I ricercatori dei Sandia National Laboratories Michael Chandross, sinistra, e Nicolas Argibay mostrano una simulazione al computer e un tribometro a vuoto ultraelevato utilizzato nei test di attrito e usura, che sono tra gli strumenti che usano in uno sforzo collaborativo che ha sviluppato un modello per prevedere il comportamento di attrito dei metalli. L'obiettivo è comprendere l'attrito e l'usura dei materiali al livello più fondamentale. Credito:foto di Randy Montoya
Normalmente, il metallo nudo che scivola contro il metallo nudo non è una buona cosa. L'attrito distruggerà i pistoni in un motore, Per esempio, senza lubrificazione.
Qualche volta, però, le funzioni richiedono un contatto metallo su metallo, come nei jack per le cuffie o negli impianti elettrici delle turbine eoliche. Ancora, l'attrito provoca usura e l'usura distrugge le prestazioni, ed è stato difficile prevedere quando ciò accadrà.
Fino ad ora.
Gli scienziati dei materiali dei Sandia National Laboratories Nicolas Argibay e Michael Chandross e colleghi hanno sviluppato un modello per prevedere i limiti del comportamento di attrito dei metalli in base alle proprietà dei materiali:quanto forte puoi spingere sui materiali o quanta corrente puoi farli passare prima che smettano di funzionare correttamente . Hanno presentato i loro risultati a conferenze su invito, più recentemente la Gordon Research Conference on Tribology del 2016, e in documenti sottoposti a revisione paritaria, compreso un recente Giornale di scienza dei materiali articolo.
Il loro modello potrebbe cambiare il mondo dei contatti elettrici, che interessano le industrie dai veicoli elettrici alle turbine eoliche. Comprendere le cause fondamentali di guasto nei contatti metallici consente agli ingegneri di intervenire e risolvere il problema, e potenzialmente illumina più percorsi verso nuovi design di materiali.
Collegare la scienza alle applicazioni ingegneristiche
"È uno strumento per fare design ed è uno strumento per fare scienza, " ha detto Argibay. "E 'davvero quel legame tra la scienza fondamentale e le applicazioni ingegneristiche".
La scoperta di come prevedere il comportamento di attrito dei metalli è iniziata come studio di materiali specifici per i progetti.
"È un momento in cui si passa dal dover semplicemente dire, 'Il comportamento dei materiali sarà questo perché lo abbiamo misurato in quelle condizioni' per dire, "Posso dirti in quali condizioni puoi correre e ottenere il comportamento che desideri, '" ha detto Argibay. "In effetti, forniamo linee guida per lo sviluppo di nuovi materiali."
I progettisti scelgono i materiali in base a regole empiriche di ingegneria in determinate condizioni operative, usando la saggezza convenzionale che i materiali più duri creano meno attrito.
Ma la ricerca di Sandia dimostra che la stabilità della microstruttura governa il comportamento di attrito che interessa agli ingegneri, e questo cambia il modo in cui gli ingegneri possono pensare al design quando caratterizzano e selezionano i materiali, hanno detto i ricercatori.
Il team ha studiato metalli puri, come oro e rame, per abbattere il problema dell'attrito osservando i sistemi più semplici. Una volta compreso il comportamento fondamentale dei metalli puri, è stato più facile dimostrare che queste idee si applicano a strutture e materiali più complessi, loro hanno detto.
Una piccola differenza nella dimensione dei grani equivale a un enorme cambiamento nell'attrito. Queste due mappe di diffrazione di Kikuchi a trasmissione elettronica mostrano che una differenza relativamente sottile nella dimensione del grano superficiale significa un cambiamento molto grande nell'attrito. Il lavoro fa parte di una collaborazione dei Sandia National Laboratories che collega la scienza alle applicazioni ingegneristiche nello studio dell'attrito. Credito:Laboratori Nazionali Sandia
L'idea è iniziata con un progetto separato
L'idea si sviluppò in modo contorto, a partire da diversi anni fa, quando a Chandross è stato chiesto di simulazioni per aiutare a migliorare i rivestimenti in oro duro, oro morbido con una quantità minore di un altro metallo per renderlo più duro. L'oro è un efficiente, conduttore resistente alla corrosione, ma generalmente ha un'elevata adesione e attrito e quindi un'elevata usura.
Quel progetto ha prodotto un documento che ha entusiasmato Argibay, che ha detto a Chandross che poteva fare esperimenti per dimostrare i concetti descritti nel documento.
"Da quegli esperimenti, tutto è esploso, "Ha detto Chandros.
"Abbiamo esaminato i metalli puri come un modo per convalidare alcune delle ipotesi che abbiamo avuto dall'analisi di Mike di sistemi più complessi, " ha spiegato Argibay. "Se queste idee funzionano in sistemi più complessi, dovrebbero funzionare nello scenario più difficile, lo scenario meno probabile convenzionalmente, e lo hanno fatto".
Il lavoro di Sandia ha implicazioni per i mondi in crescita delle turbine eoliche e dei veicoli elettrici, dove le aziende cercano un vantaggio sulla concorrenza. È probabile che la domanda di auto elettriche e modi alternativi di produrre elettricità si espanda e, a sua volta, crei domanda per nuove tecnologie.
Argibay sta aiutando a progettare e sviluppare un prototipo di contatto elettrico rotante per turbine eoliche iniziato come progetto di ricerca e sviluppo diretto da laboratorio (LDRD).
"Fondamentalmente stiamo riportando indietro tecnologie che sono state scartate perché non capivano veramente i materiali e non potevano farli funzionare dove e come volevano, " Egli ha detto.
Nuovi progetti sono in corso
Il progetto sta esplorando il rame contro una lega di rame per un risultato ad alte prestazioni, contatto elettrico efficiente. Ciò potrebbe consentire all'industria delle turbine eoliche di esplorare progetti che prima non erano possibili.
Inoltre, l'industria dei contatti elettrici, che ora utilizza la corrente alternata nei dispositivi, potrebbe finalmente essere in grado di rivolgersi a dispositivi a corrente continua come alternative più performanti. Come possibile passo intermedio, I ricercatori di Sandia stanno esplorando i contatti elettrici metallici come drop-in per alcune applicazioni, evitando grandi cambiamenti nel funzionamento dei dispositivi.
Se dimostrano che la teoria è valida, quindi gli ingegneri possono cambiare il modo in cui pensano ai fondamenti del design in alcuni di questi dispositivi, loro hanno detto.
Il finanziamento di follow-up ha permesso al team di studiare la variabile della temperatura, e ora Chandross ha avviato un progetto LDRD per esaminare i metalli con altre strutture. Il lavoro precedente è stato svolto con metalli strutturati cubici a facce centrate. Il progetto di Chandross cerca di comprendere l'attrito nei metalli cubici a corpo centrato, metalli BCC, più comunemente usato per scopi strutturali. I ricercatori stanno esaminando ferro e tantalio.
La saggezza convenzionale sostiene che i metalli BCC non produrranno un basso attrito. "Questo è uno di quei casi in cui la comprensione della scala molecolare o dei meccanismi della scala atomica ci ha portato a dire, 'Sì, ma sono cattive solo se non sei nelle condizioni giuste». Cosa succede quando sei nelle giuste condizioni?" ha detto Chandross.
I metalli BCC potrebbero aprire più possibilità di progettazione e ingegneria per la generazione di energia eolica e veicoli elettrici, migliorare l'efficienza e, in ultima analisi, ridurre i costi di manutenzione e produzione.
