超潤滑コーティングは摩擦や摩耗による経済的損失を軽減できる

May 21, 2023

車両のドライブトレインから風力発電や水力発電のタービンに至るまで、さまざまなシステムに影響を与えます。

エネルギー省オークリッジ国立研究所の科学者たちは、車両のドライブトレインから風力発電や水力発電のタービンに至るまで、可動部品を備えた一般的な耐荷重システムの摩擦を劇的に低減できるコーティングを発明した。

鋼と鋼が擦れる摩擦を少なくとも100分の1に軽減します。 新しい ORNL コーティングは、摩擦や磨耗により毎年 1 兆ドル以上を損失している米国経済に潤滑油を供給する可能性があります。これは国民総生産の 5% に相当します。

ORNL の表面工学およびトライボロジー グループのリーダーである Jun Qu 氏は、「コンポーネントが互いに滑り合うと、摩擦と摩耗が発生します。」と述べています。

トライボロジーとは、摩擦を意味するギリシャ語に由来し、歯車やベアリングなど、相対運動する表面の相互作用に関する科学技術です。

「摩擦を低減すれば、エネルギー消費を削減できます。磨耗を低減すれば、システムの寿命を延ばし、耐久性と信頼性を向上させることができます」と Qu 氏は述べています。

Qu 氏は、ORNL の同僚である Chanaka Kumara 氏および Michael Lance 氏とともに、摺動部品に超潤滑性を与えるカーボン ナノチューブで構成されるコーティングに関する研究を主導し、 Materials Today Nano に掲載されました。

超潤滑性とは、滑りに対してほとんど抵抗を示さない特性です。 その特徴は、摩擦係数が 0.01 未満であることです。 比較すると、乾燥した金属が互いに滑り合うときの摩擦係数は約 0.5 です。 油潤滑剤を使用すると摩擦係数は0.1程度まで下がります。 しかし、ORNL コーティングは摩擦係数を超潤滑性のカットオフをはるかに下回る 0.001 まで低下させました。

「私たちの主な成果は、最も一般的な用途で超潤滑性を実現できるようにしたことです」と Qu 氏は述べています。 「以前は、ナノスケール環境または特殊な環境でのみそれが見られました。」

この研究のために、クマラ氏は鋼板上でカーボンナノチューブを成長させた。 彼とクゥ氏はトライボメーターと呼ばれる機械を使ってプレートを互いにこすり合わせ、カーボンナノチューブの削りくずを生成した。

多層カーボンナノチューブはスチールをコーティングし、腐食性の湿気をはじき、潤滑剤の貯蔵庫として機能します。 最初に堆積したとき、垂直に整列したカーボンナノチューブが草の葉のように表面に立っています。 鋼製部品が互いに滑り合うと、本質的に「草を刈る」ことになります。

各ブレードは中空ですが、金網のように隣接する六角形に配置された原子的に薄い炭素シートである、巻かれたグラフェンの複数の層でできています。 削りくずで砕けたカーボンナノチューブの破片が接触面に再堆積し、グラフェンを豊富に含むトライボフィルムを形成し、摩擦をほぼゼロに低減します。

カーボン ナノチューブの製造は複数の段階からなるプロセスです。

「第一に、ナノメートルスケールの小さな構造を生成するために鋼の表面を活性化する必要がある。第二に、カーボンナノチューブを成長させるための炭素源を提供する必要がある」とクマラ氏は述べた。

彼はステンレス鋼のディスクを加熱して、表面に金属酸化物の粒子を形成しました。 次に、彼は化学気相成長法を使用してエタノールの形で炭素を導入し、金属酸化物粒子がそこに炭素を原子ごとにナノチューブの形でつなぎ合わせることができました。

新しいナノチューブは、損傷するまで超潤滑性を発揮しません。

「カーボンナノチューブは摩擦で破壊されるが、新しいものになる」とQu氏は語った。 「重要な部分は、それらの破砕されたカーボンナノチューブはグラフェンの破片であるということです。それらのグラフェンの破片は汚れて接触領域に接続され、プロセス中に形成されるコーティングであるトライボフィルムと呼ばれるものになります。その後、両方の接触表面がグラフェンを豊富に含むいくらかで覆われます」コーティングです。両者が擦れ合うと、グラフェンとグラフェンになります。」

超潤滑性を実現するには、わずか一滴の油の存在が重要です。

「油を使わずに試してみましたが、うまくいきませんでした」とQu氏は語った。 「その理由は、オイルがないと、摩擦によってカーボン ナノチューブが激しく除去されすぎるためです。そうすると、トライボフィルムがうまく形成できず、長く存続できなくなります。これはオイルのないエンジンのようなものです。オイルがあれば数分で煙が出ますが、オイルを使用したエンジンは何年も簡単に作動します。 」

ORNLコーティングの優れた滑り性は持続力を持っています。 超潤滑性は 500,000 回を超える摩擦サイクルのテストでも持続しました。 クマラは、連続滑走のパフォーマンスを 3 時間、その後 1 日、その後 12 日間にわたってテストしました。

「我々はまだ超潤滑性を持っています」とクマラ氏は語った。 「安定してるよ。」

電子顕微鏡を使用して、クマラ氏は刈り取った破片を検査し、摩擦摩耗によってカーボン ナノチューブが切断されたことを証明しました。 ORNLの共著者であるLance氏は、摩擦によってナノチューブが短縮されたことを独自に確認するために、材料の原子結合と結晶構造に関連する振動エネルギーを測定する技術であるラマン分光法を使用した。

「トライボロジーは非常に古い分野ですが、現代の科学と工学は、この分野の技術を進歩させるための新しい科学的アプローチを提供しました」とQu氏は述べました。 「トライボロジーが新たな命を吹き込まれた過去 20 年ほどまで、基本的な理解は浅いものでした。さらに最近では、より高度な材料特性評価技術を使用するために科学者とエンジニアが実際に協力するようになりました。これが ORNL の強みです。トライボロジーは非常に学際的です。いいえ」一人はすべての専門家です。したがって、トライボロジーにおいて成功の鍵はコラボレーションです。」

同氏はさらに、「カーボンナノチューブの専門知識を持つ科学者、トライボロジーの専門知識を持つ科学者、材料の特性評価の専門知識を持つ科学者がどこかにいます。しかし、彼らは孤立しています。ここORNLでは、私たちは一緒です。」と付け加えた。

ORNL のトライボロジー チームは、産業提携やライセンスを獲得する受賞歴のある研究を行ってきました。 2014 年、ORNL、ゼネラル モーターズ、シェル グローバル ソリューションズ、ルブリゾールによって開発された、燃費効率の良いエンジン潤滑油用のイオン性耐摩耗添加剤が R&D 100 賞を受賞しました。 ORNL の協力者は、Qu、Huimin Luo、Sheng Dai、Peter Blau、Todd Toops、Brian West、Bruce Bunting でした。 DOEのエネルギー効率・再生可能エネルギー局（EERE）の車両技術局がこの研究を後援した。

同様に、今回の論文で説明されている研究は、2020 年の R&D 100 アワードの最終候補に残りました。そして研究者らは、新しい超潤滑コーティングの特許を申請しました。

「次に、我々は業界と提携して、技術をテストし、成熟させ、ライセンス供与するための共同提案書をDOEに作成したいと考えています」とQu氏は述べた。 「10年以内に、摩擦や磨耗によるエネルギー損失が少なく、改良された高性能の車両や発電所が登場することを期待しています。」