I vanliga fall, bar metall att glida mot bar metall är inte bra. Friktion kommer att förstöra kolvar i en motor, till exempel, utan smörjning.

Ibland, dock, funktioner kräver metall på metallkontakt, som i hörlursuttag eller elektriska system i vindkraftverk. Fortfarande, friktion orsakar slitage och slitage förstör prestanda, och det har varit svårt att förutse när det kommer att hända.

Tills nu.

Sandia National Laboratories materialforskare Nicolas Argibay och Michael Chandross och kollegor utvecklade en modell för att förutsäga gränserna för friktionsbeteende hos metaller baserat på materialegenskaper – hur hårt du kan trycka på material eller hur mycket ström du kan lägga genom dem innan de slutar fungera korrekt . De har presenterat sina resultat vid inbjudna samtal, senast 2016 Gordon Research Conference on Tribology, och i peer-reviewed tidningar, inklusive en nyligen Journal of Materials Science artikel.

Deras modell kan förändra världen av elektriska kontakter, påverkar industrier från elfordon till vindkraftverk. Genom att förstå de grundläggande orsakerna till fel i metallkontakter kan ingenjörer gå in och åtgärda problemet, och potentiellt lyser upp fler vägar mot nya materialdesigner.

Koppla vetenskap till tekniska tillämpningar

"Det är ett verktyg för att göra design och det är ett verktyg för att göra vetenskap, ", sa Argibay. "Det är verkligen den där länken mellan grundläggande vetenskap och tekniska tillämpningar."

Upptäckten av hur man förutsäger friktionsbeteendet hos metaller började som en studie av specifika material för projekt.

"Det är ett ögonblick där du går från att bara behöva säga, "Materialbeteendet kommer att vara detta eftersom vi mätte det under dessa förhållanden" för att säga, 'Jag kan berätta för dig vilka förhållanden du kan springa i och få det beteende du vill ha, "" sa Argibay. "Faktiskt, vi ger riktlinjer för utveckling av nytt material. "

Designers väljer material baserat på tekniska tumregler under vissa driftsförhållanden, med den konventionella visdomen att hårdare material skapar mindre friktion.

Men Sandias forskning visar att stabiliteten i mikrostrukturen styr friktionsbeteendet som ingenjörer bryr sig om, och det förändrar hur ingenjörer kan tänka på design när de karaktäriserar och väljer material, sa forskarna.

Teamet studerade rena metaller, som guld och koppar, att bryta ner friktionsproblemet genom att titta på de enklaste systemen. När de väl förstod det grundläggande beteendet hos rena metaller, det var lättare att visa att dessa idéer gäller mer komplexa strukturer och mer komplexa material, sa de.

Idén började med ett separat projekt

Idén utvecklades på ett invecklat sätt, började för flera år sedan när Chandross blev tillfrågad om simuleringar för att förbättra hårdguldbeläggningar – mjukt guld med en mindre mängd av en annan metall för att göra det svårare. Guld är ett effektivt, korrosionsbeständig ledare, men har generellt hög vidhäftning och friktion — och därmed högt slitage.

Det projektet producerade ett papper som upphetsade Argibay, som sa till Chandross att han kunde göra experiment för att bevisa koncepten som uppsatsen beskrev.

"Från dessa experiment, det hela exploderade, " sa Chandross.

"Vi tittade på de rena metallerna som ett sätt att validera några av de hypoteser vi hade från Mikes analys av mer komplexa system, " Argibay förklarade. "Om dessa idéer fungerar i mer komplexa system, de borde fungera i det svåraste scenariot, det minst sannolika scenariot konventionellt, och det gjorde de. "

Sandias arbete har konsekvenser för de växande världarna av vindkraftverk och elfordon, där företag söker ett försprång gentemot konkurrenterna. Efterfrågan på elbilar och alternativa sätt att producera el kommer sannolikt att öka och i sin tur skapa efterfrågan på ny teknik.

Argibay hjälper till att designa och utveckla en prototyp av roterande elektrisk kontakt för vindturbiner som började som ett Laboratory Directed Research and Development (LDRD)-projekt.

"I grund och botten tar vi tillbaka teknik som kasserades eftersom de inte riktigt förstod materialen och inte kunde få dem att fungera var och hur de ville, " han sa.

Nya projekt pågår

Projektet utforskar koppar mot en kopparlegering för en högpresterande, effektiv elektrisk kontakt. Det skulle kunna göra det möjligt för vindkraftsindustrin att utforska konstruktioner som tidigare inte var möjliga.

Dessutom, den elektriska kontaktindustrin, som nu använder växelström i enheter, kanske äntligen kan vända sig till likströmsenheter som alternativ med högre prestanda. Som ett möjligt interimistiskt steg, Sandia-forskare undersöker metalliska elektriska kontakter som en drop-in för vissa applikationer, undvika stora förändringar i hur enheterna fungerar.

Om de visar att teorin är sund, då kan ingenjörer ändra hur de tänker om grunderna för design i vissa av dessa enheter, sa de.

Uppföljningsfinansiering gjorde det möjligt för teamet att studera temperaturvariabeln, och nu har Chandross påbörjat ett LDRD-projekt för att titta på metaller med andra strukturer. Tidigare arbeten har gjorts med ansiktscentrerade kubiska strukturerade metaller. Chandross projekt försöker förstå friktion i kroppscentrerade kubiska metaller, BCC metaller, används oftast för strukturella ändamål. Forskare tittar på järn och tantal.

Konventionell visdom säger att BCC -metaller inte ger låg friktion. "Detta är ett av de fall där förståelsen av den molekylära skalan eller mekanismerna i atomskala fick oss att säga, 'Ja, men de är dåliga bara om du inte är i rätt förhållanden.' Vad händer när du är i rätt förhållanden?" sa Chandross.

BCC-metaller kan öppna upp fler design- och ingenjörsmöjligheter för vindkraftsproduktion och elfordon, förbättra effektiviteten och i slutändan minska underhålls- och tillverkningskostnaderna.