«Когда детали механизма или машины скользят друг относительно друга, возникает трение и износ», — говорит Цзюнь Цюй, руководитель отдела инженерии 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 механической системы повышая ее долговечность и надежность».
Исследование ученых из ORNL о покрытии, состоящем из углеродных нанотрубок, которое придает суперсмазывающую способность скользящим деталям. опубликовано в Materials Today Nano.
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 до 0,001, что намного ниже порогового значения сверхсмазывающей способности.
«Наше главное достижение заключается в том, что мы сделали суперсмазывающую способность применимой для наиболее распространенных машин и механизмов», — говорит Цюй. «Раньше вы могли видеть это только в наноразмерных или специальных средах».
В проведенном исследовании были выращены углеродные нанотрубки на стальных пластинах. С помощью машины, называемой трибометром, ученые заставили пластины тереться друг о друга, чтобы получить стружку из углеродных нанотрубок.
Многостенные углеродные нанотрубки покрывая сталь, отталкивают коррозионную влагу и одновременно служат резервуаром для смазки. При первом осаждении вертикально ориентированные углеродные нанотрубки стоят на поверхности, как травинки.
Когда стальные части скользят друг мимо друга, они, по сути, «режут траву». Каждое лезвие полое, но сделано из нескольких слоев свернутого графена , атомарно тонкого листа углерода, расположенного 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.
Исследователи ORNL использовали трибометр для испытаний на трение, чтобы показать, что углеродные нанотрубки в присутствии даже одной капли масла могут поддерживать сверхсмазывающую способность в течение 500 000 циклов. Фото: Карлос Джонс/ORNL, Министерство энергетики США.
Диск из нержавеющей стали нагревали для создания на его поверхности частиц оксидов железа и никеля. Частицы катализировали рост углеродных нанотрубок во время химического осаждения из паровой фазы. Фото: Карлос Джонс/ORNL, Министерство энергетики США.
Новые нанотрубки не обеспечивают суперсмазывающую способность до тех пор, пока не будут повреждены. «Углеродные нанотрубки разрушаются при трении, но становятся новым веществом с другими возможностями», — сказал Цюй. «Ключевая часть состоит в том, что сломанные углеродные нанотрубки представляют собой кусочки графена. Эти кусочки графена размазываются и соединяются с областью контакта, становясь тем, что мы называем трибопленкой, покрытием, образующимся в процессе. покрытие. Теперь, когда они трутся друг о друга, получается комбинация — графен на графене».
Наличие даже одной капли масла имеет решающее значение для достижения суперсмазывающей способности. «Мы пробовали без масла, но 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 через несколько минут, тогда как с маслом он может легко работать годами.»
Превосходная скользящая способность покрытия ORNL обладает достаточной выносливостью. Суперсмазывающая способность сохранялась при испытаниях более чем на 500 000 циклов трения. Проверка характеристики непрерывного скольжения в течение трех часов, затем одного дня, а затем 12 дней показала, что суперсмазка остается на трущихся деталях, доказывая свою стабильность.
Используя электронную микроскопию, ученые исследовали 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 характеризует силу атомных связей и кристаллической структуры 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, 20 лет, когда трибология обрела новую жизнь. Совсем недавно ученые и инженеры действительно объединились, чтобы использовать более продвинутые технологии для определения характеристик материалов — в этом сила ORNL. Трибология очень междисциплинарна. Нет. одного эксперта 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. Обычно они работают изолировано друг от друга. В ORNL, мы все вместе».
Джун Цюй из ORNL показывает диски из нержавеющей стали до (серебристый цвет) и после (черный) покрытия углеродными нанотрубками, которые обеспечивают суперсмазывающую способность. Фото: Карлос Джонс/ORNL, Министерство энергетики США.
Команды трибологов ORNL проделали большую работу, которая привлекла интерес промышленных предприятий, была отмечена наградами и лицензирована. В 2014 году ионная противоизносная присадка для экономичных моторных масел, разработанная компаниями ORNL, General Motors, Shell Global Solutions и Lubrizol, получила награду R&D 100.
Точно так же работа, описанная в данной статье, стала финалистом премии R&D 100 в 2020 году. Исследователи подали заявку на патент своего нового сверхсмазывающего покрытия.
«Через десять лет мы хотели бы видеть усоверщенствованные высокопроизводительные автомобили и силовые установки с меньшими потерями энергии на трение и износ».— сказал Цюй.
