Synergistic Friction and Wear Reduction in CuSn10-Modified Basalt Fiber-Reinforced Epoxy Composites via Protic Ionic Liquid and Graphene Nanolubrication
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि CuSn10 ब्रोंज-संशोधित बेसाल्ट फाइबर-प्रबलित एपॉक्सी कंपोजिट को ग्राफीन-विक्षेपित प्रोटिक आयनिक तरल नैनोलुब्रिकेंट्स के साथ संयोजित करने से घर्षण और घिसाव में महत्वपूर्ण कमी आती है, जिसमें ग्राफीन-संवर्धित सिट्रेट PIL इष्टतम प्रदर्शन प्रदान करता है और ब्रोंज फिलर पर्याप्त ड्राई-स्लाइडिंग स्थायित्व प्रदान करता है।
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मशीनों की दुनिया में, दो सतहें लगातार एक-दूसरे से रगड़ खाती हैं, कार के इंजन के गियर से लेकर एक भारी दरवाजे के कब्जों तक। यह रगड़ घर्षण (friction) पैदा करती है, जो ऊष्मा के रूप में ऊर्जा को नष्ट करती है, और घिसावट (wear), जो सामग्रियों को तब तक धीरे-धीरे घिसती रहती है जब तक कि वे विफल न हो जाएं। दशकों से, इंजीनियर इन अंतःक्रियाओं को अधिक सुचारू और लंबे समय तक चलने वाला बनाने के तरीके खोज रहे हैं, अक्सर विशेष स्नेहक (lubricants) जोड़ने या स्वयं सामग्रियों को मजबूत करने के माध्यम से। कंपोजिट (composites) से जुड़ी एक आशाजनक श्रेणी शामिल है, जो धातु से अधिक हल्का और मजबूत बनाने के लिए एक चिपचिपे रेजिन में मजबूत रेशों को बुनकर बनाई जाती है। हालांकि, ये फाइबर-प्रबलित प्लास्टिक (fiber-reinforced plastics) अपने आप में अभी भी खुरदरे हो सकते हैं, और स्टील के विरुद्ध फिसलते समय जल्दी घिस जाते हैं। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ता एक दोहरी पद्धति का पता लगा रहे हैं: सामग्री को अधिक टिकाऊ बनाने के लिए उसे बदलना और उन्नत तरल स्नेहकों को जोड़ना जो चलते हुए हिस्सों के बीच एक सुरक्षात्मक ढाल बनाते हैं।
रोमानिया और स्पेन के विश्वविद्यालयों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में यह जांच की कि बेसाल्ट फाइबर (basalt fibers) से प्रबलित एक विशिष्ट प्रकार के कंपोजिट को स्लाइडिंग स्थितियों में कैसे बहुत लंबे समय तक टिकाया जा सकता है। बेसाल्ट फाइबर ज्वालामुखी चट्टान से आते हैं और अपनी मजबूती और ताप-प्रतिरोध के लिए जाने जाते हैं, लेकिन उन्हें एक साथ रखने वाला एपॉक्सी रेजिन घर्षण के प्रति बहुत अधिक कठोर नहीं होता है। वैज्ञानिकों ने इस सामग्री के दो संस्करणों का परीक्षण किया: एक जो पूरी तरह से रेशों और रेजिन से बना था, और दूसरा जिसमें रेजिन में कांस्य (bronze) पाउडर का मिश्रण मिलाया गया था। इसके बाद उन्होंने इन सामग्रियों को एक स्थिर दबाव के तहत एक स्टील की गेंद के विरुद्ध स्लाइड किया, और उन्होंने दो परिदृश्यों में परीक्षण किया: पहले, बिना किसी स्नेहक के, और दूसरे, चार अलग-अलग प्रकार के विशेष तरल स्नेहकों के साथ। ये स्नेहक प्रोटिक आयनिक तरल पदार्थों (protic ionic liquids) पर आधारित थे, जो ऐसे लवण (salts) हैं जो कमरे के तापमान पर तरल रहते हैं और सतहों पर पतली, स्थिर फिल्में बनाने के लिए जाने जाते हैं। दो तरल पदार्थों का उपयोग उनके शुद्ध रूप में किया गया था, जबकि अन्य दो में ग्राफीन (graphene) के सूक्ष्म फ्लेक्स मिले हुए थे, जो एक अति-पतली कार्बन सामग्री है, यह देखने के लिए कि क्या संयोजन और भी बेहतर काम करेगा।
