделали суперсмазывающую способность применимой для наиболее распространенных применений», — сказал Цюй. «Раньше вы могли видеть это только в наноразмерных или специальных средах». Для исследования Кумара вырастил углеродные нанотрубки на стальных пластинах. С помощью машины, называемой трибометром, он и Ку заставили пластины тереться друг о друга, чтобы получить стружку из углеродных нанотрубок. Многостенные углеродные нанотрубки покрывают сталь, отталкивают коррозионную влагу и служат резервуаром для смазки. При первом осаждении вертикально ориентированные углеродные нанотрубки стоят на поверхности, как травинки. Когда стальные детали скользят друг мимо друга, они, по сути, «режут траву». Каждое лезвие полое, но сделано из нескольких слоев проката. графен, атомарно-тонкий лист углерода, расположенный в соседних шестиугольниках, как проволочная сетка. Обломки углеродных нанотрубок из стружки повторно откладываются на контактной поверхности, образуя богатую графеном трибопленку, которая снижает трение почти до нуля. Изготовление углеродных нанотрубок представляет собой многоэтапный процесс. «Во-первых, нам нужно активировать стальную поверхность для создания крошечных структур размером в нанометры. Во-вторых, нам нужно предоставить источник углерода для выращивания углеродных нанотрубок», — сказал Кумара. Он нагрел диск из нержавеющей стали, чтобы на поверхности образовались частицы оксида металла. Затем он использовал химическое осаждение из паровой фазы, чтобы ввести углерод в виде этанола, чтобы частицы оксида металла могли сшивать там углерод, атом за атомом, в виде нанотрубок. Новые нанотрубки не обеспечивают суперсмазывающую способность до тех пор, пока не будут повреждены. «Углеродные нанотрубки разрушаются при трении, но становятся новой вещью», — сказал Цюй. «Ключевая часть заключается в том, что сломанные углеродные нанотрубки представляют собой кусочки графена. Эти кусочки графена размазываются и соединяются с контактной поверхностью, образуя то, что мы называем трибопленкой, — покрытие, образующееся в процессе. Затем обе контактные поверхности покрываются графеновым покрытием. Теперь, когда они трутся друг о друга, получается графен на графене». Диск из нержавеющей стали нагревали для создания на его поверхности частиц оксидов железа и никеля. (Изображение: Карлос Джонс, ORNL) Наличие даже одной капли масла имеет решающее значение для достижения суперсмазывающей способности. «Мы пробовали без масла; это не сработало, — сказал Цюй. «Причина в том, что без масла трение слишком агрессивно удаляет углеродные нанотрубки. Тогда трибопленка не сможет хорошо сформироваться или просуществовать долго. Это как двигатель без масла. Он дымит за несколько минут, тогда как тот, что на масле, может легко работать годами». Превосходная скользкость покрытия ORNL обладает выносливостью. Суперсмазывающая способность сохранялась при испытаниях более чем на 500,000 12 циклов трения. Кумара проверял характеристики непрерывного скольжения в течение трех часов, затем одного дня, а затем 20 дней. «У нас все еще есть суперсмазка», — сказал он. «Все стабильно». Используя электронную микроскопию, Кумара исследовал скошенные фрагменты, чтобы доказать, что углеродные нанотрубки были повреждены в результате трибологического износа. Чтобы независимо подтвердить, что нанотрубки укорачиваются в результате трения, соавтор ORNL Лэнс использовал спектроскопию комбинационного рассеяния, метод измерения колебательной энергии, которая связана с атомными связями и кристаллической структурой материала. «Трибология — очень старая область, но современная наука и техника обеспечили новый научный подход к развитию технологий в этой области», — сказал Цюй. «Фундаментальное понимание было неглубоким до последних, может быть, 2014 лет, когда трибология обрела новую жизнь. Совсем недавно ученые и инженеры действительно объединились, чтобы использовать более совершенные технологии определения характеристик материалов — в этом сила ORNL. Трибология очень многодисциплинарна. Никто не является экспертом во всем. Поэтому в трибологии ключом к успеху является сотрудничество». Он добавил: «Где-то вы можете найти ученого с опытом работы с углеродными нанотрубками, ученого с опытом в трибологии, ученого с опытом в характеристике материалов. Но они изолированы. Здесь, в ORNL, мы вместе». Команды трибологов ORNL проделали отмеченную наградами работу, которая привлекла промышленное партнерство и лицензирование. В 100 году ионная противоизносная присадка для экономичных моторных масел, разработанная ORNL, General Motors, Shell Global Solutions и Lubrizol, получила награду R&D 100. Сотрудниками ORNL были Цюй, Хуимин Луо, Шэн Дай, Питер Блау, Тодд Тупс, Брайан Уэст и Брюс Бантинг. Точно так же работа, описанная в данной статье, стала финалистом премии R&D 2020 в XNUMX году. Исследователи подали заявку на патент своего нового сверхсмазывающего покрытия. «Затем мы надеемся наладить партнерские отношения с промышленностью, чтобы написать совместное предложение Министерству энергетики по тестированию, доработке и лицензированию технологии», — сказал Цюй. «Через десять лет мы хотели бы видеть улучшенные высокопроизводительные автомобили и силовые установки с меньшими потерями энергии на трение и износ».

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• ЭВМ Финанс. Единый интерфейс для децентрализованных финансов. Доступ здесь.
• Квантум Медиа Групп. ИК/PR усиление. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Анализ данных Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Источник: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63138.php