07 juni 2023 (Nanowerk Nieuws) Wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy hebben een coating uitgevonden die de wrijving drastisch kan verminderen in gewone dragende systemen met bewegende onderdelen, van aandrijflijnen voor voertuigen tot windturbines en waterkrachtturbines. Het vermindert de wrijving van staal dat over staal wrijft minstens honderdvoudig. De nieuwe ORNL-coating zou kunnen helpen bij het smeren van een Amerikaanse economie die elk jaar meer dan $ 1 biljoen verliest aan wrijving en slijtage - gelijk aan 5% van het bruto nationaal product. "Wanneer componenten langs elkaar glijden, is er wrijving en slijtage", zegt Jun Qu, leider van de Surface Engineering and Tribology-groep van ORNL. Tribologie, van het Griekse woord voor wrijven, is de wetenschap en technologie van op elkaar inwerkende oppervlakken in relatieve beweging, zoals tandwielen en lagers. “Als we wrijving verminderen, kunnen we het energieverbruik verminderen. Als we slijtage verminderen, kunnen we de levensduur van het systeem verlengen voor meer duurzaamheid en betrouwbaarheid.” Met ORNL-collega's Chanaka Kumara en Michael Lance leidde Qu een studie gepubliceerd in Materialen Vandaag Nano ("Superlubriciteit op macroschaal door een opoffering van koolstofnanobuiscoating") over een coating samengesteld uit koolstof nanobuisjes dat supergladheid verleent aan glijdende delen. Superlubricity is de eigenschap dat het vrijwel geen weerstand tegen glijden vertoont; zijn kenmerk is een wrijvingscoëfficiënt van minder dan 0.01. Ter vergelijking: wanneer droge metalen langs elkaar glijden, is de wrijvingscoëfficiënt ongeveer 0.5. Bij een oliesmeermiddel daalt de wrijvingscoëfficiënt tot ongeveer 0.1. De ORNL-coating verminderde de wrijvingscoëfficiënt echter ver onder de grenswaarde voor superlubriciteit, tot slechts 0.001.
De verticaal uitgelijnde koolstofnanobuizen van ORNL verminderen wrijving tot bijna nul om de energie-efficiëntie te verbeteren. (Afbeelding: Chanaka Kumara, ORNL) "Onze belangrijkste prestatie is dat we superlubriciteit haalbaar maken voor de meest voorkomende toepassingen," zei Qu. "Vroeger zag je het alleen in nanoschaal of speciale omgevingen." Voor de studie kweekte Kumara koolstofnanobuisjes op stalen platen. Met een machine die een tribometer wordt genoemd, lieten hij en Qu de platen tegen elkaar wrijven om koolstof-nanobuisspaanders te genereren. De meerwandige koolstofnanobuisjes omhullen het staal, stoten corrosief vocht af en functioneren als smeermiddelreservoir. Wanneer ze voor het eerst worden afgezet, staan de verticaal uitgelijnde koolstofnanobuisjes als grassprieten op het oppervlak. Wanneer stalen onderdelen langs elkaar schuiven, 'maaien ze in wezen het gras'. Elk mes is hol maar gemaakt van meerdere lagen gerold grafeen, een atomair dun vel koolstof dat als kippengaas in aangrenzende zeshoeken is gerangschikt. Het gebroken koolstofnanobuisafval van het scheren wordt opnieuw afgezet op het contactoppervlak, waardoor een grafeenrijke tribofilm wordt gevormd die wrijving tot bijna nul vermindert. Het maken van de koolstofnanobuisjes is een proces dat uit meerdere stappen bestaat. “Eerst moeten we het stalen oppervlak activeren om minuscule structuren te produceren, op de schaal van nanometers. Ten tweede moeten we een koolstofbron bieden om de koolstofnanobuisjes te laten groeien, "zei Kumara. Hij verhitte een roestvrijstalen schijf om metaaloxidedeeltjes op het oppervlak te vormen. Vervolgens gebruikte hij chemische dampafzetting om koolstof in de vorm van ethanol te introduceren, zodat metaaloxidedeeltjes daar koolstof kunnen hechten, atoom voor atoom in de vorm van nanobuisjes. De nieuwe nanobuisjes bieden geen supergladheid totdat ze beschadigd zijn. "De koolstofnanobuisjes worden vernietigd tijdens het wrijven, maar worden iets nieuws", zei Qu. "Het belangrijkste is dat die gebroken koolstofnanobuisjes stukjes grafeen zijn. Die stukjes grafeen worden uitgesmeerd en verbonden met het contactgebied, en worden wat we tribofilm noemen, een coating die tijdens het proces wordt gevormd. Dan zijn beide contactoppervlakken bedekt met een grafeenrijke coating. Als ze nu over elkaar wrijven, is het grafeen op grafeen.”
