Normalmente, el deslizamiento de metal desnudo contra metal desnudo no es algo bueno. La fricción destruirá los pistones de un motor, por ejemplo, sin lubricación.

Algunas veces, sin embargo, las funciones requieren contacto de metal con metal, como en tomas de auriculares o sistemas eléctricos en turbinas eólicas. Todavía, la fricción causa desgaste y el desgaste destruye el rendimiento, y ha sido difícil predecir cuándo sucederá.

Hasta ahora.

Los científicos de materiales de Sandia National Laboratories, Nicolas Argibay y Michael Chandross y sus colegas, desarrollaron un modelo para predecir los límites del comportamiento de fricción de los metales en función de las propiedades de los materiales:qué tan fuerte puede presionar los materiales o cuánta corriente puede pasar a través de ellos antes de que dejen de funcionar correctamente. . Han presentado sus resultados en charlas invitadas, más recientemente, la Conferencia de Investigación Gordon 2016 sobre Tribología, y en artículos revisados ​​por pares, incluyendo un reciente Revista de ciencia de materiales artículo.

Su modelo podría cambiar el mundo de los contactos eléctricos, que afectan a industrias desde los vehículos eléctricos hasta las turbinas eólicas. Comprender las causas fundamentales de fallas en los contactos metálicos permite a los ingenieros intervenir y solucionar el problema, y potencialmente ilumina más caminos hacia diseños de nuevos materiales.

Vinculando la ciencia a las aplicaciones de la ingeniería

"Es una herramienta para hacer diseño y es una herramienta para hacer ciencia, "Es realmente ese vínculo entre la ciencia fundamental y las aplicaciones de ingeniería", dijo Argibay.

El descubrimiento de cómo predecir el comportamiento de fricción de los metales comenzó como un estudio de materiales específicos para proyectos.

"Es un momento en el que pasas de tener que decir 'El comportamiento de los materiales será este porque lo medimos en esas condiciones' a decir, 'Puedo decirte en qué condiciones puedes correr y obtener el comportamiento que deseas, '", Dijo Argibay." De hecho, proporcionamos pautas para el desarrollo de nuevos materiales ".

Los diseñadores eligen materiales según las reglas generales de ingeniería bajo ciertas condiciones de operación, utilizando la sabiduría convencional de que los materiales más duros crean menos fricción.

Pero la investigación de Sandia demuestra que la estabilidad de la microestructura gobierna el comportamiento de fricción que preocupa a los ingenieros, y eso cambia la forma en que los ingenieros pueden pensar en el diseño cuando caracterizan y seleccionan materiales, dijeron los investigadores.

El equipo estudió metales puros, como el oro y el cobre, para resolver el problema de la fricción observando los sistemas más simples. Una vez que entendieron el comportamiento fundamental de los metales puros, fue más fácil demostrar que estas ideas se aplican a estructuras más complejas y materiales más complejos, ellos dijeron.

La idea comenzó con un proyecto separado

La idea se desarrolló de una manera complicada, comenzando hace varios años cuando se le pidió a Chandross que hiciera simulaciones para ayudar a mejorar los recubrimientos de oro duro:oro blando con una pequeña cantidad de otro metal para hacerlo más duro. El oro es un eficiente conductor resistente a la corrosión, pero generalmente tiene una alta adherencia y fricción y, por lo tanto, un alto desgaste.

Ese proyecto produjo un artículo que entusiasmó a Argibay, quien le dijo a Chandross que podía hacer experimentos para probar los conceptos que describía el artículo.

"De esos experimentos, todo estalló, "Dijo Chandross.

"Observamos los metales puros como una forma de validar algunas de las hipótesis que teníamos del análisis de Mike de sistemas más complejos, ", Explicó Argibay." Si estas ideas funcionan en sistemas más complejos, deberían funcionar en el escenario más difícil, el escenario menos probable convencionalmente, y lo hicieron ".

El trabajo de Sandia tiene implicaciones para los crecientes mundos de las turbinas eólicas y los vehículos eléctricos, donde las empresas buscan una ventaja sobre la competencia. Es probable que la demanda de automóviles eléctricos y formas alternativas de producir electricidad se expanda y, a su vez, cree una demanda de nuevas tecnologías.

Argibay está ayudando a diseñar y desarrollar un prototipo de contacto eléctrico giratorio para turbinas eólicas que comenzó como un proyecto de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio (LDRD).

"Básicamente, estamos recuperando tecnologías que se descartaron porque realmente no entendían los materiales y no podían hacer que funcionen dónde y cómo querían, " él dijo.

Nuevos proyectos están en curso

El proyecto está explorando cobre contra una aleación de cobre para un alto rendimiento, contacto eléctrico eficiente. Eso podría permitir a la industria de las turbinas eólicas explorar diseños que antes no eran posibles.

Además, la industria de los contactos eléctricos, que ahora usa corriente alterna en dispositivos, finalmente podría recurrir a dispositivos de corriente continua como alternativas de mayor rendimiento. Como posible paso intermedio, Los investigadores de Sandia están explorando los contactos eléctricos metálicos como un complemento para algunas aplicaciones, evitando cambios importantes en el funcionamiento de los dispositivos.

Si demuestran que la teoría es sólida, luego, los ingenieros pueden cambiar su forma de pensar sobre los fundamentos del diseño en algunos de estos dispositivos, ellos dijeron.

La financiación de seguimiento permitió al equipo estudiar la variable de temperatura, y ahora Chandross ha comenzado un proyecto LDRD para analizar metales con otras estructuras. Se han realizado trabajos previos con metales estructurados cúbicos centrados en las caras. El proyecto de Chandross busca comprender la fricción en metales cúbicos centrados en el cuerpo, Metales BCC, más comúnmente utilizado para fines estructurales. Los investigadores están analizando el hierro y el tantalio.

La sabiduría convencional sostiene que los metales BCC no producirán baja fricción. "Este es uno de esos casos en los que la comprensión de los mecanismos de escala molecular o atómica nos llevó a decir:'Sí, pero son malos solo si no estás en las condiciones adecuadas '. ¿Qué sucede cuando estás en las condiciones adecuadas? ”, Dijo Chandross.

Los metales BCC podrían abrir más posibilidades de diseño e ingeniería para la generación de energía eólica y los vehículos eléctricos, mejorando la eficiencia y, en última instancia, reduciendo los costes de mantenimiento y fabricación.