پوشش‎های سخت با روانسازی تطبیقی دما بالا و مدیریت حرارتی محل تماس

Hard coatings with high temperature adaptive lubrication

and contact thermal management

پوشش‎های سخت با روانسازی تطبیقی دما بالا و مدیریت حرارتی محل تماس

ABSTRACT

Progress in the design and exploration of hard coatings with high temperature adaptive behavior in tribological contacts is reviewed. When coupled with most recent surface engineering strategies for high temperature contact thermal management, this progress opens a huge opportunity for adaptive coating applications on machine parts, where oils and coolants are commonly used. The adaptive mechanisms discussed here include metal diffusion and formation of lubricant phases at worn surfaces, thermally- and mechanically-induced phase transitions in hexagonal solids, contact surface tribo-chemical evolutions to form phases with low melting point, formation of easy to shear solid oxides, and others. All of these adaptive mechanisms are combined in nanocomposite coatings with synergistic self-adaptation of surface structure and chemistry to lubricate from ambient temperatures to 1000 °C and provide surface chemical and structural reversibility during temperature cycling to maintain low friction coefficients. The review also highlights emerging surface adaptive concepts, where advances with ab initio modeling of intrinsically layered solids point to new compositions for thermally stable, easy to shear ceramic coatings, load- and temperature-adaptive surfaces with arrays of compliant carbon and boron nitride nanotubes as well as low friction two-dimensional structures. Approaches for self-regulation of coating thermal conductivity, heat flow, and thermal spike mitigations are discussed in the context of surface structure evolution and phase transitions. Future progress is linked to the development of in situ exploration techniques, capable of identifying adaptive surface chemistry and structural evolutions in broad temperature regimes. When combined with predictive modeling, such approaches drastically accelerate adaptive coating developments. The review identifies opportunities, strategies, and challenges for designs and applications of hard coatings with high temperature adaptive lubrication and contact thermal management.

   جهت دانلود رایگان نسخه لاتین این مقاله اینجا کلیک کنید .

چکیده

پیشرفت در طراحی و شناسایی پوشش‎های سخت با رفتار تطبیقی دما بالا در اتصالات سایشی (تریبولوژیکی) بررسی شده است. هنگامی این پیشرفت که با جدیدترین استراتژی‎های مهندسی سطح برای مدیریت حرارتی محل تماس دما بالا همراه شود، فرصتی استثنایی را برای کاربردهای پوشش‎دهی تطبیقی در قطعات دستگاه که معمولا روغن و سردکننده‎ها در آن استفاده می‎شوند فراهم می‎آورد. مکانیزم‎های تطبیقی که که در اینجا بدان پرداخته شده است، شامل نفوذ فلز و تشکیل فازهای روانساز در سطوح ساییده شده، تحولات فازی ناشی از رفتارهای حرارتی- مکانیکی در جامدات هگزاگونال (شش‎وجهی)، تحولات تریبوشیمیایی برای تشکیل فازهای با نقطه‎ی ذوب پایین، تشکیل اکسیدهای جامد آسان برش (easy to shear) و دیگر موارد است. تمامی این مکانیزم‎های تطبیقی در پوشش‎های نانوکامپوزیت با اثر هم افزاینده خودتطبیقی ساختار و ترکیب شیمیایی سطح برای روانسازی از دمای اتاق تا 1000℃ ترکیب می‎شوند و برگشت‎پذیری ساختاری و شیمیایی سطح را در طی چرخه‎ی دمایی به منظور حفظ ضرایب اصطکاکی پایین فراهم می‎سازند.این بررسی همچنین مفاهیم تطبیقی سطح پدیدار شده را برجسته ساخته که با مدلسازی اولیه مربوط به جامدات ذاتا لایه‎ای برای رسیدن به ترکیبات جدید برای پوشش های از نظر گرمایی پایدار ، سرامیکی آسان برش، سطوح تطبیق شونده با دما و بارگذاری که دارای ردیف هایی از نانولوله های کربن سازگار و نیترید بور هستند و همچنین ساختارهای دو بعدی با اصطکاک پایین به پیش می‎رود. روش های مربوط به خودتنظیمی ضریب رسانایی حرارتی پوشش، سیلان حرارتی و کاهش تغییرات شدید حرارتی پوشش در مفهوم تحولات ساختار سطح و تحولات فازی بررسی شده است. پیشرفت‎های آتی به توسعه‎ی روش‎های اکتشاف درجا، توانایی شناسایی ترکیب سطحی تطبیقی و تحولات ساختاری در رژیم‎های دمایی وسیع مرتبط می‎گردد. زمانی که چنین روش هایی با مدلسازی پیش‎بینی کننده ترکیب می‎گردند، پیشرفت‎های پوشش‎دهی تطبیقی را به شدت تسریع می‎ کنند. این بررسی، فرصت‎ها، استراتژی‎ها و چالش‎ها را برای طراحی و کاربرد پوشش‎های سخت با روانسازی تطبیقی دما بالا و مدیریت حرارتی اتصال شناسایی می‎کند.