การเคลือบท่อนาโนคาร์บอนยิ่งยวดสามารถลดการสูญเสียทางเศรษฐกิจจากการเสียดสี การสึกหรอ

การเคลือบท่อนาโนคาร์บอนยิ่งยวดสามารถลดการสูญเสียทางเศรษฐกิจจากการเสียดสี การสึกหรอ

Time Stamp: 7 มิถุนายน 2023 2:53 น.
โหนดต้นทาง: 2707633
07 มิ.ย. 2023 (ข่าวนาโนเวิร์ค) นักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Oak Ridge ของ Department of Energy ได้คิดค้นสารเคลือบที่สามารถลดแรงเสียดทานได้อย่างมากในระบบรับน้ำหนักร่วมกับชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว ตั้งแต่ระบบขับเคลื่อนยานพาหนะไปจนถึงกังหันลมและกังหันพลังน้ำ ช่วยลดแรงเสียดทานของเหล็กที่เสียดสีกับเหล็กได้อย่างน้อยร้อยเท่า การเคลือบ ORNL แบบใหม่สามารถช่วยหล่อเลี้ยงเศรษฐกิจของสหรัฐฯ ซึ่งแต่ละปีสูญเสียมากกว่า 1 ล้านล้านดอลลาร์จากการเสียดสีและการสึกหรอ ซึ่งเทียบเท่ากับ 5% ของผลิตภัณฑ์มวลรวมประชาชาติ Jun Qu หัวหน้ากลุ่ม Surface Engineering and Tribology ของ ORNL กล่าวว่า “เมื่อชิ้นส่วนต่างๆ เลื่อนผ่านกัน ก็จะเกิดการเสียดสีและสึกหรอ” Tribology มาจากคำภาษากรีกที่แปลว่า การถู คือวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของพื้นผิวที่มีปฏิสัมพันธ์ในการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ เช่น เฟืองและตลับลูกปืน “ถ้าเราลดแรงเสียดทานได้ เราก็ลดการใช้พลังงานได้ หากเราลดการสึกหรอ เราก็สามารถยืดอายุการใช้งานของระบบเพื่อความทนทานและความน่าเชื่อถือที่ดีขึ้น” กับเพื่อนร่วมงานของ ORNL Chanaka Kumara และ Michael Lance Qu เป็นผู้นำการศึกษาที่ตีพิมพ์ใน วัสดุวันนี้นาโน ("การหล่อลื่นระดับมหภาคด้วยการเคลือบท่อนาโนคาร์บอนแบบเสียสละ") เกี่ยวกับสารเคลือบที่ประกอบด้วย ท่อนาโนคาร์บอน ที่ให้สารหล่อลื่นชั้นเยี่ยมแก่ชิ้นส่วนที่เลื่อนได้ ความหล่อลื่นยิ่งยวดเป็นคุณสมบัติที่แทบไม่มีความต้านทานต่อการเลื่อนไถล จุดเด่นของมันคือค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานน้อยกว่า 0.01 ในการเปรียบเทียบ เมื่อโลหะแห้งเลื่อนผ่านกัน ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจะอยู่ที่ประมาณ 0.5 ด้วยน้ำมันหล่อลื่น ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจะลดลงเหลือประมาณ 0.1 อย่างไรก็ตาม การเคลือบผิว ORNL ลดค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานที่ต่ำกว่าจุดตัดมากสำหรับค่าการหล่อลื่นยิ่งยวด เหลือต่ำถึง 0.001 ท่อนาโนคาร์บอนเรียงตัวในแนวตั้ง ท่อนาโนคาร์บอนที่วางแนวตั้งของ ORNL ลดแรงเสียดทานจนเกือบเป็นศูนย์เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงาน Qu กล่าว “ก่อนหน้านี้คุณจะเห็นได้เฉพาะในสภาพแวดล้อมระดับนาโนหรือสภาพแวดล้อมพิเศษเท่านั้น” สำหรับการศึกษา Kumara ได้ปลูกท่อนาโนคาร์บอนบนแผ่นเหล็ก ด้วยเครื่องจักรที่เรียกว่า Tribometer เขาและ Qu ทำให้แผ่นเปลือกโลกเสียดสีกันเพื่อสร้างเศษท่อคาร์บอนนาโน ท่อนาโนคาร์บอนที่มีผนังหลายชั้นเคลือบเหล็ก ขับไล่ความชื้นที่มีฤทธิ์กัดกร่อน และทำหน้าที่เป็นแหล่งกักเก็บสารหล่อลื่น เมื่อสะสมครั้งแรก ท่อนาโนคาร์บอนที่วางแนวตั้งจะยืนอยู่บนพื้นผิวเหมือนใบหญ้า เมื่อชิ้นส่วนเหล็กเลื่อนผ่านกัน พวกมัน "ตัดหญ้า" โดยพื้นฐานแล้ว ใบมีดแต่ละใบกลวงแต่ม้วนเป็นชั้นๆ กราฟีน, แผ่นคาร์บอนบางๆ ตามอะตอมเรียงตัวเป็นรูปหกเหลี่ยมติดกันเหมือนลวดไก่ เศษท่อนาโนคาร์บอนที่แตกหักจากการโกนจะถูกสะสมไว้บนผิวสัมผัสอีกครั้ง เกิดเป็นไทรโบฟิล์มที่อุดมด้วยกราฟีนซึ่งช่วยลดแรงเสียดทานจนเกือบเป็นศูนย์ การสร้างท่อนาโนคาร์บอนเป็นกระบวนการหลายขั้นตอน “ขั้นแรก เราต้องเปิดใช้งานพื้นผิวเหล็กเพื่อสร้างโครงสร้างขนาดเล็กในระดับนาโนเมตร ประการที่สอง เราต้องจัดหาแหล่งคาร์บอนเพื่อขยายท่อนาโนคาร์บอน” คูมารากล่าว เขาให้ความร้อนกับจานสแตนเลสเพื่อสร้างอนุภาคโลหะออกไซด์บนพื้นผิว จากนั้น เขาใช้การสะสมของไอเคมีเพื่อใส่คาร์บอนในรูปของเอทานอล เพื่อให้อนุภาคโลหะออกไซด์สามารถต่อคาร์บอนที่นั่น ทีละอะตอมในรูปของท่อนาโน ท่อนาโนใหม่ไม่ให้การหล่อลื่นที่เหนือกว่าจนกว่าจะได้รับความเสียหาย “ท่อนาโนคาร์บอนถูกทำลายในการถู แต่กลายเป็นสิ่งใหม่” Qu กล่าว “ส่วนสำคัญคือท่อนาโนคาร์บอนที่แตกหักนั้นเป็นชิ้นส่วนของกราฟีน ชิ้นส่วนกราฟีนเหล่านั้นถูกทาและเชื่อมต่อกับพื้นที่สัมผัส กลายเป็นสิ่งที่เราเรียกว่าไตรโบฟิล์ม ซึ่งเป็นสารเคลือบที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการ จากนั้นพื้นผิวสัมผัสทั้งสองจะถูกเคลือบด้วยสารเคลือบที่อุดมด้วยกราฟีน ตอนนี้เมื่อพวกเขาถูกัน มันก็เป็นกราฟีนบนกราฟีน” แผ่นเหล็กกล้าไร้สนิมถูกทำให้ร้อนเพื่อสร้างอนุภาคเหล็กและนิกเกิลออกไซด์บนพื้นผิว แผ่นเหล็กกล้าไร้สนิมถูกทำให้ร้อนเพื่อสร้างอนุภาคเหล็กและนิกเกิลออกไซด์บนพื้นผิว (ภาพ: Carlos Jones, ORNL) การมีอยู่ของน้ำมันแม้แต่หยดเดียวนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการได้มาซึ่งสารหล่อลื่นชั้นเยี่ยม “เราทดลองโดยไม่ใช้น้ำมัน มันไม่ได้ผล” Qu กล่าว “เหตุผลก็คือ ถ้าไม่มีน้ำมัน แรงเสียดทานจะขจัดท่อนาโนคาร์บอนออกมากเกินไป จากนั้นไตรโบฟิล์มจะไม่สามารถก่อตัวได้อย่างสวยงามหรือคงอยู่ได้นาน เหมือนเครื่องยนต์ไม่มีน้ำมัน มันรมควันในไม่กี่นาที ในขณะที่น้ำมันสามารถวิ่งได้เป็นปีๆ” ความลื่นที่เหนือกว่าของสารเคลือบผิว ORNL