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

Ibland, dock, funktioner kräver metall mot metall kontakt, 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 materialvetare Nicolas Argibay och Michael Chandross och kollegor har utvecklat en modell för att förutsäga gränserna för friktionsbeteende för metaller baserat på materialegenskaper - hur hårt du kan pressa på material eller hur mycket ström du kan släppa igenom 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 papers, inklusive en nyligen Journal of Materials Science artikel.

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

Länka vetenskap till tekniska applikationer

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

Upptäckten av hur man förutspår metals friktionsbeteende 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 vilka förutsättningar du kan springa i och få det beteende du vill ha, ", Sade Argibay." Faktum är att vi ger riktlinjer för utveckling av nytt material. "

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

Men Sandias forskning visar att mikrostrukturens stabilitet 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, såsom guld och koppar, att bryta ner friktionsproblemet genom att titta på de enklaste systemen. När de 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.

Idé började med ett separat projekt

Idén utvecklades på ett invecklat sätt, började för flera år sedan när Chandross ombads efter simuleringar för att förbättra hårda guldbeläggningar - mjukt guld med en mindre mängd annan metall för att göra det svårare. Guld är effektivt, korrosionsbeständig ledare, men har i allmänhet hög vidhäftning och friktion - och därmed hög slitage.

Det projektet producerade ett papper som upphetsade Argibay, som berättade för Chandross att han kunde göra experiment för att bevisa de begrepp som papperet beskrev.

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

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

Sandias arbete har konsekvenser för de växande världarna av vindkraftverk och elfordon, där företag söker en fördel över 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 roterande elektrisk kontakt för vindkraftverk 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 kan göra det möjligt för vindkraftverksindustrin att utforska konstruktioner som inte var möjliga tidigare.

Dessutom, den elektriska kontaktindustrin, som nu använder växelström i enheter, kan äntligen kunna vända sig till likström som enheter med högre prestanda. Som ett möjligt mellansteg, Sandia-forskare utforskar metalliska elektriska kontakter som ett 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 designens grunder i några av dessa enheter, sa de.

Uppföljningsfinansiering gjorde att laget kunde studera temperaturvariabeln, och nu har Chandross påbörjat ett LDRD -projekt för att titta på metaller med andra strukturer. Tidigare arbete har utförts med ansiktscentrerade kubikstrukturerade 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 molekylskala eller atomskala mekanismer fick oss att säga, 'Ja, men de är dåliga bara om du inte är under rätt förhållanden. Vad händer när du har de rätta förutsättningarna? "Sa Chandross.

BCC -metaller kan öppna fler design- och konstruktionsmöjligheter för vindkraftgenerering och elfordon, förbättra effektiviteten och i slutändan minska underhålls- och tillverkningskostnaderna.