สารเคลือบชนิดใหม่สำหรับโลหะเพื่อลดการสึกหรอ

สารเคลือบชนิดใหม่สำหรับโลหะเพื่อลดการสึกหรอ

             เครื่องจักรในรถยนต์ต้องการน้ำมันเพื่อลดแรงเสียดทานระหว่างเครื่องจักรที่มีการเคลื่อนไหว สารหล่อลื่นนี้ทำให้ส่วนของเครื่องจักรนั้นเย็นลงและช่วยลดการสึกหรอของเครื่องจักรได้ ในตอนนี้ นักวิจัยได้พัฒนาวิธีการเคลือบแบบใหม่ที่จะนำมาใช้กับชิ้นส่วนเครื่องจักรในรถยนต์ก่อนที่มันจะออกจากโรงงานไป ซึ่งสิ่งนี้ไม่ใช่สารเคลือบปกติ มันเป็นพื้นผิวที่จะเข้าเชื่อมกับชิ้นส่วนของรถยนต์อย่างถาวร โดยที่มันจะทำปฏิกิริยากับน้ำมันเครื่องยนต์เพื่อทำการสร้างฟิล์มคาร์บอน โดยที่ฟิล์มนี้จะช่วยลดแรงเสียดทานได้ดีกว่าน้ำมันหล่อลื่นเพียงอย่างเดียว

“สารเคลือบชนิดใหม่นี้อาจจะลดการเปลี่ยนน้ำมันเครื่องบ่อยๆได้” นักวิทยาศาสตร์กล่าว มันยังสามารถช่วยลดความต้องการสารเติมแต่งที่เป็นโลหะในน้ำมันเครื่องยนต์อีกด้วย จนถึงทุกวันนี้ สารเติมแต่งเหล่านี้ทำให้น้ำมันเครื่องยนต์นั้นยากต่อการรีไซเคิล

“ในเครื่องยนต์ที่กำลังทำงานซึ่งมีความร้อนและความดันสูง สารเติมแต่งโลหะเหล่านี้เป็นสิ่งจำเป็น พวกมันจะทำการเชื่อมตัวเองกับชิ้นส่วนรถยนต์และสร้างพื้นผิวป้องกันและมีความลื่นขึ้นมา ชั้นผิวนี้จะช่วยลดแรงเสียดทานและการสึกหรอของเครื่องยนต์ภายใน” Ali Erdemir กล่าว เขาเป็นนักวัสดุศาสตร์จาก Argonne National Laboratory ใน Illinois

สารเคลือบชนิดใหม่สามารถที่จะเชื่อมบนชิ้นส่วนของรถยนต์ได้เลย โดยที่ชั้นผิวใหม่ที่เกิดขึ้นจะเป็นฟิล์มคาร์บอนที่รักษาตัวเองได้ และช่วยลดแรงเสียดทานและการสึกหรอของชิ้นส่วนเครื่องยนต์ได้

การที่ไม่มีสารเติมแต่งโลหะซึ่งเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมนั้นเป็นแรงบันดาลใจให้กับ Erdemir และทีมวิจัยของเขาในการพัฒนานวัตกรรมนี้ นักวิจัยได้สร้างสารเคลือบโลหะไนไตรด์ที่ประกอบไปด้วยส่วนประกอบที่ทำปฏิกิริยากับน้ำมันเครื่องยนต์และไม่ต้องมีการใส่สารเติมแต่งลงไปในน้ำมันเครื่องได้

ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นกับสารเคลือบนั้นจะกระตุ้นให้เกิดการสร้างผิวฟิล์มบนชิ้นส่วนที่มีการเคลื่อนไหว ฟิล์มนี้จะมีความถาวรน้อยกว่าฟิล์มที่เกิดจากน้ำมันเครื่องที่มีสารเติมแต่ง แต่ฟิล์มชนิดใหม่นี้มีความสามารถในการรักษาตัวเองได้ ดังนั้นเมื่อท้ายที่สุดมันถูกทำลายไป ส่วนประกอบโลหะในสารเคลือบจะทำการสลายตัวน้ำมันเพื่อทำการสร้างคาร์บอนฟิล์มเพิ่มอีก