Een roestvrijstalen schijf werd verhit om ijzer- en nikkeloxidedeeltjes op het oppervlak te creëren. (Afbeelding: Carlos Jones, ORNL) De aanwezigheid van zelfs maar één druppel olie is cruciaal om superlubriciteit te bereiken. “We hebben het zonder olie geprobeerd; het werkte niet, 'zei Qu. "De reden is dat, zonder olie, wrijving de koolstof nanobuisjes te agressief verwijdert. Dan kan de tribofilm zich niet mooi vormen of lang overleven. Het is als een motor zonder olie. Die rookt binnen een paar minuten, terwijl eentje met olie makkelijk jaren kan draaien.” De superieure gladheid van de ORNL-coating heeft blijvende kracht. Superlubricity hield aan in tests van meer dan 500,000 wrijfcycli. Kumara testte de prestaties voor continu glijden gedurende drie uur, daarna één dag en later 12 dagen. "We hebben nog steeds superlubricity," zei hij. "Het is stabiel." Met behulp van elektronenmicroscopie onderzocht Kumara de gemaaide fragmenten om te bewijzen dat tribologische slijtage de koolstofnanobuisjes had doorgesneden. Om onafhankelijk te bevestigen dat wrijven de nanobuisjes had ingekort, gebruikte ORNL-co-auteur Lance Raman-spectroscopie, een techniek die trillingsenergie meet, die gerelateerd is aan de atomaire binding en kristalstructuur van een materiaal. "Tribologie is een heel oud vakgebied, maar moderne wetenschap en techniek hebben een nieuwe wetenschappelijke benadering geboden om technologie op dit gebied vooruit te helpen," zei Qu. “Het fundamentele begrip was oppervlakkig tot de laatste misschien 20 jaar, toen tribologie een nieuw leven kreeg. Meer recentelijk kwamen wetenschappers en ingenieurs echt samen om de meer geavanceerde materiaalkarakteriseringstechnologieën te gebruiken - dat is een kracht van ORNL. Tribologie is zeer multidisciplinair. Niemand is in alles een expert. Daarom is samenwerking in tribologie de sleutel tot succes.” Hij voegde eraan toe: “Ergens kun je een wetenschapper vinden met expertise op het gebied van koolstofnanobuisjes, een wetenschapper met expertise op het gebied van tribologie, een wetenschapper met expertise op het gebied van materiaalkarakterisering. Maar ze zijn geïsoleerd. Hier bij ORNL zijn we samen.” De tribologieteams van ORNL hebben bekroond werk verricht dat industriële partnerschappen en licenties heeft aangetrokken. In 2014 won een ionisch antislijtageadditief voor zuinige motorsmeermiddelen, ontwikkeld door ORNL, General Motors, Shell Global Solutions en Lubrizol, een R&D 100-prijs. ORNL's medewerkers waren Qu, Huimin Luo, Sheng Dai, Peter Blau, Todd Toops, Brian West en Bruce Bunting. Evenzo was het werk dat in het huidige artikel wordt beschreven een finalist voor een R&D 100-prijs in 2020. En de onderzoekers hebben een patent aangevraagd voor hun nieuwe superlubricity-coating. "Vervolgens hopen we samen te werken met de industrie om een gezamenlijk voorstel aan DOE te schrijven om de technologie te testen, volwassen te maken en in licentie te geven", zei Qu. "Over tien jaar willen we verbeterde, krachtige voertuigen en energiecentrales zien met minder energie die verloren gaat door wrijving en slijtage."
De verticaal uitgelijnde koolstofnanobuizen van ORNL verminderen wrijving tot bijna nul om de energie-efficiëntie te verbeteren. (Afbeelding: Chanaka Kumara, ORNL) "Onze belangrijkste prestatie is dat we superlubriciteit haalbaar maken voor de meest voorkomende toepassingen," zei Qu. "Vroeger zag je het alleen in nanoschaal of speciale omgevingen." Voor de studie kweekte Kumara koolstofnanobuisjes op stalen platen. Met een machine die een tribometer wordt genoemd, lieten hij en Qu de platen tegen elkaar wrijven om koolstof-nanobuisspaanders te genereren. De meerwandige koolstofnanobuisjes omhullen het staal, stoten corrosief vocht af en functioneren als smeermiddelreservoir. Wanneer ze voor het eerst worden afgezet, staan de verticaal uitgelijnde koolstofnanobuisjes als grassprieten op het oppervlak. Wanneer stalen onderdelen langs elkaar schuiven, 'maaien ze in wezen het gras'. Elk mes is hol maar gemaakt van meerdere lagen gerold grafeen, een atomair dun vel koolstof dat als kippengaas in aangrenzende zeshoeken is gerangschikt. Het gebroken koolstofnanobuisafval van het scheren wordt opnieuw afgezet op het contactoppervlak, waardoor een grafeenrijke tribofilm wordt gevormd die wrijving tot bijna nul vermindert. Het maken van de koolstofnanobuisjes is een proces dat uit meerdere stappen bestaat. “Eerst moeten we het stalen oppervlak activeren om minuscule structuren te produceren, op de schaal van nanometers. Ten tweede moeten we een koolstofbron bieden om de koolstofnanobuisjes te laten groeien, "zei Kumara. Hij verhitte een roestvrijstalen schijf om metaaloxidedeeltjes op het oppervlak te vormen. Vervolgens gebruikte hij chemische dampafzetting om koolstof in de vorm van ethanol te introduceren, zodat metaaloxidedeeltjes daar koolstof kunnen hechten, atoom voor atoom in de vorm van nanobuisjes. De nieuwe nanobuisjes bieden geen supergladheid totdat ze beschadigd zijn. "De koolstofnanobuisjes worden vernietigd tijdens het wrijven, maar worden iets nieuws", zei Qu. "Het belangrijkste is dat die gebroken koolstofnanobuisjes stukjes grafeen zijn. Die stukjes grafeen worden uitgesmeerd en verbonden met het contactgebied, en worden wat we tribofilm noemen, een coating die tijdens het proces wordt gevormd. Dan zijn beide contactoppervlakken bedekt met een grafeenrijke coating. Als ze nu over elkaar wrijven, is het grafeen op grafeen.”
