Однако иногда функции требуют контакта металла с металлом, например, в разъемах для наушников или в электрических системах ветряных турбин. Тем не менее трение вызывает износ, а износ снижает производительность, и трудно предсказать, когда это произойдет.До настоящего времени.
Специалисты по материалам Sandia National Laboratories Николас Арджибей, Майкл Чандросс и его коллеги разработали модель для прогнозирования пределов фрикционного поведения металлов на основе свойств материалов — насколько сильно вы можете надавить на материалы или какой ток вы можете пропустить через них, прежде чем они перестанут работать. должным образом. Они представили свои результаты на приглашенных докладах, совсем недавно на исследовательской конференции Gordon Research по трибологии 2016 года, а также в рецензируемых статьях, включая недавнюю статью в Journal of Materials Science.Их модель может изменить мир электрических контактов, затронув отрасли от электромобилей до ветряных турбин.
Понимание основных причин выхода из строя металлических контактов позволяет инженерам вмешаться и устранить проблему и потенциально открывает новые пути к разработке новых материалов.Связь науки с инженерными приложениями«Это инструмент для дизайна и инструмент для науки», — сказал Аргибай. «Это действительно та связь между фундаментальной наукой и инженерными приложениями».
Открытие того, как предсказать поведение металлов при трении, началось с изучения конкретных материалов для проектов.«Это момент, когда вы переходите от того, чтобы просто сказать:« Поведение материалов будет таким, потому что мы измерили его в этих условиях », к словам:« Я могу сказать вам, в каких условиях вы можете работать, и получить желаемое поведение ». "- сказал Аргибай. «Фактически, мы даем рекомендации по разработке новых материалов».
Дизайнеры выбирают материалы на основе практических инженерных правил при определенных условиях эксплуатации, исходя из общепринятого мнения, что более твердые материалы создают меньшее трение.Но исследование Sandia демонстрирует, что стабильность микроструктуры определяет то, о чем заботятся инженеры, и это меняет то, как инженеры могут думать о дизайне, когда они определяют характеристики и выбирают материалы, говорят исследователи.
Команда исследовала чистые металлы, такие как золото и медь, чтобы решить проблему трения, рассматривая простейшие системы. По их словам, как только они поняли фундаментальное поведение чистых металлов, стало легче продемонстрировать, что эти идеи применимы к более сложным структурам и более сложным материалам.
Идея началась с отдельного проектаИдея развивалась запутанно, начиная с нескольких лет назад, когда Чандросса попросили провести моделирование, чтобы улучшить покрытие твердым золотом — мягкое золото с небольшим количеством другого металла, чтобы сделать его более твердым. Золото — эффективный, устойчивый к коррозии проводник, но, как правило, обладает высокими адгезионными свойствами и трением, а значит, высоким износом.В результате этого проекта была подготовлена статья, которая взволновала Аргибая, который сказал Чандроссу, что может провести эксперименты, чтобы доказать концепции, описанные в статье.
«В результате этих экспериментов все взорвалось», — сказал Чандросс.«Мы рассматривали чистые металлы как способ подтвердить некоторые из гипотез, которые мы выдвинули на основе анализа Майком более сложных систем», — пояснил Аргибей. «Если эти идеи работают в более сложных системах, они должны работать в наиболее сложном сценарии, наименее вероятном традиционном сценарии, и они это сделали».Работа Сандии имеет значение для растущего мира ветряных турбин и электромобилей, где компании стремятся обойти конкурентов. Спрос на электромобили и альтернативные способы производства электроэнергии, вероятно, будет расширяться и, в свою очередь, создавать спрос на новые технологии.
Аргибай помогает спроектировать и разработать прототип вращающегося электрического контакта для ветряных турбин, который начинался как проект лабораторных исследований и разработок (LDRD).«В основном мы возвращаем технологии, от которых отказались, потому что они не понимали материалов и не могли заставить их работать там, где и как они хотели», — сказал он.Новые проекты продолжаютсяВ рамках проекта исследуются медь и медный сплав для получения высокопроизводительного и эффективного электрического контакта.
Это может позволить отрасли ветряных турбин исследовать конструкции, которые раньше были невозможны.Кроме того, промышленность по производству электрических контактов, которая теперь использует переменный ток в устройствах, может, наконец, перейти на устройства постоянного тока в качестве альтернативы с более высокими характеристиками.
В качестве возможного промежуточного шага исследователи Sandia изучают металлические электрические контакты в качестве вспомогательного средства для некоторых приложений, избегая серьезных изменений в работе устройств.По их словам, если они продемонстрируют, что теория верна, то инженеры смогут изменить свое представление об основах дизайна некоторых из этих устройств.Последующее финансирование позволило команде изучить переменную температуры, и теперь Чандросс начал проект LDRD по изучению металлов с другими структурами.
Предыдущие работы были выполнены с металлами с гранецентрированной кубической структурой. Проект Чандросса направлен на понимание трения в объемно-центрированных кубических металлах, металлах BCC, наиболее часто используемых для структурных целей. Исследователи изучают железо и тантал.Традиционно считается, что металлы с ОЦК не обладают низким коэффициентом трения. «Это один из тех случаев, когда понимание молекулярного масштаба или механизмов атомного масштаба заставило нас сказать:« Да, но они плохи, только если вы не в нужных условиях ». Что происходит, когда вы находитесь в правильных условиях? " — сказал Чандросс.
Металлы BCC могут открыть больше возможностей для проектирования и разработки ветроэнергетики и электромобилей, повышая эффективность и, в конечном итоге, снижая затраты на техническое обслуживание и производство.