ทีมวิจัย Edemir ได้อธิบายถึงรายละเอียดของสารเคลือบชนิดใหม่นี้ในวารสารทางวิชาการระดับนานาชาติ Nature เมื่อวันที่ 4 ของเดือนสิงหาคม

น้ำมันนั้นทำมาจากสารประกอบไฮโดรคาร์บอน แต่ละอะตอมคาร์บอนมีไฮโดรเจนอะตอม 2 อะตอมที่ติดอยู่ ยกเว้นคาร์บอนตัวสุดท้ายของปลายสายโซ่ คาร์บอนอะตอมตัวสุดท้ายของปลายสายโซ่จะมีอะตอมของไฮโดรเจนเพิ่มมาอีกหนึ่งอะตอมเป็นสามอะตอมสารประกอบโลหะในสารเคลือบชนิดใหม่ช่วยตัดไฮโดรเจนอะตอมออกจากน้ำมัน หลังจากนั้นมันจะทำการแยกสายโซ่คาร์บอนที่เหลือให้มีขนาดเล็กลง สายโซ่ที่ถูกตัดออกมานั้นสามารถสร้างฟิล์มหล่อลื่นขึ้นระหว่างเครื่องจักรที่มีการเคลื่อนไหวอยู่

กลุ่มวิจัยที่ Argonne ได้ออกแบบและทดสอบสารเคลือบสองเวอร์ชั่น ในสูตรที่หนึ่ง โลหะที่ใช้ในการตัดน้ำมันคือทองแดง ในอีกสูตรหนึ่งคือ นิกเกิล โลหะทั้งสองทำงานในทิศทางเดียวกัน พวกมันทำหน้าที่เป็นตัวเร่งในการเร่งปฏิกิริยาทางเคมีเพื่อใช้ในการย่อยสลายน้ำมัน อย่างไรก็ตาม พวกมันจะไม่ถูกใช้หมดไปในการเกิดปฏิกิริยาเนื่องจากมันเป็นตัวเร่ง นั่นหมายความว่า ตัวเร่งจะอยู่ตลอดไปและช่วยทำการย่อยสลายน้ำมันอย่างต่อเนื่องเรื่อยๆ

มีหนึ่งคำถามที่เป็นคำถามสำคัญคือ สารเคลือบนั้นสามารถอยู่ได้อย่างยาวนานหรือไม่เมื่อมันอยู่ในสภาวะที่มีความร้อนและแรงดันสูงภายในเครื่องจักรรถยนต์ ในบางครั้งตัวเร่งจะสูญเสียประสิทธิภาพไปตามเวลา และจะเกิดอะไรขึ้นถ้าสารเคลือบนั้นถูกทำลายออกไปจนหมด

แต่หลังจากการทดสอบ กลุ่มวิจัยของ Erdemir ทำให้เชื่อได้ว่าสารเคลือบนั้นสามารถอยู่ได้อย่างยาวนานจริง บางทีอาจจะอยู่ได้เป็นสิบปีหรือมากกว่านั้นกับการขับแบบปกติ สารเคลือบนั้นมีความแข็งแรงมากกว่าเหล็กประมาณ 3-4 เท่า นอกจากนั้น เพราะว่ามันมีการสึกหรอที่น้อยมากหรือไม่มีเลย ดังนั้นสารเคลือบซึ่งมีความบางในระดับไมโครเมตรสามารถที่จะอยู่ได้ยาวนานเป็น 100000 กิโลมเมตรสำหรับการขับแบบทั่วไป

ที่มา:

Journal: A. Erdemir et al. Carbon-based tribofilms from lubricating oils. Nature. Vol. 536, August 4, 2016, p. 67.doi: 10.1038/nature18948.