Forskning ser på materialets friktionsegenskaber

Normalt, bart metal at glide mod bart metal er ikke en god ting. Friktion vil ødelægge stemplerne i en motor, for eksempel, uden smøring.

Sommetider, imidlertid, funktioner kræver metal på metal kontakt, såsom i hovedtelefonstik eller elektriske systemer i vindmøller. Stadig, friktion forårsager slid og slid ødelægger ydeevnen, og det har været svært at forudsige, hvornår det vil ske.

Indtil nu.

Sandia National Laboratories materialeforskere Nicolas Argibay og Michael Chandross og kolleger udviklede en model til at forudsige grænserne for friktionsadfærd af metaller baseret på materialeegenskaber - hvor hårdt du kan skubbe på materialer, eller hvor meget strøm du kan sætte gennem dem, før de holder op med at fungere ordentligt . De har præsenteret deres resultater ved inviterede samtaler, senest 2016 Gordon Research Conference on Tribology, og i fagfællebedømte artikler, herunder en nylig Journal of Materials Science artikel.

Deres model kunne ændre verden af ​​elektriske kontakter, påvirker industrier fra elbiler til vindmøller. Forståelse af de grundlæggende årsager til fejl i metalkontakter giver ingeniører mulighed for at træde til og løse problemet, og potentielt lyser flere veje op mod nye materialedesigns.

At forbinde videnskab med ingeniørapplikationer

"Det er et værktøj til at lave design, og det er et værktøj til at lave videnskab, " sagde Argibay. "Det er virkelig den forbindelse mellem grundlæggende videnskab og ingeniørapplikationer."

Opdagelsen af, hvordan man kan forudsige friktionsadfærden af ​​metaller, begyndte som en undersøgelse af specifikke materialer til projekter.

"Det er et øjeblik, hvor du går fra bare at skulle sige, 'Materieladfærden vil være denne, fordi vi målte den under disse forhold' for at sige, 'Jeg kan fortælle dig, hvilke forhold du kan løbe under og få den adfærd, du ønsker, '" sagde Argibay. "Faktisk, vi giver retningslinjer for udvikling af nye materialer."

Designere vælger materialer baseret på tekniske tommelfingerregler under visse driftsforhold, ved at bruge den konventionelle visdom, at hårdere materialer skaber mindre friktion.

Men Sandias forskning viser, at stabiliteten af ​​mikrostrukturen styrer den friktionsadfærd, ingeniører bekymrer sig om, og det ændrer, hvordan ingeniører kan tænke design, når de karakteriserer og vælger materialer, sagde forskerne.

Holdet studerede rene metaller, såsom guld og kobber, at nedbryde friktionsproblemet ved at se på de mest simple systemer. Når de først forstod den grundlæggende adfærd af rene metaller, det var lettere at demonstrere, at disse ideer gælder for mere komplekse strukturer og mere komplekse materialer, de sagde.

Idéen begyndte med et separat projekt

Ideen udviklede sig på en indviklet måde, startede for flere år siden, da Chandross blev bedt om simuleringer for at hjælpe med at forbedre hårde guldbelægninger - blødt guld med en mindre mængde af et andet metal for at gøre det sværere. Guld er en effektiv, korrosionsbestandig leder, men har generelt høj vedhæftning og friktion - og dermed høj slid.

Det projekt producerede et papir, der begejstrede Argibay, som fortalte Chandross, at han kunne lave eksperimenter for at bevise de begreber, som papiret beskrev.

"Fra disse eksperimenter, det hele eksploderede, " sagde Chandross.

"Vi så på de rene metaller som en måde at validere nogle af de hypoteser, vi havde fra Mikes analyse af mere komplekse systemer, " Argibay forklarede. "Hvis disse ideer virker i mere komplekse systemer, de burde arbejde i det sværeste scenarie, det mindst sandsynlige scenario konventionelt, og det gjorde de."

Sandias arbejde har konsekvenser for den voksende verden af ​​vindmøller og elektriske køretøjer, hvor virksomheder søger et forspring i forhold til konkurrenterne. Efterspørgslen efter elbiler og alternative måder at lave elektricitet på vil sandsynligvis vokse og igen skabe efterspørgsel efter nye teknologier.

Argibay hjælper med at designe og udvikle en prototype roterende elektrisk kontakt til vindmøller, der begyndte som et Laboratory Directed Research and Development (LDRD) projekt.

"Dybest set bringer vi teknologier tilbage, der blev kasseret, fordi de ikke rigtig forstod materialerne og ikke kunne få dem til at fungere, hvor og hvordan de ville, " han sagde.

Nye projekter er i gang

Projektet udforsker kobber mod en kobberlegering for en højtydende, effektiv elektrisk kontakt. Det kunne give vindmølleindustrien mulighed for at udforske design, der ikke var muligt før.

Ud over, industrien for elektriske kontakter, som nu bruger vekselstrøm i enheder, måske endelig være i stand til at vende sig til jævnstrømsenheder som alternativer med højere ydeevne. Som et muligt mellemtrin, Sandia-forskere udforsker metalliske elektriske kontakter som et drop-in for nogle applikationer, undgå store ændringer i hvordan enhederne fungerer.

Hvis de viser, at teorien er forsvarlig, så kan ingeniører ændre, hvordan de tænker om det grundlæggende i design i nogle af disse enheder, de sagde.

Opfølgningsfinansiering gjorde det muligt for holdet at studere variablen temperatur, og nu har Chandross påbegyndt et LDRD-projekt for at se på metaller med andre strukturer. Tidligere arbejde er blevet udført med ansigtscentrerede kubiske strukturerede metaller. Chandross' projekt søger at forstå friktion i kropscentrerede kubiske metaller, BCC metaller, mest almindeligt anvendt til strukturelle formål. Forskere kigger på jern og tantal.

Konventionel visdom hævder, at BCC-metaller ikke vil producere lav friktion. "Dette er et af de tilfælde, hvor forståelsen af ​​den molekylære skala eller atomskalamekanismer fik os til at sige, 'Ja, men de er kun dårlige, hvis du ikke er i de rigtige forhold.' Hvad sker der, når du er under de rigtige forhold?" sagde Chandross.

BCC-metaller kunne åbne op for flere design- og tekniske muligheder for vindkraftproduktion og elektriske køretøjer, forbedre effektiviteten og i sidste ende reducere vedligeholdelses- og produktionsomkostninger.