I ricercatori del Virginia Tech hanno progettato un nuovo rivestimento che potrebbe rendere i componenti, dai razzi ai semiconduttori, più sicuri, durevoli e convenienti.
I ricercatori della Virginia Polytechnic Institute and State University hanno scoperto un nuovo meccanismo di lubrificazione solida che può ridurre l’attrito nei macchinari a temperature estremamente elevate, perché funziona ben oltre la temperatura di rottura dei tradizionali lubrificanti solidi, come la grafite.
“Questo rivoluzionario lubrificante allo stato solido potrebbe cambiare il modo in cui progettiamo i materiali per motori ad alta tecnologia, facendoli durare più a lungo e funzionare meglio in condizioni estreme” ha affermato Rebecca Cai, docente associata presso il Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali e uno degli autori dello studio.
Decenni di ricerca hanno portato a identificare solo circa 20 lubrificanti solidi. Il lubrificante giusto potrebbe prolungare la vita di un motore a reazione, risparmiando milioni di dollari, ma la maggior parte di quei 20 lubrificanti si rompe quando i macchinari raggiungono temperature elevate come la lava fusa. La scoperta è importante perché si stima che l’attrito e l’usura siano costati all’economia statunitense oltre 1 trilione di dollari nel 2023, pari a circa il 5 percento del prodotto nazionale lordo.
I limiti dei lubrificanti
L’attrito è la base del movimento. Tuttavia, in varie applicazioni industriali, come la produzione avanzata, i trasporti e il settore aerospaziale, un attrito eccessivo causa l’usura delle macchine. I lubrificanti, o sostanze che riducono l’attrito tra due superfici che entrano in contatto tra loro, sono fondamentali per condizioni operative sicure e prestazioni ottimali, ma sviluppare materiali che resistano all’usura oltre i 600 gradi Celsius, o 1.000 gradi Fahrenheit, rimane una sfida.
Risultati solidi
Il team ha utilizzato test ad alta temperatura, analisi di materiali avanzati e metodi computazionali per dimostrare che gli strati di ossido di spinello, una classe specifica di minerali che agiscono come rivestimento, possono formarsi naturalmente sulla superficie di un metallo prodotto in modo additivo durante l’ossidazione ad alta temperatura, consentendo l’autolubrificazione. Ciò è possibile grazie alla bassa resistenza al taglio dell’ossido di spinello, o alla debolezza dei legami tra le sue molecole, che consente loro di scivolare facilmente l’una sull’altra sotto stress, e alla sua elevata stabilità, che gli consente di mantenere le sue proprietà in quelle condizioni di stress e di alta temperatura.
I ricercatori hanno utilizzato computer avanzati per prevedere quali tipi di ossidi avrebbero funzionato meglio, quindi, modificando attentamente la superficie metallica che formava uno speciale strato di ossido, Cai e Zhang hanno scoperto che gli ossidi di spinello sono molto più efficaci nel resistere alle alte temperature rispetto ai materiali utilizzati in precedenza.
Ogni università ha fornito una componente chiave dello studio: l’Università della Florida ha completato i calcoli utilizzando la caratterizzazione della microscopia elettronica a trasmissione 4D per identificare le strutture cristallizzate di superfici ossidate molto complesse; Jackson State ha fornito i campioni iniziali dei metalli prodotti in modo additivo; l’Arizona State ha collaborato all’acquisizione dei finanziamenti e al completamento dei calcoli; l’Iowa State ha completato i calcoli per simulare le proprietà meccaniche dell’ossido chiave; e il Nebraska-Lincoln ha condotto i test di cablaggio ad alta temperatura. Il Virginia Tech ha guidato l’intero progetto, ha concettualizzato l’idea, ha condotto test tribologici ad alta temperatura, ha analizzato la caratterizzazione della superficie, ha eseguito calcoli delle proprietà termiche e meccaniche chiave per tutti gli ossidi ed eseguito analisi di previsione di fase.
Nella foto, Rebecca Cai usa il tribometro ad alta temperatura, un dispositivo all’avanguardia che misura l’attrito e l’usura a temperature super elevate. Il Virginia Tech è uno dei pochi posti negli Stati Uniti con questa tecnologia. Courtesy di Virginia Tech.
