Le revêtement superlubrifiant pourrait réduire les pertes économiques dues au frottement et à l'usure

Jan 24, 2024

Affectant une variété de systèmes, des trains roulants de véhicules aux turbines éoliennes et hydroélectriques.

Des scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont inventé un revêtement qui pourrait réduire considérablement la friction dans les systèmes porteurs courants avec des pièces mobiles, des trains roulants des véhicules aux turbines éoliennes et hydroélectriques.

Il réduit au moins au centuple le frottement de l'acier frottant sur l'acier. Le nouveau revêtement ORNL pourrait aider à graisser une économie américaine qui perd chaque année plus de 1 000 milliards de dollars à cause du frottement et de l'usure, soit l'équivalent de 5 % du produit national brut.

"Lorsque les composants glissent les uns sur les autres, il y a frottement et usure", a déclaré Jun Qu, chef du groupe d'ingénierie de surface et de tribologie de l'ORNL.

La tribologie, du mot grec désignant le frottement, est la science et la technologie des surfaces en interaction en mouvement relatif, telles que les engrenages et les roulements.

"Si nous réduisons la friction, nous pouvons réduire la consommation d'énergie. Si nous réduisons l'usure, nous pouvons allonger la durée de vie du système pour une meilleure durabilité et fiabilité", a déclaré Qu.

Avec ses collègues de l'ORNL, Chanaka Kumara et Michael Lance, Qu a mené une étude publiée dans Materials Today Nano sur un revêtement composé de nanotubes de carbone qui confère une superlubricité aux pièces coulissantes.

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.

"Notre principale réalisation est de rendre la superlubrification possible pour les applications les plus courantes", a déclaré Qu. "Avant, vous ne le voyiez que dans des environnements à l'échelle nanométrique ou spécialisés."

Pour l'étude, Kumara a fait pousser des nanotubes de carbone sur des plaques d'acier. Avec une machine appelée tribomètre, lui et Qu 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.

La fabrication des nanotubes de carbone est un processus en plusieurs étapes.

"Premièrement, nous devons activer la surface de l'acier pour produire de minuscules structures, à l'échelle du nanomètre. Deuxièmement, nous devons fournir une source de carbone pour faire croître les nanotubes de carbone", a déclaré Kumara.

Il a chauffé un disque en acier inoxydable pour former des particules d'oxyde métallique à la surface. Puis il a utilisé le dépôt chimique en phase vapeur pour introduire du carbone sous forme d'éthanol afin que des particules d'oxyde métallique puissent y piquer du carbone, atome par atome sous forme de nanotubes.

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

"Les nanotubes de carbone sont détruits par le frottement mais deviennent une nouvelle chose", a déclaré Qu. "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'une couche 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; cela n'a pas fonctionné", a déclaré Qu. "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 moteur 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. Kumara a testé les performances pour un glissement continu sur trois heures, puis un jour et plus tard 12 jours.

"Nous avons toujours la superlubricité", a déclaré Kumara. "C'est stable."

À l'aide de la microscopie électronique, Kumara a examiné les fragments fauchés pour prouver que l'usure tribologique avait sectionné les nanotubes de carbone. Pour confirmer de manière indépendante que le frottement avait raccourci les nanotubes, le co-auteur de l'ORNL, Lance, a utilisé la spectroscopie Raman, une technique qui mesure l'énergie vibratoire, qui est liée à la liaison atomique et à la structure cristalline d'un matériau.

"La tribologie est un domaine très ancien, mais la science et l'ingénierie modernes ont fourni une nouvelle approche scientifique pour faire progresser la technologie dans ce domaine", a déclaré Qu. "La compréhension fondamentale a été superficielle jusqu'aux 20 dernières années peut-être, lorsque la tribologie a pris une nouvelle vie. Plus récemment, les scientifiques et les ingénieurs se sont vraiment réunis pour utiliser les technologies de caractérisation des matériaux les plus avancées - c'est une force de l'ORNL. La tribologie est très multidisciplinaire. Non on est expert en tout. Par conséquent, en tribologie, la clé du succès est la collaboration."

Il a ajouté : "Quelque part, vous pouvez trouver un scientifique expert en nanotubes de carbone, un scientifique expert en tribologie, un scientifique expert en caractérisation des matériaux. Mais ils sont isolés. Ici à l'ORNL, nous sommes ensemble."

Les équipes de tribologie de l'ORNL ont réalisé des travaux primés qui ont attiré des partenariats industriels et des licences. En 2014, un additif anti-usure ionique pour lubrifiants moteurs économes en carburant, développé par l'ORNL, General Motors, Shell Global Solutions et Lubrizol, a remporté un prix R&D 100. Les collaborateurs de l'ORNL étaient Qu, Huimin Luo, Sheng Dai, Peter Blau, Todd Toops, Brian West et Bruce Bunting. Le Bureau des technologies des véhicules du Bureau de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables du DOE, ou EERE, a parrainé la recherche.

De même, le travail décrit dans l'article actuel a été finaliste pour un prix R&D 100 en 2020. Et les chercheurs ont déposé une demande de brevet pour leur nouveau revêtement superlubrifiant.

"Ensuite, nous espérons nous associer à l'industrie pour rédiger une proposition conjointe au DOE pour tester, faire mûrir et autoriser la technologie", a déclaré Qu. "Dans une décennie, nous aimerions voir des véhicules et des centrales électriques à hautes performances améliorés avec moins d'énergie perdue par frottement et usure."