Покрытие со сверхсмазывающими свойствами может снизить экономические потери от трения и износа

Воздействие на различные системы: от трансмиссии транспортных средств до ветряных и гидроэлектрических турбин.

Ученые из Национальной лаборатории Ок-Ридж при Министерстве энергетики изобрели покрытие, которое может значительно снизить трение в обычных несущих системах с движущимися частями, от трансмиссии транспортных средств до ветряных и гидроэлектрических турбин.

Он снижает трение стали о сталь как минимум в сто раз. Новое покрытие ORNL может помочь экономике США, которая каждый год теряет более 1 триллиона долларов из-за трения и износа, что эквивалентно 5% валового национального продукта.

«Когда компоненты скользят друг мимо друга, возникает трение и износ», — сказал Цзюнь Цюй, руководитель группы поверхностного проектирования и трибологии ORNL.

Трибология, от греческого слова «трение», — это наука и технология взаимодействия поверхностей в относительном движении, таких как шестерни и подшипники.

«Если мы уменьшим трение, мы сможем снизить потребление энергии. Если мы уменьшим износ, мы сможем продлить срок службы системы, повысив ее долговечность и надежность», — сказал Цюй.

Вместе с коллегами из ORNL Чанакой Кумарой и Майклом Лэнсом Цюй провел исследование, опубликованное в Materials Today Nano, о покрытии, состоящем из углеродных нанотрубок, которое придает сверхсмазывающую способность скользящим деталям.

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.

«Наше главное достижение заключается в том, что мы сделали сверхсмазывающую способность пригодной для наиболее распространенных применений», — сказал Цюй. «Раньше это можно было увидеть только в наномасштабных или специальных средах».

Для исследования Кумара вырастил углеродные нанотрубки на стальных пластинах. С помощью машины под названием трибометр он и Цюй заставляли пластины тереться друг о друга, получая 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.

Изготовление углеродных нанотрубок — многоэтапный процесс.

«Во-первых, нам нужно активировать стальную поверхность для создания крошечных структур размером в нанометры. Во-вторых, нам нужно обеспечить источник углерода для выращивания углеродных нанотрубок», — сказал Кумара.

Он нагрел диск из нержавеющей стали, чтобы на его поверхности образовались частицы оксида металла. Затем он использовал химическое осаждение из паровой фазы, чтобы ввести углерод в форме этанола, чтобы частицы оксида металла могли сшивать туда углерод атом за атомом в форме нанотрубок.

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

«Углеродные нанотрубки разрушаются при трении, но становятся чем-то новым», — сказал Цюй. «Ключевая часть заключается в том, что эти сломанные углеродные нанотрубки представляют собой кусочки графена. Эти кусочки графена размазываются и соединяются с областью контакта, образуя то, что мы называем трибопленкой, покрытием, образующимся во время процесса. Затем обе контактные поверхности покрываются некоторым количеством графена, 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 это без масла, но это не сработало», — сказал Цюй. «Причина в том, что без масла трение слишком агрессивно удаляет углеродные нанотрубки. Тогда трибопленка не может нормально формироваться и просуществовать долго. Это похоже на двигатель без масла. Он дымит через несколько минут, тогда как двигатель с маслом может легко работать годами». "