นั้นคงไว้ซึ่งพลัง ความหล่อลื่นสูงสุดยังคงอยู่ในการทดสอบมากกว่า 500,000 รอบการถู Kumara ทดสอบการแสดงสำหรับการเลื่อนอย่างต่อเนื่องเป็นเวลาสามชั่วโมง จากนั้นหนึ่งวันและอีก 12 วันต่อมา “เรายังคงมีน้ำมันหล่อลื่นที่ยอดเยี่ยม” เขากล่าว “มันเสถียร” ด้วยการใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน Kumara ตรวจสอบชิ้นส่วนที่ตัดหญ้าเพื่อพิสูจน์ว่าการสึกหรอแบบไตรโบโลยีได้ทำลายท่อนาโนคาร์บอน เพื่อยืนยันว่าการขัดถูทำให้ท่อนาโนสั้นลง ผู้เขียนร่วมของ ORNL Lance ใช้ Raman spectroscopy ซึ่งเป็นเทคนิคที่วัดพลังงานการสั่นสะเทือน ซึ่งเกี่ยวข้องกับพันธะอะตอมและโครงสร้างผลึกของวัสดุ Qu กล่าวว่า "Tribology เป็นสาขาที่เก่าแก่มาก แต่วิทยาศาสตร์และวิศวกรรมสมัยใหม่ได้ให้แนวทางทางวิทยาศาสตร์ใหม่ๆ เพื่อพัฒนาเทคโนโลยีในด้านนี้" Qu กล่าว “ความเข้าใจพื้นฐานยังตื้นเขินจนถึงช่วง 20 ปีที่แล้ว เมื่อไตรโบโลยีมีชีวิตใหม่ ไม่นานมานี้ นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรได้มารวมตัวกันเพื่อใช้เทคโนโลยีการระบุลักษณะเฉพาะของวัสดุขั้นสูง ซึ่งเป็นจุดแข็งของ ORNL Tribology เป็นสหสาขาวิชาชีพมาก ไม่มีใครเก่งทุกเรื่อง ดังนั้นในไตรโบโลยี กุญแจสู่ความสำเร็จคือการทำงานร่วมกัน” เขากล่าวเสริมว่า “คุณสามารถหานักวิทยาศาสตร์ที่มีความเชี่ยวชาญด้านท่อนาโนคาร์บอน นักวิทยาศาสตร์ที่เชี่ยวชาญด้านไตรโบโลยี นักวิทยาศาสตร์ที่เชี่ยวชาญด้านลักษณะเฉพาะของวัสดุได้จากที่ไหนสักแห่ง แต่พวกเขาจะโดดเดี่ยว ที่ ORNL เราอยู่ด้วยกัน” ทีม Tribology ของ ORNL ได้ทำผลงานที่ได้รับรางวัลซึ่งดึงดูดพันธมิตรทางอุตสาหกรรมและการออกใบอนุญาต ในปี 2014 สารเติมแต่งอิออนป้องกันการสึกหรอสำหรับน้ำมันหล่อลื่นเครื่องยนต์ประหยัดเชื้อเพลิงที่พัฒนาโดย ORNL, General Motors, Shell Global Solutions และ Lubrizol ได้รับรางวัล R&D 100 ผู้ทำงานร่วมกันของ ORNL ได้แก่ Qu, Huimin Luo, Sheng Dai, Peter Blau, Todd Toops, Brian West และ Bruce Bunting ในทำนองเดียวกัน งานที่อธิบายไว้ในรายงานฉบับปัจจุบันได้เข้ารอบสุดท้ายสำหรับรางวัล R&D 100 ในปี 2020 และนักวิจัยได้ยื่นขอจดสิทธิบัตรการเคลือบสารหล่อลื่นยิ่งยวดใหม่ของพวกเขา “ต่อไป เราหวังว่าจะเป็นพันธมิตรกับภาคอุตสาหกรรมเพื่อเขียนข้อเสนอร่วมกันถึง DOE เพื่อทดสอบ พัฒนาและออกใบอนุญาตเทคโนโลยี” Qu กล่าว “ในทศวรรษนี้ เราต้องการเห็นยานยนต์สมรรถนะสูงและโรงไฟฟ้าที่ได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้น โดยสูญเสียพลังงานน้อยลงจากการเสียดสีและการสึกหรอ”

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก นาโนเวิร์ค