Свойства применяемого покрытия приятно удивили ученых

Открытие свойств покрытия, обещающего прорыв в сфере использования энергии ветра на самом деле было случайностью, говорят исследователи, работающие над программой Министерства энергетики (Department of Enenrgy, DOE).

Группа исследователей Национальной лаборатории в Аргонне Министерства энергетики (DOE’s Argonne National Laboratory, ANL) и Университета Акрона (University of Akron, UA), работавшая с углеродным покрытием с «алмазоподобной структурой», по счастливой случайности решила протестировать его свойства на турбинах ветряных электростанций.

Результаты исследования, опубликованные в отчете «Сопротивление усталости углеродных покрытий, работающих во вращающихся/скользящих соединениях» в журнале Tribology International, «подтверждают важность открытия для ветряной энергетики».

Износ турбин

Вследствие того, что движущиеся части турбин работают в нагруженных условиях, их основные элементы – актуаторы, подшипники и шестерни склонны к быстрому выходу из строя без регулярного обслуживания.

Как объяснили исследователи, продолжительные вращательные и скользящие нагрузки приводит к возникновению усталости материала - например, микроскопическому выкрашиванию приводных элементов. Продолжительный контакт усиливает возникновение трещин, которое приводит к скалыванию материала, и без проведения обслуживания, приводные элементы турбины могут выйти из строя.

Однако, проведение такого обслуживания повышает стоимость ветряной энергии.

«Увеличение ресурса этих компонентов может значительно снизить стоимость ветряной энергии, которая является самым быстроразвивающимся источником альтернативной энергии в мире».

Счастливая случайность

Как объявил UA, именно в лаборатории Timken Engineered Surfaces Laboratories, основанной DOE и ANL, под руководством доктора Гэри Долла, произошло знаменательное открытие.

Лаборатория Долла сотрудничает с секцией трибологии и технической механики ANL и ее проектом исследования взаимодействия поверхностей и смазочных материалов, открытий и инжиниринга (Surface and Lubrication Interaction, Discovery and Engineering, SLIDE).

SLIDE проводит исследования о взаимодействии смазок и материалов для того, чтобы разработать новые виды смазок и покрытий, уменьшающих трение и выкрашивание материалов и повышающих ресурс деталей.

Исследователи лаборатории Долла и SLIDE работали над изучением свойств «алмазоподобного» покрытия (названного так потому, объясняют ученые, что в его структуре молекулы углерода связаны примерно так же, как и в алмазе), а затем решили испытать его в условиях, отличных от стандартных, в которых оно обычно применялось.

«Нам показалось, что если оно может работать в разных скользящих соединениях, то оно также сможет работать в приводных элементах ветровых турбин», заявил, описывая свойства покрытия N3FC, Али Эрдемир, заслуженный работник ANL.

«В начале испытаний мы не ожидали от этого покрытия многого, так как считали, что оно будет изнашиваться под воздействием высоких нагрузок, но этого не произошло».

N3FC выдержало более 100 миллионов циклов испытаний без видимых признаков микроскопического выкрашивания, сообщили исследователи. Эрдемир также заметил, что покрытие на испытаниях выдержало нагрузку сверх установленного испытательным оборудованием лимита времени, поэтому исследователям в точности не известны его истинные защитные возможности.

Если такими же свойствами покрытие будет обладать в реальных условиях, это будет означать существенную экономию затрат на техническое обслуживание и предотвращение поломок в механизмах ветряных турбин – а речь идет, возможно, о суммах в миллионы долларов, сообщил Эрдемир.

Как это работает?

В лаборатории отметили, что исследователи до сих пор выясняют, почему покрытие оказалось столь эффективным.

«Мы до сих пор не имеем точного представления о механизме работы», сказал Эрдимир. «Основным предположением было то, что увеличение срока службы покрытия определяется твердостью последнего, так как чем тверже материал, тем меньше он изнашивается. Однако, в рассматриваемом случае покрытие имеет гораздо меньшую твердость, чем сталь, на которую оно нанесено, поэтому традиционное объяснение здесь не подходит».

Наряду с разгадкой секрета эффективности нового покрытия, команда исследователей также занимается поиском партнеров, которые могли бы помочь испытать N3FC в реальной среде.

«Мы бы были рады докопаться до сути этого вопроса и разработать покрытия, которые по свойствам даже превосходят наше», сказал Эрдимир.

Сведения о проекте

Исследование проводилось на средства отдела DOE по изучению эффективности использования энергии и возобновляемых источников энергии (Office of Energy Efficiency & Renewable Energy).

Рамановская спектроскопия (используюшая монохроматичный свет, главным образом, при помощи лазера) была проведена в лаборатории Центра наноматериалов отдела DOE по применению научных результатов (DOE Office of Science User Facility).

Кроме сотрудников Долла, в команду исследователей входят специалисты из лаборатории Аргонны – Джованни Рамирез, Осман Эрильмаз и Аарон Греко, а также Харпал Сингх, представляющий как Аргонну, так и Университет Акрона.