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Ridurre le perdite tra le aree di contatto

Sistemi meccanici quali cambi e pistoni presentano parti mobili che generano attrito e perdite di energia. Un modello ibrido in grado di integrare descrizioni atomistiche e del continuum delle interfacce scorrevoli sta aprendo la strada alla creazione di progettazioni ottimizzate in grado di garantire un potenziamento dell’efficienza.
Ridurre le perdite tra le aree di contatto
Sporgenze irregolari (asperità) di dimensioni estremamente piccole subiscono l’azione di forze di taglio e pressioni elevate, che causano, a loro volta, aderenza, flussi plastici e talvolta anche fratture. L’aumento dell’attrito determina un’impennata dei consumi energetici che, oltre a condurre a una riduzione del livello di efficienza del sistema meccanico, contribuisce all’aumento delle emissioni di biossido di carbonio (CO2).

Una conoscenza più approfondita del modo in cui il flusso plastico e la frattura contribuiscono alla formazione di attrito consente di ottimizzare superfici e rivestimenti per ridurre al minimo l’attrito, il consumo di energia e le emissioni di CO2. Ciò richiede una conoscenza dettagliata delle scale comprese tra i nanometri (atomistiche) e i millimetri (visibili a occhio nudo) dell’evoluzione della struttura di superficie durante la deformazione plastica.

Nell’ambito del progetto TOPOGRAPHY EVOLUTION, scienziati finanziati dall’UE hanno compiuto enormi progressi sul piano dello sviluppo del modello di accoppiamento per l’adattamento della scala dimensionale. Il modello incentrato sul continuum si basa sulla risoluzione dei problemi vincolati al contorno o sistemi di equazioni differenziali con ulteriori vincoli relativi alle condizioni fisiche al contorno (utilizzando la funzione di Green). Questo metodo è stato integrato in algoritmi di dinamica molecolare all’avanguardia, mentre il secondo metodo fornisce un perfetto accoppiamento tra un sistema atomistico e un contorno elastico.

I calcoli su scala atomica consentono di prevedere le modifiche apportate dall’aderenza all’area di contatto, nonché le condizioni che determinano la “collosità” delle superfici. Tali dati si rivelano utili nell’ambito dello sviluppo di adesivi potenziati oltre che nella progettazione di sistemi in grado di garantire un livello di aderenza minimo. Il modello ha inoltre offerto importanti prospettive sul piano delle modifiche causate dalla geometria atomica e dalla plasticità alla distribuzione della pressione e all’area di contatto in un solido atomico.

I ricercatori hanno infine studiato il carbonio amorfo, ovvero un materiale di rivestimento con una resistenza all’usura superiore, allo scopo di comprendere la deformazione plastica nelle giunzioni asperità-asperità. Sono stati quindi dimostrati eventi di deformazione di taglio localizzati dal punto di vista spaziale, che consentono di individuare il danno sull’interfaccia e di prevenire un’estesa deformazione sub-superficie e il danno nel materiale di rivestimento.

Il nuovo modello ibrido atomistico prodotto da TOPOGRAPHY EVOLUTION sta aumentando la comprensione dell'aderenza e della plasticità nei sistemi meccanici con limiti di interfaccia. Ciò contribuirà a ottimizzare le strutture e i rivestimenti delle superfici per ridurre l'attrito, il consumo energetico e le emissioni di CO2.

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Keywords

Sistemi meccanici, attrito, atomistico, continuum, asperità, evoluzione topografica