Министерство Энергетики США ведет интенсивные разработки нанопокрытий для снижения энергетических затрат

Трение – это беда каждой машины. Когда подвижные части машины трутся друг о друга, это требует большей энергии для того, чтобы их двигать, машина не работает эффективно, и трущиеся детали имеют тенденцию изнашиваться с течением времени.

Исследователи Лаборатории Министерства Энергетики США в Эймсе (U.S. Department of Energy’s Ames Laboratory) в сотрудничестве с другими исследовательскими лабораториями, университетами и промышленными партнерами разрабатывают очень твердые и прочные покрытия с очень малыми коэффициентами трения.

Особый интерес разработчиков направлен на разработку покрытий деталей турбин водяных и гидравлических насосов. При запуске насосов, трение ротора с корпусом (статором) существенно повышает пусовой момент и, соответственно, энергию, необходимую для запуска и установления рабочего режима. Неоптимальные режимы эксплуатации приводят к быстрому износу деталей.

Группа Брюса Кука (Bruce Cook) в Эймской лаборатории совместно с учеными из Университета Штата Айова (Iowa State University) исследует бор-алюминий-магниевые керамические слои, созданные 8 лет назад в той же самой лаборатории. Такие покрытия, имеющие аббревиатуру БАМ (BAM), показали тогда исключительную твердость, и исследовательские работы были продолжены. В программу также включена также и другую разновидность потенциально износостойких покрытий – борид титана.

AntiFrictionCoatings1_111908.jpg На фотографии приведен процесс нанесения AlMgB14 покрытия методом импульсного лазерного напыления на подложку (слева). Яркое перо в центре – плазма материала покрытия, «выбитого» лазерным лучом из твердотельной мишени (справа).

Во многих приложениях гораздо эффективнее и дешевле применить твердые и износостойкие достаточно тонкие поверхностные покрытия трущихся поверхностей, чем изготавливать всю деталь из дорогого материала, например, керамики. Импульсное лазерное напыление является одним из современных и очень универсальных методов нанесения покрытий с различными свойствами. Метод позволяет наносить многослойные покрытия различной толщины и свойств на подложки (детали) сложной конфигурации. Другим перспективным методом в данной области ученые считают магнетронное распыление, которое достаточно хорошо отработано. Оборудование для обоих видов технологии доступно на рынке.

AntiFrictionCoatings2_111908.jpg Микрофотография AlMgB14 покрытия (более темный тонкий слой) на подложке из стали (светлая структура с темными вкраплениями слева от покрытия). Толщина покрытия примерно 2–3 мкм.

Согласно данным Брюса Кука, расчеты правительственных специалистов показывают, что даже достаточно умеренное увеличение ресурса насосов, которое будет получено с применением этих износостойких покрытий, должно дать существенное снижение энергетических затрат (на 31 миллиард условных единиц в год) и годовую экономию в размере 179 млн. долларов.

Насосы не являются единственной областью применения износостойких боридных покрытий. Группа Брюса Кука работает с рядом фирм, в частности, Greenleaf Corp., над специальными покрытиями для режущего инструмента. Если при эксплуатации скоростного режущего инструмента понизить его трение о материал, это приведет к гигантской экономии энергии, потребной для операций станочной металлобработки.

Испытания покрытий проводит группа Питера Блау (Peter J. Blau) и Джун Кью (Jun Qu). Группа имеет в своем распоряжении одну из наиболее оснащенных в стране лабораторий по исследованию трения и износа, расположенную на территории Национальной Лаборатории Оак Ридж (Oak Ridge National Laboratory – ORNL) Министерства Энергетики США, в штате Теннесси. Предварительные испытания показали уменьшение трения при использовании покрытий типа AlMgB14 по сравнению с непокрытыми поверхностями, по крайней мере на порядок величины. Эти покрытия, согласно результатам тех же предварительных испытаний, показывают значительно лучшие результаты, чем другие износостойкие покрытия, такие, как алмазоподобный углерод и борид титана TiB2.

В отдельном проекте, структура которогго сходна с упомянутыми, группа Брюса Кука работает с исследователями из ORNL, Научно-Технологического Университета Миссури (Missouri University of Science and Technology), Университетом Альберты (University of Alberta) и группой частных компаний над разработкой защитных покрытий для установок для водоструйной резки, работающих в условиях высокого давления, и покрытий для клапанов высокого давления, детали которых работают в условиях воздействия абразивов и других экстремальных факторов. Предварительные исследования, проведенные многопрофильной группой, показали потенциально высокую энергетическую эффективность будущей разработки. Ученые пытаются смоделировать молекулярную структуру покрытий для каждой задачи, что позволяет проектировать их физические и механические свойства в каждом конкретном случае.

Финансирование для обоих проектов было предоставлено Отделом Энергетической Эффективности и Возобновляемой Энергии (Office of Energy Efficiency and Renewable Energy) Министерства Энергетики США.

Евгений Биргер

Опубликовано в NanoWeek,


Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 4.8 (12 votes)
Источник(и):

http://www.external.ameslab.gov/