"Эта прорывная твердотельная смазка может изменить то, как мы разрабатываем материалы для высокотехнологичных двигателей, увеличив их срок службы и улучшив работу в экстремальных условиях", - сказала Ребекка Цай, доцент кафедры материаловедения и инженерии и один из авторов исследования. "После десятилетий исследований было идентифицировано только около 20 твердых смазочных материалов".

Правильная смазка могла бы продлить срок службы реактивного двигателя, сэкономив миллионы долларов, но большинство из этих 20 смазочных материалов выходят из строя, когда оборудование нагревается до температуры расплавленной лавы. Открытие важно, поскольку, по оценкам, трение и износ обойдутся экономике США в 2023 году более чем в 1 трлн долларов, что эквивалентно примерно 5 процентам валового национального продукта.

Учитывая важность материалов в таких развивающихся областях, как передовое производство, эти результаты позиционируют Virginia Tech как лидера в области инновационных технологий и передовых исследований с возможностями для решения трансдисциплинарных проблем.

Пределы использования смазочных материалов

Трение - это основа движения. Однако в различных отраслях промышленности, таких как современное производство, транспорт и аэрокосмическая промышленность, слишком сильное трение приводит к износу машин. Смазочные материалы, или вещества, уменьшающие трение между двумя поверхностями, контактирующими друг с другом, являются ключом к безопасным условиям эксплуатации и оптимальной производительности, но разработка материалов, устойчивых к износу при температуре выше 600 градусов по Цельсию или 1000 градусов по Фаренгейту, остается сложной задачей.

На самом деле потребовалось много лет, умов и институтов, чтобы добиться этих новых открытий на твердой смазке.

"Совместная работа с другими университетами объединила многих знающих людей для обмена ресурсами, что крайне важно в этой дисциплине", - сказал тогдашний аспирант и первый автор Чжэнью Чжан. "Будущее многих отраслей промышленности будет зависеть от достижений в области материаловедения, а такая обширная тема требует разнообразных знаний".

Открытие также зависело от устройства под названием высокотемпературный трибометр, которое Цай приобрела для своей лаборатории в 2019 году. Ультрасовременное устройство измеряет трение, износ и другие трибологические свойства между двумя поверхностями, контактирующими при высокой температуре. В то время Virginia Tech была пионером в внедрении этой технологии и предоставлении ее в распоряжение преподавателей и аспирантов-исследователей. Это оборудование заложило основу, которая сделала возможным проведение испытаний discovery при температурных порогах, значительно превышающих показатели традиционного оборудования.

Убедительные выводы

Команда использовала высокотемпературные испытания, расширенный анализ материалов и вычислительные методы, чтобы показать, что слои оксида шпинели - особого класса минералов, которые действуют как покрытие, - могут естественным образом образовываться на поверхности металла, изготовленного с использованием добавок, во время высокотемпературного окисления, обеспечивая самосмазывание. Это возможно благодаря низкой прочности оксида шпинели на сдвиг или слабости связей между его молекулами, что позволяет им легко проскальзывать друг мимо друга при напряжении, а также его высокой стабильности, позволяющей ему сохранять свои свойства в условиях стресса и высоких температур.

Во-первых, исследователи использовали передовые компьютеры, чтобы предсказать, какие виды оксидов будут работать лучше всего. Затем, тщательно обработав металлическую поверхность, на которой образовался специальный слой оксида, Цай и Чжан обнаружили, что оксиды шпинели гораздо лучше выдерживают высокие температуры, чем материалы, использовавшиеся ранее.

Каждый сотрудник представил ключевой компонент исследования:

• Университет Флориды завершил расчеты с использованием 4D просвечивающей электронной микроскопии для определения характеристик кристаллизованных структур очень сложных окисленных поверхностей.
• Штат Джексон предоставил первоначальные образцы металлов, полученных с использованием добавок.
• Штат Аризона сотрудничал в получении финансирования и завершении расчетов.
• Штат Айова завершил расчеты для моделирования механических свойств ключевого оксида.
• Небраска-Линкольн провела испытания ремней безопасности при высокой температуре.
• Технологический институт Вирджинии руководил всем проектом, разработал концепцию идеи, провел высокотемпературные трибологические испытания, проанализировал характеристики поверхности, выполнил расчеты ключевых термических и механических свойств для всех оксидов и выполнил анализ фазового прогнозирования.

"Это большое достижение с научной точки зрения, и мы благодарны нашим сотрудникам, которые сделали это возможным", - сказал Цай. "Без ресурсов Virginia Tech и прочных партнерских отношений с коллегами-учеными из университетов по всей стране мы бы не открыли это новое семейство твердых смазочных материалов. Эти результаты подчеркивают многообещающий подход к разработке самосмазывающихся сплавов для экстремальных температур".