Süper Yağlama Kaplaması Sürtünmeyi Azaltıyor
Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndaki bilim insanları, araç tahrik sistemlerinden rüzgar ve hidroelektrik türbinlerine kadar hareketli parçalara sahip yaygın yük taşıyıcı sistemlerdeki sürtünmeyi önemli ölçüde azaltabilecek bir kaplama icat etti.
Kaplama, çeliğin çeliğe sürtünmesini en az yüz kat azaltıyor. ORNL’nin bu yeni kaplaması, her yıl sürtünme ve aşınma nedeniyle 1 trilyon dolardan fazla kayıp veren ABD ekonomisine yardımcı olabilir; bu da gayri safi milli hasılanın %5’ine eşdeğerdir.
ORNL’nin Yüzey Mühendisliği ve Triboloji grubunun lideri Jun Qu, “Bileşenler birbiri üzerinde
kayarken sürtünme ve aşınma meydana gelir” dedi. Yunanca sürtünme anlamına gelen triboloji, dişliler ve rulmanlar gibi göreceli hareket halindeki etkileşimli yüzeylerin bilimi ve teknolojisidir. “Sürtünmeyi azaltırsak, enerji tüketimini azaltabiliriz. Aşınmayı azaltırsak, daha iyi dayanıklılık ve güvenilirlik için sistemin ömrünü uzatabiliriz.”
ORNL’den meslektaşları Chanaka Kumara ve Michael Lance ile birlikte Qu, Materials Today Nano’da yayınlanan ve kayan parçalara süper yağlama özelliği kazandıran karbon nanotüplerden oluşan bir kaplama hakkında bir çalışmaya öncülük etti.
Süper kayganlık, kaymaya karşı neredeyse hiç direnç göstermeme özelliğidir; ayırt edici özelliği 0,01’den daha düşük bir sürtünme katsayısıdır. Buna karşılık, kuru metaller
birbiri üzerinde kayarken sürtünme katsayısı 0,5 civarındadır. Bir yağlayıcı ile sürtünme katsayısı yaklaşık 0,1’e düşer.
Ancak ORNL kaplaması
sürtünme katsayısını süper yağlama için belirlenen sınırın çok altına, 0,001’e kadar düşürmüştür. Qu, “Ana başarımız, süper yağlamayı en yaygın uygulamalar için uygulanabilir hale getirmemizdir. Daha önce bunu sadece nano ölçekte ya da özel ortamlarda görebiliyordunuz.” Çalışma için Kumara, çelik plakalar üzerinde karbon nanotüpler geliştirdi. O ve Qu, tribometre adı verilen bir makineyle karbon nanotüp talaşı oluşturmak için plakaların birbirine sürtünmesini sağladı.
Çok duvarlı karbon nanotüpler çeliği kaplar, aşındırıcı nemi uzaklaştırır ve bir yağlayıcı rezervuarı olarak işlev görür. İlk biriktirildiklerinde, dikey olarak hizalanmış karbon nanotüpler yüzeyde çim bıçakları gibi durur. Çelik parçalar birbirlerinin yanından geçerken
esasen “çimleri keserler”. Her bir bıçağın içi boştur, ancak kümes teli gibi bitişik altıgenler halinde düzenlenmiş atomik olarak ince bir karbon tabakası olan çok sayıda haddelenmiş grafen katmanından yapılmıştır.
Tıraş sırasında kırılan karbon nanotüp kalıntıları temas yüzeyine yeniden serpilerek sürtünmeyi neredeyse sıfıra indiren grafen bakımından zengin bir tribofilm oluşturuyor.Karbon nanotüpleri yapmak çok aşamalı bir süreçtir.
“İlk olarak, nanometre ölçeğinde küçük yapılar üretmek için çelik yüzeyini aktive etmemiz gerekiyor. İkinci olarak, karbon nanotüpleri büyütmek için bir karbon kaynağı sağlamamız gerekiyor,” diyor Kumara. Yüzeyde metal oksit parçacıkları oluşturmak için paslanmaz çelik bir diski ısıttı.
Daha sonra etanol formunda karbon eklemek için kimyasal buhar biriktirme yöntemini kullandı, böylece metal-oksit parçacıkları karbonu atom atom nanotüpler şeklinde dikebilecekti. Yeni nanotüpler hasar görene kadar süper yağlama sağlamıyor.
