Michael Chandross, chercheurs du Sandia National Laboratories, la gauche, et Nicolas Argibay montrent une simulation informatique et un tribomètre à ultravide utilisé dans les essais de frottement et d'usure, qui font partie des outils qu'ils utilisent dans un effort de collaboration qui a développé un modèle pour prédire le comportement de frottement des métaux. L'objectif est de comprendre le frottement et l'usure des matériaux au niveau le plus fondamental. Crédit :Photo par Randy Montoya
Normalement, le glissement du métal nu contre le métal nu n'est pas une bonne chose. Le frottement détruira les pistons d'un moteur, par exemple, sans lubrification.
Parfois, cependant, les fonctions nécessitent un contact métal sur métal, comme dans les prises casque ou les systèmes électriques des éoliennes. Toujours, le frottement provoque l'usure et l'usure détruit les performances, et il a été difficile de prédire quand cela se produira.
Jusqu'à maintenant.
Nicolas Argibay, Michael Chandross et leurs collègues, scientifiques spécialisés dans les matériaux de Sandia National Laboratories, ont développé un modèle pour prédire les limites du comportement de frottement des métaux en fonction des propriétés des matériaux :à quel point vous pouvez pousser sur les matériaux ou combien de courant vous pouvez les traverser avant qu'ils cessent de fonctionner correctement. . Ils ont présenté leurs résultats lors de conférences invitées, plus récemment, la Gordon Research Conference on Tribology de 2016, et dans des articles à comité de lecture, dont une récente Journal de la science des matériaux article.
Leur modèle pourrait changer le monde des contacts électriques, affectant les industries des véhicules électriques aux éoliennes. Comprendre les causes fondamentales de défaillance des contacts métalliques permet aux ingénieurs d'intervenir et de résoudre le problème, et éclaire potentiellement plus de chemins vers de nouvelles conceptions de matériaux.
Relier la science aux applications de l'ingénierie
"C'est un outil pour faire du design et c'est un outil pour faire de la science, " a déclaré Argibay. "C'est vraiment ce lien entre la science fondamentale et les applications d'ingénierie."
La découverte de la façon de prédire le comportement de frottement des métaux a commencé comme une étude de matériaux spécifiques pour des projets.
"C'est un moment où vous allez juste avoir à dire, « Le comportement des matériaux sera celui-ci parce que nous l'avons mesuré dans ces conditions » pour dire :« Je peux vous dire dans quelles conditions vous pouvez courir et obtenir le comportement que vous voulez, ' », a déclaré Argibay. « En fait, nous fournissons des lignes directrices pour le développement de nouveaux matériaux."
Les concepteurs choisissent les matériaux en fonction de règles empiriques d'ingénierie dans certaines conditions d'exploitation, en utilisant la sagesse conventionnelle que les matériaux plus durs créent moins de friction.
Mais les recherches de Sandia démontrent que la stabilité de la microstructure régit le comportement de frottement auquel les ingénieurs se soucient, et cela change la façon dont les ingénieurs peuvent penser à la conception lorsqu'ils caractérisent et sélectionnent des matériaux, les chercheurs ont dit.
L'équipe a étudié les métaux purs, comme l'or et le cuivre, décomposer le problème de friction en examinant les systèmes les plus simples. Une fois qu'ils ont compris le comportement fondamental des métaux purs, il était plus facile de démontrer que ces idées s'appliquent à des structures plus complexes et à des matériaux plus complexes, ils ont dit.
Une petite différence de taille de grain équivaut à un changement géant de friction. Ces deux cartes de diffraction de Kikuchi par transmission d'électrons montrent qu'une différence relativement subtile de la taille des grains de surface signifie un très grand changement de frottement. Le travail fait partie d'une collaboration Sandia National Laboratories qui relie la science aux applications d'ingénierie dans l'étude de la friction. Crédit :Laboratoires nationaux Sandia
L'idée a commencé avec un projet séparé
L'idée s'est développée de manière alambiquée, Cela a commencé il y a plusieurs années, lorsque Chandross a été invité à effectuer des simulations pour aider à améliorer les revêtements en or dur - de l'or doux avec une petite quantité d'un autre métal pour le rendre plus dur. L'or est un efficace, conducteur résistant à la corrosion, mais a généralement une adhérence et une friction élevées - et donc une usure élevée.
Ce projet a produit un article qui a enthousiasmé Argibay, qui a dit à Chandross qu'il pouvait faire des expériences pour prouver les concepts décrits dans l'article.
« À partir de ces expériences, le tout a explosé, " a déclaré Chandross.
"Nous avons examiné les métaux purs comme un moyen de valider certaines des hypothèses que nous avions de l'analyse de Mike de systèmes plus complexes, " expliqua Argibay. " Si ces idées fonctionnent dans des systèmes plus complexes, ils devraient travailler dans le scénario le plus difficile, le scénario le moins probable conventionnellement, et ils l'ont fait."
Le travail de Sandia a des implications pour les mondes en pleine croissance des éoliennes et des véhicules électriques, où les entreprises cherchent à se démarquer de la concurrence. La demande de voitures électriques et de moyens alternatifs de production d'électricité est susceptible de se développer et de créer à son tour une demande de nouvelles technologies.
Argibay aide à concevoir et à développer un prototype de contact électrique rotatif pour les éoliennes qui a commencé comme un projet de recherche et développement dirigé par un laboratoire (LDRD).
"En gros, nous ramenons des technologies qui ont été abandonnées parce qu'elles ne comprenaient pas vraiment les matériaux et ne pouvaient pas les faire fonctionner où et comment elles le voulaient, " il a dit.
De nouveaux projets sont en cours
Le projet explore le cuivre contre un alliage de cuivre pour une haute performance, contact électrique efficace. Cela pourrait permettre à l'industrie éolienne d'explorer des conceptions qui n'étaient pas possibles auparavant.
En outre, l'industrie des contacts électriques, qui utilise désormais le courant alternatif dans les appareils, pourrait enfin être en mesure de se tourner vers des appareils à courant continu comme alternatives plus performantes. A titre d'étape intermédiaire possible, Les chercheurs de Sandia explorent les contacts électriques métalliques comme solution d'appoint pour certaines applications, évitant des changements majeurs dans le fonctionnement des appareils.
S'ils démontrent que la théorie est solide, les ingénieurs peuvent alors changer leur perception des principes fondamentaux de la conception de certains de ces appareils, ils ont dit.
Le financement de suivi a permis à l'équipe d'étudier la variable de température, et maintenant Chandross a lancé un projet LDRD pour examiner les métaux avec d'autres structures. Des travaux antérieurs ont été réalisés avec des métaux structurés cubiques à faces centrées. Le projet de Chandross cherche à comprendre le frottement dans les métaux cubiques centrés sur le corps, métaux BCC, le plus couramment utilisé à des fins structurelles. Les chercheurs étudient le fer et le tantale.
La sagesse conventionnelle soutient que les métaux BCC ne produiront pas de faible friction. « C'est l'un de ces cas où la compréhension des mécanismes à l'échelle moléculaire ou à l'échelle atomique nous a amenés à dire :'Oui, mais ils ne sont mauvais que si vous n'êtes pas dans les bonnes conditions. Que se passe-t-il lorsque vous êtes dans les bonnes conditions?", A déclaré Chandross.
Les métaux BCC pourraient ouvrir davantage de possibilités de conception et d'ingénierie pour la production d'énergie éolienne et les véhicules électriques, améliorer l'efficacité et en fin de compte réduire les coûts de maintenance et de fabrication.
