Команда ORNL разрабатывает углерод

Dec 21, 2023

Ученые из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики США разработали покрытие из углеродных нанотрубок, которое придает сверхсмазывающую способность скользящим деталям. Он снижает трение стали о сталь как минимум в сто раз. Статья о покрытии опубликована в журнале Materials Today Nano.

Сверхсмазывающая способность — это свойство практически не оказывать сопротивления скольжению; его отличительной чертой является коэффициент трения менее 0,01. Для сравнения, когда сухие металлы скользят друг мимо 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 порога сверхсмазывающей способности, до 0,001.

Для исследования ученые вырастили углеродные нанотрубки на стальных пластинах, а затем с помощью машины, называемой трибометром, заставили пластины тереться друг о друга, образуя стружку из углеродных нанотрубок.

Многостенные углеродные нанотрубки покрывают сталь, отталкивают коррозионную влагу и выполняют функцию резервуара для смазки. При первом нанесении вертикально ориентированные углеродные нанотрубки стоят на поверхности, как травинки. Когда стальные детали скользят друг мимо друга, они, по сути, «косят траву». Каждое лезвие полое, но состоит из нескольких слоев свернутого графена — атомарно тонкого листа углерода, расположенного в соседних шестиугольниках, как проволочная сетка. Разломанные остатки углеродных нанотрубок от стружки переотлагаются на контактной поверхности, образуя богатую графеном трибопленку, которая снижает трение почти до нуля.

Кумара и др.

Новые нанотрубки не обеспечивают сверхсмазывающей способности до тех пор, пока не будут повреждены.

Углеродные нанотрубки разрушаются при трении, но становятся новой вещью. Ключевая часть заключается в том, что сломанные углеродные нанотрубки представляют собой кусочки графена. Эти кусочки графена размазываются и соединяются с областью контакта, образуя то, что мы называем трибопленкой, — покрытие, образующееся в процессе. Затем обе контактные поверхности покрываются слоем богатого графеном. Теперь, когда они трутся друг о друга, это графен о графен.

Наличие даже одной капли масла имеет решающее значение для достижения сверхсмазывающей способности.

Мы попробовали без масла; это не сработало. Причина в том, что без масла трение удаляет углеродные нанотрубки слишком агрессивно. Тогда трибопленка не сможет нормально сформироваться и долго сохраняться. Это как двигатель без масла. Он дымится за несколько минут, тогда как с маслом он может легко работать годами.

Превосходная скользкость покрытия ORNL сохраняет свою стойкость. Суперсмазывающая способность сохранялась в ходе испытаний, состоящих из более чем 500 000 циклов трения.

Исследователи подали заявку на патент на свое новое сверхсмазывающее покрытие.

Программа исследований и разработок семян под руководством лаборатории ORNL оказала первоначальную поддержку в работе по проверке концепции. Затем Управление технологий солнечной энергии и Управление транспортных средств EERE Министерства энергетики поддержали последующие исследования.

Ресурсы

Чанака Кумара, Майкл Дж. Лэнс, Цзюнь Цюй (2023) «Макромасштабная сверхсмазывающая способность за счет жертвенного покрытия из углеродных нанотрубок», Materials Today Nano doi: 10.1016/j.mtnano.2022.100297.

Опубликовано 8 июня 2023 г. в рубрике Трение, Графен, Ситуация на рынке, Нанотехнологии | Постоянная ссылка | Комментарии (2)