Normalmente, deslizar de metal descoberto contra metal descoberto não é uma coisa boa. O atrito destruirá os pistões de um motor, por exemplo, sem lubrificação.

As vezes, Contudo, funções requerem contato de metal sobre metal, como em conectores de fone de ouvido ou sistemas elétricos em turbinas eólicas. Ainda, o atrito causa desgaste e o desgaste destrói o desempenho, e é difícil prever quando isso acontecerá.

Até agora.

Os cientistas de materiais do Sandia National Laboratories, Nicolas Argibay e Michael Chandross, e seus colegas desenvolveram um modelo para prever os limites do comportamento de atrito dos metais com base nas propriedades dos materiais - com que força você pode empurrar os materiais ou quanta corrente pode passar por eles antes que parem de funcionar corretamente . Eles apresentaram seus resultados em palestras convidadas, mais recentemente, a Gordon Research Conference on Tribology de 2016, e em artigos revisados ​​por pares, incluindo um recente Journal of Materials Science artigo.

Seu modelo pode mudar o mundo dos contatos elétricos, afetando indústrias de veículos elétricos a turbinas eólicas. Compreender as causas fundamentais da falha nos contatos de metal permite que os engenheiros entrem em ação e corrijam o problema, e potencialmente abre mais caminhos para novos designs de materiais.

Vinculando ciência a aplicativos de engenharia

"É uma ferramenta para fazer design e para fazer ciência, "Argibay disse." É realmente a ligação entre a ciência fundamental e as aplicações de engenharia. "

A descoberta de como prever o comportamento de atrito dos metais começou como um estudo de materiais específicos para projetos.

"É um momento em que você simplesmente precisa dizer, 'O comportamento dos materiais será este porque o medimos nessas condições' para dizer, 'Eu posso te dizer em quais condições você pode correr e obter o comportamento que deseja, '', Disse Argibay. 'Na verdade, fornecemos diretrizes para o desenvolvimento de novos materiais. "

Os projetistas escolhem os materiais com base nas regras de engenharia sob certas condições operacionais, usando a sabedoria convencional que materiais mais duros criam menos atrito.

Mas a pesquisa de Sandia demonstra que a estabilidade da microestrutura governa o comportamento de atrito com que os engenheiros se preocupam, e isso muda a forma como os engenheiros podem pensar sobre o design ao caracterizar e selecionar materiais, disseram os pesquisadores.

A equipe estudou metais puros, como ouro e cobre, para quebrar o problema de atrito olhando para os sistemas mais simples. Uma vez que eles entenderam o comportamento fundamental dos metais puros, foi mais fácil demonstrar que essas ideias se aplicam a estruturas mais complexas e materiais mais complexos, eles disseram.

A ideia começou com um projeto separado

A ideia se desenvolveu de uma forma complicada, começando há vários anos, quando Chandross foi solicitado a fazer simulações para ajudar a melhorar os revestimentos de ouro duro - ouro macio com uma pequena quantidade de outro metal para torná-lo mais duro. O ouro é um eficiente, condutor resistente à corrosão, mas geralmente tem alta adesão e fricção - e, portanto, alto desgaste.

Esse projeto produziu um artigo que entusiasmou Argibay, que disse a Chandross que ele poderia fazer experimentos para provar os conceitos descritos no artigo.

"A partir desses experimentos, a coisa toda explodiu, "Chandross disse.

"Olhamos para os metais puros como uma forma de validar algumas das hipóteses que tínhamos da análise de Mike de sistemas mais complexos, "Argibay explicou." Se essas ideias funcionarem em sistemas mais complexos, eles devem funcionar no cenário mais difícil, o cenário menos provável convencionalmente, e eles fizeram. "

O trabalho de Sandia tem implicações para o mundo crescente de turbinas eólicas e veículos elétricos, onde as empresas buscam uma vantagem sobre a concorrência. A demanda por carros elétricos e formas alternativas de produzir eletricidade provavelmente se expandirá e, por sua vez, criará demanda por novas tecnologias.

Argibay está ajudando a projetar e desenvolver um protótipo de contato elétrico rotativo para turbinas eólicas que começou como um projeto de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório (LDRD).

"Basicamente, estamos trazendo de volta tecnologias que foram descartadas porque eles realmente não entendiam os materiais e não podiam fazê-los funcionar onde e como queriam, " ele disse.

Novos projetos estão em andamento

O projeto está explorando cobre contra uma liga de cobre para um alto desempenho, contato elétrico eficiente. Isso poderia permitir que a indústria de turbinas eólicas explorasse projetos que não eram possíveis antes.

Além disso, a indústria de contatos elétricos, que agora usa corrente alternada em dispositivos, pode finalmente ser capaz de se transformar em dispositivos de corrente direta como alternativas de desempenho superior. Como uma possível etapa provisória, Os pesquisadores da Sandia estão explorando contatos elétricos metálicos como uma opção para algumas aplicações, evitando grandes mudanças na forma como os dispositivos funcionam.

Se eles demonstrarem que a teoria é válida, então os engenheiros podem mudar a forma como pensam sobre os fundamentos do design em alguns desses dispositivos, eles disseram.

O financiamento de acompanhamento permitiu que a equipe estudasse a variável de temperatura, e agora Chandross começou um projeto LDRD para examinar metais com outras estruturas. O trabalho anterior foi feito com metais estruturados cúbicos centrados na face. O projeto de Chandross busca entender o atrito em metais cúbicos centrados no corpo, Metais BCC, mais comumente usado para fins estruturais. Os pesquisadores estão examinando o ferro e o tântalo.

A sabedoria convencional afirma que os metais BCC não produzem baixo atrito. "Este é um daqueles casos em que a compreensão da escala molecular ou dos mecanismos da escala atômica nos levou a dizer:'Sim, mas só são ruins se você não estiver nas condições certas. O que acontece quando você está nas condições certas? ”Disse Chandross.

Os metais BCC podem abrir mais possibilidades de design e engenharia para a geração de energia eólica e veículos elétricos, melhorando a eficiência e, finalmente, reduzindo os custos de manutenção e fabricação.