Qu, “Karbon nanotüpler sürtünme sırasında yok oluyor ama yeni bir şey haline geliyor. Kilit kısım, bu kırılmış karbon nanotüplerin grafen parçaları olması. Bu grafen parçaları temas alanına bulaşıp bağlanıyor ve işlem sırasında oluşan bir kaplama olan tribofilm dediğimiz
şeye dönüşüyor. Daha sonra her iki temas yüzeyi de grafen bakımından zengin bir kaplama ile kaplanır. Şimdi, birbirlerine sürtündüklerinde, grafen üzerine grafen oluyor.”
Bir damla yağın varlığı dahi süper kayganlık elde etmek için çok önemlidir. Qu, “Yağ olmadan denedik; işe yaramadı. Bunun nedeni, yağ olmadan sürtünmenin karbon
nanotüpleri çok agresif bir şekilde kaldırmasıdır. O zaman tribofilm güzel bir şekilde oluşamaz veya uzun süre hayatta kalamaz. Yağsız bir motor gibi. Birkaç dakika içinde duman çıkarır, oysa yağlı bir motor yıllarca rahatlıkla çalışabilir.” dedi.
ORNL kaplamasının üstün kayganlığı kalıcı bir güce sahiptir. Süper kayganlık 500.000’den fazla sürtünme döngüsü testinde de devam etti. Kumara, performansları önce üç saat, sonra bir gün ve daha sonra 12 gün boyunca sürekli kayma için test etti ve “Halen istikrarlı bir süper kayganlığa sahibiz” dedi.
Kumara, tribolojik aşınmanın karbon nanotüpleri kopardığını kanıtlamak için elektron mikroskobu kullanarak biçilmiş parçaları inceledi. Sürtünmenin nanotüpleri kısalttığını bağımsız olarak doğrulamak için ORNL ortak yazarı Lance, bir malzemenin atomik bağı
ve kristal yapısıyla ilgili olan titreşim enerjisini ölçen bir teknik olan Raman spektroskopisini kullandı.
Qu, “Triboloji çok eski bir alan, ancak modern bilim ve mühendislik bu alanda teknolojiyi ilerletmek için yeni bir bilimsel yaklaşım sağladı” dedi. “Tribolojinin yeni bir hayat kazandığı son belki 20 yıla kadar temel anlayış sığdı.
Son zamanlarda, bilim insanları ve mühendisler daha gelişmiş malzeme karakterizasyon teknolojilerini kullanmak için gerçekten bir araya geldi - bu ORNL’nin bir gücüdür. Triboloji çok disiplinlidir. Hiç kimse her konuda uzman değildir. Bu nedenle tribolojide başarının
anahtarı işbirliğidir.”
“Bir yerde karbon nanotüpler konusunda uzman bir bilim insanı, triboloji konusunda
uzman bir bilim insanı, malzeme karakterizasyonu konusunda uzman bir bilim insanı bulabilirsiniz. Ancak bunlar izole edilmiş durumdadır. Burada, ORNL’de, biz birlikteyiz.”
ORNL’nin triboloji ekipleri, endüstriyel ortaklıkların ve lisanslamanın ilgisini çeken ödüllü çalışmalar yapmıştır. 2014 yılında ORNL, General Motors, Shell Global Solutions ve Lubrizol tarafından geliştirilen yakıt tasarruflu motor yağları için iyonik bir aşınma önleyici katkı maddesi R&D 100 ödülünü kazandı.
ORNL’nin işbirlikçileri Qu, Huimin Luo, Sheng Dai, Peter Blau, Todd Toops, Brian West ve Bruce Bunting idi. Benzer şekilde, mevcut makalede açıklanan çalışma 2020’de R&D 100
ödülü için finalist oldu. Araştırmacılar, yeni süper yağlama kaplamalarının patenti için başvuruda bulundu.
Qu, “Daha sonra, teknolojiyi test etmek, olgunlaştırmak ve lisanslamak için DOE’ye ortak bir teklif yazmak üzere endüstri ile ortaklık kurmayı umuyoruz” dedi. “On yıl içinde, sürtünme ve aşınma nedeniyle daha az enerji kaybeden yüksek performanslı araçlar ve enerji santralleri görmek istiyoruz.”
Akademik Referans: Chanaka Kumara et al, Macroscale superlubricity by a sacrificial carbon nanotube coating, Materials Today Nano (2022). DOI: 10.1016/j.mtnano.2022.100297
Kaynak
