L'équipe de l'ORNL développe le carbone

Dec 21, 2023

Les scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont mis au point un revêtement composé de nanotubes de carbone qui confère une superlubricité aux pièces coulissantes. Il réduit au moins au centuple le frottement de l'acier frottant sur l'acier. Un article sur le revêtement est publié dans la revue Materials Today Nano.

La superlubricité est la propriété de ne présenter pratiquement aucune résistance au glissement; sa caractéristique est un coefficient de frottement inférieur à 0,01. En comparaison, lorsque des métaux secs glissent les uns sur les autres, le coefficient de frottement est d'environ 0,5. Avec un lubrifiant à l'huile, le coefficient de frottement tombe à environ 0,1. Cependant, le revêtement ORNL a réduit le coefficient de frottement bien en dessous du seuil de superlubricité, jusqu'à 0,001.

Pour l'étude, les chercheurs ont fait pousser des nanotubes de carbone sur des plaques d'acier, puis avec une machine appelée tribomètre, ont fait frotter les plaques les unes contre les autres pour générer des copeaux de nanotubes de carbone.

Les nanotubes de carbone à parois multiples recouvrent l'acier, repoussent l'humidité corrosive et fonctionnent comme un réservoir de lubrifiant. Lorsqu'ils sont déposés pour la première fois, les nanotubes de carbone alignés verticalement se dressent à la surface comme des brins d'herbe. Lorsque les pièces en acier glissent les unes sur les autres, elles "coupent l'herbe". Chaque lame est creuse mais constituée de plusieurs couches de graphène laminé, une feuille de carbone atomiquement mince disposée dans des hexagones adjacents comme du grillage à poule. Les débris de nanotubes de carbone fracturés provenant du rasage sont redéposés sur la surface de contact, formant un tribofilm riche en graphène qui réduit la friction à presque zéro.

Kumara et al.

Les nouveaux nanotubes n'offrent pas de superlubricité tant qu'ils ne sont pas endommagés.

Les nanotubes de carbone sont détruits au frottement mais deviennent une nouveauté. L'élément clé est que ces nanotubes de carbone fracturés sont des morceaux de graphène. Ces morceaux de graphène sont enduits et connectés à la zone de contact, devenant ce que nous appelons le tribofilm, un revêtement formé au cours du processus. Ensuite, les deux surfaces de contact sont recouvertes d'un revêtement riche en graphène. Maintenant, quand ils se frottent, c'est du graphène sur du graphène.

La présence d'une seule goutte d'huile est cruciale pour obtenir une super lubrification.

Nous l'avons essayé sans huile; ça n'a pas marché. La raison en est que sans huile, la friction élimine les nanotubes de carbone de manière trop agressive. Ensuite, le tribofilm ne peut pas se former correctement ni survivre longtemps. C'est comme un moteur sans huile. Il fume en quelques minutes, alors qu'un avec de l'huile peut facilement fonctionner pendant des années.

La glissance supérieure du revêtement ORNL est durable. La superlubricité a persisté dans des tests de plus de 500 000 cycles de frottement.

Les chercheurs ont déposé une demande de brevet pour leur nouveau revêtement superlubrifiant.

Le programme de semences de recherche et de développement dirigé par le laboratoire de l'ORNL a fourni le soutien initial au travail de preuve de concept. Ensuite, le Bureau des technologies de l'énergie solaire et le Bureau des technologies des véhicules de l'EERE du DOE ont soutenu la recherche de suivi.

Ressources

Chanaka Kumara, Michael J. Lance, Jun Qu (2023) "Superlubrification à l'échelle macro par un revêtement sacrificiel de nanotubes de carbone," Materials Today Nano doi : 10.1016/j.mtnano.2022.100297.

Publié le 08 juin 2023 dans Contexte du marché, Friction, Graphène, Nanotech | Lien permanent | Commentaires (2)