Supersmörjande beläggning av kolnanorör kan minska ekonomiska förluster från friktion, slitage

Supersmörjande beläggning av kolnanorör kan minska ekonomiska förluster från friktion, slitage

Tidsstämpel: 7 juni 2023 2:53
Källnod: 2707633
07 juni 2023 (Nanowerk Nyheter) Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har uppfunnit en beläggning som dramatiskt kan minska friktionen i vanliga lastbärande system med rörliga delar, från fordonsdrivtåg till vind- och vattenkraftsturbiner. Det minskar friktionen av stål som gnuggar på stål minst hundra gånger. Den nya ORNL-beläggningen kan hjälpa till att smörja en amerikansk ekonomi som varje år förlorar mer än 1 biljon dollar på grund av friktion och slitage - motsvarande 5% av bruttonationalprodukten. "När komponenter glider förbi varandra uppstår friktion och slitage", säger Jun Qu, ledare för ORNL:s Surface Engineering and Tribology-grupp. Tribologi, från det grekiska ordet för gnidning, är vetenskapen och tekniken för interagerande ytor i relativ rörelse, såsom kugghjul och lager. ”Om vi ​​minskar friktionen kan vi minska energiförbrukningen. Om vi ​​minskar slitaget kan vi förlänga systemets livslängd för bättre hållbarhet och tillförlitlighet.” Tillsammans med ORNL-kollegorna Chanaka Kumara och Michael Lance ledde Qu en studie publicerad i Material idag Nano ("Supersmörjbarhet i makroskala genom en uppoffrande beläggning av kolnanorör") om en beläggning som består av kolnanorör som ger supersmörjbarhet till glidande delar. Supersmörjhet är egenskapen att uppvisa praktiskt taget inget motstånd mot glidning; dess kännetecken är en friktionskoefficient som är mindre än 0.01. Som jämförelse, när torra metaller glider förbi varandra är friktionskoefficienten runt 0.5. Med ett oljesmörjmedel sjunker friktionskoefficienten till ca 0.1. Emellertid reducerade ORNL-beläggningen friktionskoefficienten långt under cutoff för supersmörjhet, till så låg som 0.001. vertikalt inriktade kolnanorör ORNL:s vertikalt inriktade kolnanorör minskar friktionen till nästan noll för att förbättra energieffektiviteten. (Bild: Chanaka Kumara, ORNL) "Vår huvudsakliga prestation är att vi gör supersmörjhet möjlig för de vanligaste applikationerna," sa Qu. "Förut såg du det bara i antingen nanoskala eller specialmiljöer." För studien odlade Kumara kolnanorör på stålplåtar. Med en maskin som kallas tribometer, fick han och Qu plattorna att gnugga mot varandra för att generera kol-nanorörspån. De flerväggiga kolnanorören täcker stålet, stöter bort korrosiv fukt och fungerar som en smörjmedelsbehållare. När de först deponeras står de vertikalt riktade kolnanorören på ytan som grässtrån. När ståldelar glider förbi varandra "klipper de gräset". Varje blad är ihåligt men gjort av flera lager av rullad grafen, ett atomärt tunt ark av kol arrangerat i intilliggande hexagoner som kycklingnät. Det brutna kolnanorörsskräpet från rakningen återavsätts på kontaktytan och bildar en grafenrik tribofilm som reducerar friktionen till nästan noll. Att tillverka kolnanorören är en process i flera steg. "Först måste vi aktivera stålytan för att producera små strukturer, på storleksskalan av nanometer. För det andra måste vi tillhandahålla en kolkälla för att odla kolnanorören, säger Kumara. Han värmde upp en skiva av rostfritt stål för att bilda metalloxidpartiklar på ytan. Sedan använde han kemisk ångavsättning för att introducera kol i form av etanol så att metalloxidpartiklar kan sy kol där, atom för atom i form av nanorör. De nya nanorören ger inte supersmörjhet förrän de är skadade. "Kolnanorören förstörs i gnidningen men blir en ny sak", sa Qu. "Nyckeldelen är att de trasiga kolnanorören är bitar av grafen. Dessa grafenbitar smetas ut och ansluts till kontaktytan och blir vad vi kallar tribofilm, en beläggning som bildas under processen. Då är båda kontaktytorna täckta av någon grafenrik beläggning. Nu, när de gnuggar varandra, är det grafen på grafen." En skiva av rostfritt stål värmdes för att skapa järn- och nickeloxidpartiklar på dess yta En skiva av rostfritt stål värmdes för att skapa järn- och nickeloxidpartiklar på dess yta. (Bild: Carlos Jones, ORNL) Närvaron av ens en droppe olja är avgörande för att uppnå supersmörjbarhet. ”Vi provade det utan olja; det fungerade inte, sa Qu. "Anledningen är, utan olja, friktion tar bort kolnanorören för aggressivt. Då kan tribofilmen inte bildas snyggt eller överleva länge. Det är som en motor utan olja. Den ryker på några minuter, medan en med olja lätt kan köras i flera år.” ORNL-beläggningens överlägsna hala har uthållighet. Supersmörjbarheten kvarstod i tester av mer än 500,000 12 gnidningscykler. Kumara testade föreställningarna för kontinuerlig glidning under tre timmar, sedan en dag och senare 20 dagar. "Vi har fortfarande supersmörjhet," sa han. "Det är stabilt." Med hjälp av elektronmikroskopi undersökte Kumara de klippta fragmenten för att bevisa att tribologiskt slitage hade kapat kolnanorören. För att oberoende bekräfta att gnidning hade förkortat nanorören använde ORNL medförfattare Lance Raman-spektroskopi, en teknik som mäter vibrationsenergi, som är relaterad till atombindningen och kristallstrukturen hos ett material. "Tribologi är ett mycket gammalt område, men modern vetenskap och ingenjörskonst gav ett nytt vetenskapligt tillvägagångssätt för att avancera teknik inom detta område," sa Qu. "Den grundläggande förståelsen har varit ytlig fram till de senaste kanske 2014 åren, då tribologin fick ett nytt liv. På senare tid har forskare och ingenjörer verkligen gått samman för att använda de mer avancerade materialkarakteriseringsteknologierna - det är en ORNL-styrka. Tribologi är väldigt multidisciplinärt. Ingen är expert på allt. Därför, inom tribologi, är nyckeln till framgång samarbete.” Han tillade, "Någonstans kan du hitta en forskare med expertis inom kolnanorör, en forskare med expertis inom tribologi, en forskare med expertis inom materialkaraktärisering. Men de är isolerade. Här på ORNL är vi tillsammans.” ORNL:s tribologiteam har gjort prisbelönt arbete som har lockat till sig industriella partnerskap och licensiering. 100 vann en jonisk antislitageadditiv för bränslesnåla motorsmörjmedel, utvecklad av ORNL, General Motors, Shell Global Solutions och Lubrizol, ett R&D 100-pris. ORNL:s samarbetspartners var Qu, Huimin Luo, Sheng Dai, Peter Blau, Todd Toops, Brian West och Bruce Bunting. På samma sätt var det arbete som beskrivs i det aktuella dokumentet en finalist för en R&D 2020-utmärkelse XNUMX. Och forskarna har ansökt om patent på sin nya superlubricitetsbeläggning. "Närnäst hoppas vi att samarbeta med industrin för att skriva ett gemensamt förslag till DOE för att testa, mogna och licensiera tekniken," sa Qu. "Om ett decennium skulle vi vilja se förbättrade högpresterande fordon och kraftverk med mindre energi förlorad på grund av friktion och slitage."

Tidsstämpel:

Mer från Nanoverk