Een roestvrijstalen schijf werd verhit om ijzer- en nikkeloxidedeeltjes op het oppervlak te creëren. (Afbeelding: Carlos Jones, ORNL) De aanwezigheid van zelfs maar één druppel olie is cruciaal om superlubriciteit te bereiken. “We hebben het zonder olie geprobeerd; het werkte niet, 'zei Qu. "De reden is dat, zonder olie, wrijving de koolstof nanobuisjes te agressief verwijdert. Dan kan de tribofilm zich niet mooi vormen of lang overleven. Het is als een motor zonder olie. Die rookt binnen een paar minuten, terwijl eentje met olie makkelijk jaren kan draaien.” De superieure gladheid van de ORNL-coating heeft blijvende kracht. Superlubricity hield aan in tests van meer dan 500,000 wrijfcycli. Kumara testte de prestaties voor continu glijden gedurende drie uur, daarna één dag en later 12 dagen. "We hebben nog steeds superlubricity," zei hij. "Het is stabiel." Met behulp van elektronenmicroscopie onderzocht Kumara de gemaaide fragmenten om te bewijzen dat tribologische slijtage de koolstofnanobuisjes had doorgesneden. Om onafhankelijk te bevestigen dat wrijven de nanobuisjes had ingekort, gebruikte ORNL-co-auteur Lance Raman-spectroscopie, een techniek die trillingsenergie meet, die gerelateerd is aan de atomaire binding en kristalstructuur van een materiaal. "Tribologie is een heel oud vakgebied, maar moderne wetenschap en techniek hebben een nieuwe wetenschappelijke benadering geboden om technologie op dit gebied vooruit te helpen," zei Qu. “Het fundamentele begrip was oppervlakkig tot de laatste misschien 20 jaar, toen tribologie een nieuw leven kreeg. Meer recentelijk kwamen wetenschappers en ingenieurs echt samen om de meer geavanceerde materiaalkarakteriseringstechnologieën te gebruiken - dat is een kracht van ORNL. Tribologie is zeer multidisciplinair. Niemand is in alles een expert. Daarom is samenwerking in tribologie de sleutel tot succes.” Hij voegde eraan toe: “Ergens kun je een wetenschapper vinden met expertise op het gebied van koolstofnanobuisjes, een wetenschapper met expertise op het gebied van tribologie, een wetenschapper met expertise op het gebied van materiaalkarakterisering. Maar ze zijn geïsoleerd. Hier bij ORNL zijn we samen.” De tribologieteams van ORNL hebben bekroond werk verricht dat industriële partnerschappen en licenties heeft aangetrokken. In 2014 won een ionisch antislijtageadditief voor zuinige motorsmeermiddelen, ontwikkeld door ORNL, General Motors, Shell Global Solutions en Lubrizol, een R&D 100-prijs. ORNL's medewerkers waren Qu, Huimin Luo, Sheng Dai, Peter Blau, Todd Toops, Brian West en Bruce Bunting. Evenzo was het werk dat in het huidige artikel wordt beschreven een finalist voor een R&D 100-prijs in 2020. En de onderzoekers hebben een patent aangevraagd voor hun nieuwe superlubricity-coating. "Vervolgens hopen we samen te werken met de industrie om een gezamenlijk voorstel aan DOE te schrijven om de technologie te testen, volwassen te maken en in licentie te geven", zei Qu. "Over tien jaar willen we verbeterde, krachtige voertuigen en energiecentrales zien met minder energie die verloren gaat door wrijving en slijtage."
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- EVM Financiën. Uniforme interface voor gedecentraliseerde financiën. Toegang hier.
- Quantum Media Groep. IR/PR versterkt. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3 gegevensintelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- Bron: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63138.php
