N3FC超耐磨涂层 让风力涡轮组件寿命更长

材料牛注：风力涡轮机组件常因磨损而不幸夭折。近日美国阿贡实验室的研究团队意外发现了一种超级耐磨损材料N3FC，其耐磨程度竟然超过了现有的测试极限。这小小的涂料有望在风能的推广上大展拳脚，但其作用机理仍在进一步探索中。

尽管完美材料的发现常常有赖于对科学好奇心的严格论证以及世界上最具天赋学者的分析，但科学有时也出于偶然。

近期来自美国能源部（DOE）的阿贡国家实验以及阿克伦城市立大学的科学家的发现就应证了这句话。他们一起发现了一种特殊的碳包覆涂层材料。此材料不一定必须应用于风力涡轮机的设计，但是确实已被证实了可以在风力发电方面大有作为。这个新奇的发现报道于杂志 Tribology International。

由于风力涡轮机动力传动系统固有的复杂内部环境，关键组成部分如电动机动器、轴承或者齿轮常易于失效。这意味着涡轮机需要日常维护，但这些维护无疑会提高风电的价格，所以延长这些关键组件的寿命可以极大的降低风电的成本。风电是当今世界增长最快的供能方式，因此其前景诱人。

部件失效的原因常来自于微点蚀现象。微点蚀现象指涡轮机的齿轮和轴承不断地滚动滑动，由此导致了动力传动系统组分的表面裂纹。此外，接触一旦开始就会加剧裂纹，不但磨损金属而且会加剧已经存在的裂纹，直到昂贵的维护变得势在必行，更有甚时，整个传动系统都会崩溃。

阿贡实验室摩擦及热力学，表面及润滑相互作用，发现与工程创新（SLIDE）等三个部门负责相关研究。这三个部门的主要工作是研究润滑剂和材料之间的相互作用，发明新的润滑产品以及减少摩擦的涂料，进而减少微点蚀，在能量技术范围内延长组件寿命。

当SLIDE部门不小心将类金刚石材料（一种由类似金刚石中的碳碳键结合而制成的材料）应用于风叶涡轮机的涂料时，幸运女神眷顾了他们。

阿贡实验室优秀的研究人员Ali Erdemir说道 “我们认为如果它在其他滑动条件下仍有效，或许它就可以应用于风叶涡轮机传动系统。最初，由于我们认为包覆层会因风叶涡轮机中的固有高压而很快被磨损掉，所以我们并没有对它指望太多，但事实是我们的担心是多余的。”

至今为止，这种名为N3FC的涂层材料已经被证实可以经过超1亿次的实验循环而不发生微点蚀。Erdemir承认他们也不知道这种材料的极限，因为它的承受能力超过了SLIDE的微点蚀测试系统的极限。如果在真实环境中仍有如此惊人的表现，这意味着为日后的维修省下了一大笔银子，而且可以避免全国范围内的风叶涡轮机失效，仅此一项就降低了近百万美元的花费。但Ali Erdemir还补充道当前的首要任务是了解其具体工作原理。”

“我们至今仍然无法理解其中的机理。” Erdemir.说，“由于硬度更大可以减少磨损。通常认为随着组件磨损寿命的延长，包覆层的硬度也要相应提高，但是对于这种本身硬度不及基体钢材的包覆层，传统的理论无法给出好的解释。”

研究团队现在渴望与相关企业合作以检验N3FC在真实应用中的表现如何。与此同时，他们一直在努力探究这一惊人科学发展背后的秘密。Erdemir说：“我们应该乐于去探索最深层次的谜底，以求设计出更好的涂料。”

该研究团队同时也在测试涂料在压缩机密封上的应用。作为一种低摩擦表面涂料，它或许可以在自然大气以及氢气的气氛中有较好的表现。Erdemir说道：“它在多方面都表现出良好的性能。”

与此同时，阿贡实验室摩擦技术部门仍在进行着探究工作，纳米尺度实验室使用拉曼光谱对其性能进行检测（激光单色光检测）。

论文下载地址：Fatigue resistant carbon coatings for rolling/sliding contacts

原文链接：Gone with the wind: Surprising potential to improve reliability in wind power

本文由编辑部黄语嫣提供素材，任洁编译，赵瑾审核。