Forudsiger friktionsgrænser:Team ser på materialets egenskaber

Normalt, bar metal glider mod bare metal er ikke en god ting. Friktion ødelægger stempler 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 metals friktionsadfærd baseret på materialegenskaber - hvor hårdt du kan presse på materialer eller hvor meget strøm du kan lægge igennem dem, før de holder op med at fungere korrekt . De har præsenteret deres resultater ved inviterede samtaler, senest 2016 Gordon Research Conference on Tribology, og i fagfællebedømte papirer, herunder en nylig Journal of Materials Science artikel.

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

Kæder videnskab til ingeniørprogrammer

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

Opdagelsen af, hvordan man forudsiger metals friktionsadfærd, begyndte som en undersøgelse af specifikke materialer til projekter.

"Det er et øjeblik, hvor du går fra bare at skulle sige, 'Materialernes adfærd vil være dette, fordi vi målte det under disse forhold' til 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 driftsbetingelser, ved hjælp af den konventionelle visdom, at hårdere materialer skaber mindre friktion.

Men Sandias forskning viser, at mikrostrukturens stabilitet styrer den friktionsadfærd, ingeniører bekymrer sig om, og det ændrer, hvordan ingeniører kan tænke på 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 enkleste systemer. Når de forstod den rene metals grundlæggende adfærd, 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, begyndte 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.

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

"Fra disse forsøg, 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 forklaret." Hvis disse ideer fungerer i mere komplekse systemer, de burde fungere i det sværeste scenarie, det mindst sandsynlige scenario konventionelt, og det gjorde de. "

Sandias arbejde har konsekvenser for de voksende verdener inden for vindmøller og elbiler, hvor virksomheder søger en fordel i forhold til konkurrenterne. Efterspørgslen efter elbiler og alternative måder at producere elektricitet vil sandsynligvis stige 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.

"Grundlæggende 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 undersøger kobber mod en kobberlegering for en højtydende, effektiv elektrisk kontakt. Det kunne give vindmølleindustrien mulighed for at udforske designs, der ikke var mulige før.

Ud over, den elektriske kontaktindustri, som nu bruger vekselstrøm i enheder, måske endelig kunne vende sig til jævnstrømsenheder som alternativer med højere ydeevne. Som et muligt midlertidigt skridt, Sandia-forskere undersøger metalliske elektriske kontakter som et drop-in for nogle applikationer, undgå store ændringer i, hvordan enhederne fungerer.

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

Opfølgningsfinansiering tillod teamet at studere variablen af ​​temperatur, og nu har Chandross påbegyndt et LDRD -projekt for at se på metaller med andre strukturer. Tidligere arbejde er udført med ansigtscentrerede kubikstrukturerede metaller. Chandross 'projekt søger at forstå friktion i kropscentrerede kubiske metaller, BCC -metaller, oftest brugt til strukturelle formål. Forskere kigger på jern og tantal.

Konventionel visdom hævder, at BCC -metaller ikke producerer lav friktion. "Dette er et af de tilfælde, hvor forståelse af molekylær skala eller atomskala mekanismer 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 i de rigtige forhold? "Sagde Chandross.

BCC -metaller kunne åbne op for flere design- og ingeniørmuligheder for vindkraftproduktion og elbiler, forbedre effektiviteten og i sidste ende reducere vedligeholdelses- og fremstillingsomkostninger.