Normalmente, el metal desnudo deslizándose contra el metal desnudo no es algo bueno. La fricción destruirá los pistones en un motor, por ejemplo, sin lubricación.
Sin embargo, a veces, las funciones requieren contacto metal sobre metal, como en tomas de auriculares o sistemas eléctricos en turbinas eólicas. Aún así, la fricción causa desgaste y el desgaste destruye el rendimiento, y ha sido difícil predecir cuándo ocurrirá eso.
hasta ahora
Los científicos de materiales de Sandia National Laboratories, Nicolas Argibay y Michael Chandross, y sus colegas desarrollaron un modelo para predecir los límites del comportamiento de fricción de los metales en función de las propiedades de los materiales: qué tan fuerte puede empujar los materiales o cuánta corriente puede pasar a través de ellos antes de quedeje de funcionar correctamente. Han presentado sus resultados en las charlas invitadas, más recientemente en la Conferencia de Investigación de Gordon sobre Tribología 2016, y en documentos revisados por pares, incluido un reciente Revista de Ciencia de Materiales artículo
Su modelo podría cambiar el mundo de los contactos eléctricos, afectando industrias desde vehículos eléctricos hasta turbinas eólicas. Comprender las causas fundamentales de fallas en los contactos metálicos permite a los ingenieros intervenir y solucionar el problema, y potencialmente ilumina más caminos hacia nuevos diseños de materiales.
Vinculación de la ciencia a las aplicaciones de ingeniería
"Es una herramienta para hacer diseño y es una herramienta para hacer ciencia", dijo Argibay. "Es realmente ese vínculo entre la ciencia fundamental y las aplicaciones de ingeniería".
El descubrimiento de cómo predecir el comportamiento de fricción de los metales comenzó como un estudio de materiales específicos para proyectos.
"Es un momento en el que pasas de tener que decir, 'El comportamiento de los materiales será esto porque lo medimos en esas condiciones' a decir, 'Puedo decirte en qué condiciones puedes correr y obtener el comportamiento que deseas", Dijo Argibay." De hecho, proporcionamos pautas para desarrollar nuevos materiales ".
Los diseñadores eligen materiales basados en reglas generales de ingeniería bajo ciertas condiciones de operación, utilizando la sabiduría convencional de que los materiales más duros crean menos fricción.
Pero la investigación de Sandia demuestra que la estabilidad de la microestructura gobierna el comportamiento de fricción que les importa a los ingenieros, y eso cambia la forma en que los ingenieros pueden pensar en el diseño cuando caracterizan y seleccionan materiales, dijeron los investigadores.
El equipo estudió metales puros, como el oro y el cobre, para resolver el problema de la fricción al observar los sistemas más simples. Una vez que entendieron el comportamiento fundamental de los metales puros, fue más fácil demostrar que estas ideas se aplican a estructuras más complejasy materiales más complejos, dijeron.
La idea comenzó con un proyecto separado
La idea se desarrolló de manera enrevesada, comenzando hace varios años cuando a Chandross se le pidieron simulaciones para ayudar a mejorar los recubrimientos de oro duro: oro suave con una pequeña cantidad de otro metal para hacerlo más difícil. El oro es un material eficiente y resistente a la corrosiónconductor, pero generalmente tiene una alta adherencia y fricción, y por lo tanto un alto desgaste.
Ese proyecto produjo un artículo que entusiasmó a Argibay, quien le dijo a Chandross que podía hacer experimentos para probar los conceptos que el documento describía.
"De esos experimentos, todo explotó", dijo Chandross.
"Observamos los metales puros como una forma de validar algunas de las hipótesis que teníamos del análisis de Mike de sistemas más complejos", explicó Argibay. "Si estas ideas funcionan en sistemas más complejos, deberían funcionar en los más difícilesescenario, el escenario menos probable convencionalmente, y lo hicieron "
El trabajo de Sandia tiene implicaciones para los crecientes mundos de turbinas eólicas y vehículos eléctricos, donde las empresas buscan una ventaja sobre la competencia. La demanda de automóviles eléctricos y formas alternativas de generar electricidad es probable que se expandan y, a su vez, generen demanda de nuevas tecnologías.
Argibay está ayudando a diseñar y desarrollar un prototipo de contacto eléctrico rotativo para turbinas eólicas que comenzó como un proyecto de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio LDRD.
"Básicamente, estamos trayendo de vuelta las tecnologías que fueron descartadas porque realmente no entendían los materiales y no podían hacer que funcionaran dónde y cómo querían", dijo.
Nuevos proyectos están en curso
El proyecto está explorando el cobre contra una aleación de cobre para un contacto eléctrico eficiente y de alto rendimiento. Eso podría permitir a la industria de las turbinas eólicas explorar diseños que antes no eran posibles.
Además, la industria de los contactos eléctricos, que ahora usa corriente alterna en los dispositivos, finalmente podría recurrir a los dispositivos de corriente continua como alternativas de mayor rendimiento. Como posible paso intermedio, los investigadores de Sandia están explorando los contactos eléctricos metálicos como una gota.para algunas aplicaciones, evitando cambios importantes en el funcionamiento de los dispositivos.
Si demuestran que la teoría es sólida, entonces los ingenieros pueden cambiar su forma de pensar sobre los fundamentos del diseño en algunos de estos dispositivos, dijeron.
El financiamiento de seguimiento permitió al equipo estudiar la variable de temperatura, y ahora Chandross ha comenzado un proyecto LDRD para observar metales con otras estructuras. Se ha realizado un trabajo previo con metales estructurados cúbicos centrados en la cara. El proyecto de Chandross buscaComprender la fricción en los metales cúbicos centrados en el cuerpo, metales BCC, más comúnmente utilizados para fines estructurales. Los investigadores están estudiando el hierro y el tantalio.
La sabiduría convencional sostiene que los metales BCC no producirán baja fricción. "Este es uno de esos casos en los que comprender la escala molecular o los mecanismos de la escala atómica nos hizo decir: 'Sí, pero son malos solo si noen las condiciones adecuadas. "¿Qué sucede cuando estás en las condiciones adecuadas?", dijo Chandross.
los metales BCC podrían abrir más posibilidades de diseño e ingeniería para la generación de energía eólica y vehículos eléctricos, mejorando la eficiencia y, en última instancia, reduciendo los costos de mantenimiento y fabricación.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Sandia National Laboratories . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :