Normaal gesproken, blank metaal glijden tegen blank metaal is geen goede zaak. Wrijving vernietigt zuigers in een motor, bijvoorbeeld, zonder smering.

Soms, echter, functies vereisen metaal op metaal contact, zoals in koptelefoonaansluitingen of elektrische systemen in windturbines. Nog altijd, wrijving veroorzaakt slijtage en slijtage vernietigt de prestaties, en het was moeilijk te voorspellen wanneer dat zal gebeuren.

Tot nu.

Materiaalwetenschappers van Sandia National Laboratories Nicolas Argibay en Michael Chandross en collega's hebben een model ontwikkeld om de limieten van het wrijvingsgedrag van metalen te voorspellen op basis van materiaaleigenschappen - hoe hard je op materialen kunt drukken of hoeveel stroom je er doorheen kunt laten voordat ze niet meer goed werken . Ze hebben hun resultaten gepresenteerd op uitgenodigde gesprekken, meest recentelijk de 2016 Gordon Research Conference on Tribology, en in peer-reviewed artikelen, inclusief een recente Tijdschrift voor materiaalkunde artikel.

Hun model zou de wereld van elektrische contacten kunnen veranderen, invloed hebben op industrieën, van elektrische voertuigen tot windturbines. Door de fundamentele oorzaken van storingen in metalen contacten te begrijpen, kunnen technici ingrijpen en het probleem oplossen, en mogelijk verlicht meer paden naar nieuwe materiaalontwerpen.

Wetenschap koppelen aan technische toepassingen

"Het is een hulpmiddel om te ontwerpen en het is een hulpmiddel om wetenschap te doen, "Zei Argibay. "Het is echt die link tussen fundamentele wetenschappelijke en technische toepassingen."

De ontdekking van het voorspellen van het wrijvingsgedrag van metalen begon als een studie van specifieke materialen voor projecten.

"Het is een moment waarop je weggaat van alleen maar te zeggen, 'Het materiaalgedrag zal dit zijn omdat we het in die omstandigheden hebben gemeten' om te zeggen:'Ik kan je vertellen in welke omstandigheden je kunt rennen en het gedrag krijgen dat je wilt, '" zei Argibay. "In feite, we geven richtlijnen voor het ontwikkelen van nieuwe materialen."

Ontwerpers kiezen materialen op basis van technische vuistregels onder bepaalde bedrijfsomstandigheden, met de conventionele wijsheid dat hardere materialen minder wrijving veroorzaken.

Maar Sandia's onderzoek toont aan dat de stabiliteit van de microstructuur het wrijvingsgedrag bepaalt waar ingenieurs om geven, en dat verandert hoe ingenieurs kunnen nadenken over design wanneer ze materialen karakteriseren en selecteren, aldus de onderzoekers.

Het team bestudeerde zuivere metalen, zoals goud en koper, om het wrijvingsprobleem op te lossen door naar de eenvoudigste systemen te kijken. Toen ze eenmaal het fundamentele gedrag van zuivere metalen begrepen, het was gemakkelijker om aan te tonen dat deze ideeën van toepassing zijn op complexere structuren en complexere materialen, ze zeiden.

Idee begon met apart project

Het idee ontwikkelde zich op een ingewikkelde manier, begon enkele jaren geleden toen Chandross werd gevraagd om simulaties om harde gouden coatings te helpen verbeteren - zacht goud met een kleine hoeveelheid van een ander metaal om het harder te maken. Goud is een efficiënte, corrosiebestendige leider, maar heeft over het algemeen een hoge hechting en wrijving - en dus hoge slijtage.

Dat project leverde een paper op dat Argibay enthousiast maakte, die Chandross vertelde dat hij experimenten kon doen om de concepten te bewijzen die het artikel beschreef.

"Van die experimenten, het geheel ontplofte, ' zei Chandros.

"We hebben naar de pure metalen gekeken als een manier om enkele van de hypothesen te valideren die we hadden uit Mike's analyse van complexere systemen, " legde Argibay uit. "Als deze ideeën werken in complexere systemen, ze zouden in het moeilijkste scenario moeten werken, conventioneel het minst waarschijnlijke scenario, en dat deden ze."

Sandia's werk heeft gevolgen voor de groeiende wereld van windturbines en elektrische voertuigen, waar bedrijven een voorsprong op de concurrentie zoeken. De vraag naar elektrische auto's en alternatieve manieren om elektriciteit te maken, zal waarschijnlijk toenemen en op zijn beurt de vraag naar nieuwe technologieën creëren.

Argibay helpt bij het ontwerpen en ontwikkelen van een prototype roterend elektrisch contact voor windturbines dat begon als een Laboratory Directed Research and Development (LDRD)-project.

"In feite brengen we technologieën terug die werden weggegooid omdat ze de materialen niet echt begrepen en ze niet konden laten werken waar en hoe ze wilden, " hij zei.

Nieuwe projecten zijn aan de gang

Het project onderzoekt koper tegen een koperlegering voor een hoogwaardige, efficiënt elektrisch contact. Dat zou de windturbine-industrie in staat kunnen stellen ontwerpen te verkennen die voorheen niet mogelijk waren.

In aanvulling, de elektrische contactenindustrie, die nu wisselstroom gebruikt in apparaten, zou eindelijk in staat kunnen zijn om zich tot gelijkstroomapparaten te wenden als alternatieven met hogere prestaties. Als mogelijke tussenstap Sandia-onderzoekers onderzoeken metalen elektrische contacten als een drop-in voor sommige toepassingen, het vermijden van grote veranderingen in de manier waarop de apparaten werken.

Als ze aantonen dat de theorie klopt, dan kunnen ingenieurs veranderen hoe ze denken over de basisprincipes van ontwerp in sommige van deze apparaten, ze zeiden.

Dankzij de vervolgfinanciering kon het team de variabele temperatuur, en nu is Chandross een LDRD-project begonnen om naar metalen met andere structuren te kijken. Eerder werk is gedaan met op het gezicht gecentreerde kubische gestructureerde metalen. Chandross' project probeert wrijving in lichaamsgecentreerde kubische metalen te begrijpen, BCC-metalen, het meest gebruikt voor structurele doeleinden. Onderzoekers kijken naar ijzer en tantaal.

Conventionele wijsheid stelt dat BCC-metalen geen lage wrijving produceren. "Dit is een van die gevallen waarin het begrijpen van de moleculaire schaal of atomaire schaalmechanismen ons ertoe bracht te zeggen:'Ja, maar ze zijn alleen slecht als je niet in de juiste omstandigheden verkeert.' Wat gebeurt er als je in de juiste omstandigheden bent?" zei Chandross.

BCC-metalen kunnen meer ontwerp- en engineeringmogelijkheden bieden voor de opwekking van windenergie en elektrische voertuigen, efficiëntie te verbeteren en uiteindelijk de onderhouds- en productiekosten te verlagen.