Unveiling the synergetic effectiveness of PTFE and MWCNTs as additives under steel-steel contact

تعتمد كل آلة تتحرك، من محرك السيارة إلى تروس توربينات الرياح، على طبقة رقيقة من سائل زلق لمنع أجزائها المعدنية من الاحتكاك ببعضها البعض. فبدون هذا السائل، فإن الاحتكاك الناتج عن احتكاك المعدن بالمعدن سيؤدي سريعاً إلى تآكل الأجزاء، وتوليد حرارة مفرطة، وتسبب فشل الآلة. لعقود من الزمن، حاول المهندسون تحسين هذه المزلقات عبر إضافة جزيئات صلبة دقيقة، آملين أن تعمل مثل كرات محامل مجهرية أو أن تملأ الخدوش الصغيرة على السطح المعدني لجعل السطح أكثر نعومة. ومع ذلك، فإن العثور على المزيج المناسب من هذه الجزيئات أمر صعب؛ فأحياناً تتكتل مع بعضها البعض وتجعل الأمور أسوأ، وغالباً ما لا يستطيع نوع واحد من الجزيئات حل مشكلة الاحتكاك ومشكلة التآكل في آن واحد.

لقد وضع فريق من الباحثين في ماليزيا هدفهم لحل هذا اللغز من خلال اختبار مادتين مختلفتين تماماً: أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران، وهي أنابيب مجوفة قوية للغاية مكونة من ذرات الكربون، والبولي تترافلورو إيثيلين، وهو بلاستيك شائع معروف بكونه زلقاً للغاية. وقد خلطوا هذه المواد في زيت أساس مستخلص من بذور الجاتروفا، وهو نوع من الزيوت النباتية، ليروا ما إذا كان الجمع بينهما سيخلق مزلقاً فائقاً يتفوق على أي من المادتين عند استخدامهما بمفردهما. كان هدفهم هو معرفة ما إذا كانت الأشكال والخصائص الفريدة لهذين المضافين يمكن أن تعمل معاً لحماية الأسطح الفولاذية تحت ضغط ثقيل، وهو سيناريو يحاقي الظروف القاسية داخل الآلات في العالم الحقيقي.

بدأ الباحثون بإعداد عدة دفعات من زيت الجاتروفا هذا، حيث تحتوي كل منها على كميات مختلفة من أنابب الكربون النانوية والمادة البلاستيكية المضافة. واستخدموا آلة اختبار قياسية تضغط ثلاث كرات فولاذية ضد كرة فولاذية رابعة بينما تقوم بتدويرها تحت حمل ثقيل، مما يحاكي التلامس الشديد الموجود في المحامل. واختبروا الزيت بإضافة أنابيب الكربون النانوية فقط، والبلاستيك فقط، ومزيج متنوع من الاثنين. وأظهرت النتائج أنه بينما ساعدت إضافة أي من المادتين بمفردها، إلا أن المزيج كان متفوقاً بمراحل. وتحديداً، فإن مزيجاً يحتوي على 0.8 بالمئة من أنابيب الكربون النانوية و0.4 بالمئة من البلاستيك قد خلق مزلقاً قلل الاحتكاك بين الكرات الفولاذية بأكثر من النصف وقلل التآكل في المعدن بنسبة تقارب 45 بالمئة مقارنة بالزيت النقي.

ولفهم سبب نجاح هذا المزيج بهذا الشكل الجيد، فحص الفريق أسطح الكرات الفولاذية بعد الاختبارات باستخدام مجاهر قوية. ووجدوا أن الزيت النقي ترك خدوشاً عميقة وخشنة على المعدن، مما يشير إلى ضرر كبير. في المقابل، كانت الكرات الفولاذية التي لُبنت بالمزيج أكثر نعومة، مع وجود خدوش أقل وعمق أقل. وكشف التحليل أن أنابيب الكربون النانوية والجزيئات البلاستيكية قد عملا معاً لتشكيل غشاء واقٍ على السطح الفليل. فقد عملت أنابيب الكربون النانوية، بهيكلها الشبيه بالأنابيب، مثل بكرات صغيرة ساعدت الأسطح على الانزلاق فوق بعضها البعض، بينما ملأت الجزيئات البلاستيكية الوديان والفجوات المجهرية، مما خلق طبقة ناعمة ومعالجة منعت المعدن من التلامس المباشر.

كما بحثت الدراسة في كيفية سلوك المزلق تحت ظروف مختلفة، مثل السرعات المتفاوتة والأحمال الأثقل. ظل المزيج مستقراً وفعالاً حتى مع زيادة الضغط، في حين عانى الزيت النقي في الحفاظ على طبقته الواقية. وقاس الباحثون سمك الغشاء الذي شكله المزيج ووجدوا أنه كافٍ لإبقاء الأسطح المعدنية منفصلة، مما يمنع التلامس المباشر الذي يسبب التآكل. كما أكدوا من خلال التحليل الكيميائي أن الجزيئات لم تكن مجرد مستقرة على السطح، بل كانت تتفاعل كيميائياً مع الفولاذ لإنشاء درع متين. وهذا يشير إلى أن الجمع بين أنابيب الكربون القوية والمدحرجة والبلاستيك الناعم يخلق تأثيراً تآزرياً، حيث يكون الكل أكبر من مجموع أجزائه.

في نهاية المطاف، يوضح هذا البحث أنه من خلال الاختيار الدقيق والجمع بين أنواع مختلفة من المضافات المجهرية، من الممكن إنشاء مزلقات تطيل عمر الآلات بشكل كبير وتقلل من فقدان الطاقة الناتج عن الاحتكاك. لقد أثبت المزيج المحدد من أنابيب الكربون النانوية والبلاستيك في الزيت النباتي أنه حل فعال للغاية لحماية الأسطح الفولاذية، مما يقدم مساراً واعداً نحو أنظمة ميكانيكية أكثر كفاءة ومتانة. وتوفر النتائج مثالاً واضحاً على كيفية إمكانية أن يؤدي فهم السلوك الفيزيائي للجزيئات الصغيرة إلى تحسينات عملية في كيفية جعل آلاتنا تعمل بسلاسة.