परिणामों ने दिखाया कि स्नेहकों ने बहुत बड़ा अंतर पैदा किया। जब सामग्रियां बिना किसी तरल के फिसल रही थीं, तो घर्षण अधिक था, और सतहें अपेक्षाकृत जल्दी घिस गईं। हालांकि, जैसे ही शोधकर्ताओं ने आयनिक तरल स्नेहक लगाए, घर्षण नाटकीय रूप से गिर गया, कई मामलों में 90 प्रतिशत से अधिक कम हो गया। तरल पदार्थों में ग्राफीन जोड़ने से सतहें और भी चिकनी हो गईं और इसने सामग्रियों को लगभग तुरंत एक स्थिर स्लाइडिंग अवस्था में स्थापित होने में मदद की, जिससे वह खुरदरा प्रारंभिक दौर समाप्त हो गया जो अक्सर ऐसे परीक्षणों में देखा जाता है। सबसे प्रभावी संयोजन एक विशिष्ट साइट्रेट-आधारित तरल था जिसमें ग्राफीन की थोड़ी मात्रा मिली हुई थी, जिसने घिसावट की दर को उस स्तर तक कम कर दिया जो बिना संशोधित शुष्क सामग्री की तुलना में लगभग दो क्रम (two orders of magnitude) कम था।
शायद सबसे आश्चर्यजनक खोज यह थी कि कांस्य पाउडर ने खेल को कैसे बदल दिया। बिना किसी तरल स्नेहक के भी, कांस्य कणों वाला कंपोजिट सादे संस्करण की तुलना में बहुत कम घिसा। कांस्य ने एक छिपे हुए सहायता तंत्र की तरह काम किया; कठोर धातु के कण कुछ भारी काम संभाल लेते थे, जिससे नाजुक बेसाल्ट रेशों को स्टील की गेंद के सीधे संपर्क से बचाया जा सका। इसका मतलब था कि कांस्य-प्रबलित सामग्री शुष्क परिस्थितियों में पहले से ही अच्छा प्रदर्शन कर रही थी, लेकिन जब शोधकर्ताओं ने ग्राफीन-वर्धित स्नेहक जोड़ा, तो सुरक्षा असाधारण हो गई। कांस्य के कण और ग्राफीन-तरल फिल्म मिलकर काम करते हैं, जो एक मिश्रित परत बनाते हैं जो क्षति के प्रति अविश्वसनीय रूप से प्रतिरोधी है।
शोधकर्ताओं ने यह समझने के लिए कि वास्तव में इन सुधारों को क्या संचालित कर रहा है, शक्तिशाली सांख्यिकीय उपकरणों का उपयोग किया। उन्होंने पाया कि घर्षण के लिए, उपयोग किए गए तरल का प्रकार सबसे महत्वपूर्ण कारक था, जो सुधार के बड़े हिस्से के लिए जिम्मेदार था। सामग्री स्वयं इस बात के लिए कम महत्वपूर्ण थी कि सतह कितनी चिकनी महसूस होती है। हालांकि, घिसावट प्रतिरोध (wear resistance) के लिए कहानी अलग थी। सामग्री के प्रकार ने बहुत बड़ी भूमिका निभाई, जो तरल के समान ही महत्वपूर्ण योगदान दे रही थी। इसने पुष्टि की कि कांस्य कणों ने तरल के स्वतंत्र रूप से, सामग्री को घिसने से रोकने के लिए भारी काम किया। अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि कांस्य के कण केवल वहां पड़े नहीं थे; स्लाइडिंग के दौरान, वे सतह पर थोड़ा फैल गए, जिससे वे स्नेहक के साथ मिलकर रेशों और रेजिन दोनों को ढकने वाली एक सुरक्षात्मक ढाल बनाने लगे।
यह कार्य अधिक टिकाऊ मशीनें बनाने के लिए एक स्पष्ट मार्ग का सुझाव देता है। यदि किसी मशीन के हिस्से को नियमित रूप से स्नेहित (lubricate) नहीं किया जा सकता है, तो सामग्री में कांस्य पाउडर मिलाने से उसका जीवनकाल काफी बढ़ सकता है। यदि स्नेहन संभव है, तो कांस्य-प्रबलित सामग्री पर ग्राफीन-वर्धित आयनिक तरल का उपयोग करना सर्वोत्तम संभव सुरक्षा प्रदान करता है, जो घर्षण और घिसावट दोनों को काफी कम कर देता है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि ये निष्कर्ष उनके द्वारा परीक्षण की गई स्थितियों के लिए विशिष्ट हैं, लेकिन एक भार-वहन करने वाले धातु भराव (metal filler) और एक ग्राफीन-आधारित तरल स्नेहक का संयोजन, बुशिंग, गाइड या हल्के वजन वाले बेयरिंग जैसे वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों में, जहाँ वजन और स्थायित्व महत्वपूर्ण हैं, कंपोजिट को अधिक लंबा चलाने के लिए एक शक्तिशाली रणनीति प्रतीत होता है।
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