علم الاحتكاك المتطرف

يشير مصطلح "علم الاحتكاك المتطرف" إلى حالات الاحتكاك التي تحدث في ظل ظروف تشغيل قاسية، والتي قد ترتبط بأحمال و/أو درجات حرارة عالية ، أو بيئات قاسية . كما قد ترتبط هذه الحالات بظروف تلامس عابرة عالية، أو بظروف يصعب فيها المراقبة والصيانة . وبشكل عام، يمكن تصنيف الظروف المتطرفة عادةً على أنها تنطوي على تعرض غير طبيعي أو مفرط لعوامل مثل البرودة ، أو الحرارة ، أو الضغط ، أو الفراغ ، أو الجهد الكهربائي ، أو المواد الكيميائية المسببة للتآكل ، أو الاهتزاز ، أو الغبار . ^{[ 1 ]} ينبغي أن تشمل الظروف المتطرفة أي جهاز أو نظام يتطلب استخدام مادة تشحيم يعمل في ظل أي من الظروف التالية: ^{[ 2 ]}

• يتجاوز مواصفات تصميم الآلات الأصلية .
• خارج نطاق المعايير المحيطة الأصلية للآلات.
• التطبيق في موقع حساس بيئياً.
• يتجاوز مواصفات تصميم مواد التشحيم الأصلية.

يمثل التشغيل في مثل هذه الظروف القاسية تحديًا لعلماء الاحتكاك لتطوير أنظمة احتكاكية قادرة على تلبية هذه المتطلبات القاسية. غالبًا ما تكون المواد متعددة الوظائف هي الوحيدة التي تلبي هذه المتطلبات. ^{[ 3 ]}

أدى تطور البشرية إلى ظهور تقنيات وأجهزة ومواد ومعالجات سطحية جديدة ، مما استلزم استخدام مواد تشحيم وأنظمة تشحيم مبتكرة. وبالمثل، لم يكن تطوير القطارات فائقة السرعة والطائرات ومحطات الفضاء وأقراص الحاسوب الصلبة والغرسات الاصطناعية والأنظمة الطبية الحيوية وغيرها من الأنظمة الهندسية ممكنًا إلا بفضل التقدم في علم الاحتكاك . وتتطلب التحديات في علم الاحتكاك، بما في ذلك الاستدامة وتغير المناخ والتدهور التدريجي للبيئة، حلولًا جديدة ونهجًا مبتكرة. ^{[ 4 ]}

في العديد من تطبيقات علم الاحتكاك، تتعرض مكونات النظام لدرجات حرارة قصوى (عالية جدًا أو منخفضة للغاية). ومن أمثلة هذه التطبيقات صناعات الطيران والفضاء ، والتعدين ، وتوليد الطاقة ، وتشكيل المعادن ، ومصانع الصلب. في علم الاحتكاك، يُعتبر التطبيق عاملاً عند درجات حرارة مرتفعة عندما يصبح استخدام مواد التشحيم التقليدية، كالزيوت والشحوم ، غير فعال بسبب تحللها السريع عند حوالي 300  درجة مئوية. وقد طُوّرت مواد تشحيم ذكية ومتعددة الوظائف كفئة جديدة من المواد تتميز بزيادة الأمان، والمتانة على المدى الطويل، وتقليل تكاليف الإصلاح قدر الإمكان. صُممت هذه المواد لتكون ذاتية التشخيص ، وذاتية الإصلاح ، وذاتية التعديل. تشمل هذه المواد موادًا هيكلية/تشحيمية متكاملة، ومواد تشحيم مضادة للإشعاع ، ومواد تشحيم موصلة أو عازلة، وغيرها. عند درجات الحرارة المنخفضة وفي البيئات المبردة ، قد تتصلب مواد التشحيم السائلة أو تصبح شديدة اللزوجة، ما يؤدي إلى فقدان فعاليتها. من جهة أخرى، أثبتت الدراسات أن مواد التشحيم الصلبة عادةً ما تكون أفضل من مواد التشحيم السائلة أو الشحوم. ومن أكثر مواد التشحيم الصلبة شيوعًا _في درجات الحرارة المنخفضة جدًا : متعدد رباعي فلورو الإيثيلين ، والبولي كربونات ، وثنائي كبريتيد التنجستن (WS₂ )، وثنائي كبريتيد الموليبدينوم (MoS₂ ₎ . إضافةً إلى ذلك، يُمكن استخدام الجليد كمادة تشحيم فعّالة في بيئات درجات الحرارة المنخفضة جدًا ، إذ يُوفر آلية تشحيم ذاتي، بمعنى أنه لا يتطلب أي آلية فعّالة لتوفير مادة التشحيم.

يتمثل الاختلاف الجوهري الذي يميز علم الاحتكاك الميكروي / النانوي عن علم الاحتكاك الماكروي التقليدي في أن علم الاحتكاك الميكروي/النانوي يدرس الاحتكاك والتآكل بين جسمين ينزلقان نسبيًا ، وتتراوح أبعادهما من المقاييس الميكروية إلى المقاييس الجزيئية والذرية . تشير الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) إلى الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة التي يتراوح طولها المميز بين 100 نانومتر و1 مليمتر، بينما تشير الأنظمة الكهروميكانيكية النانوية ( NEMS) إلى الأنظمة الكهروميكانيكية النانوية التي يقل طولها المميز عن 100 نانومتر. ^{[ 5 ]} يواجه تطوير فهم أساسي لعلم الاحتكاك ، وتلوث الأسطح، والبيئة في الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة/النانوية تحديات كبيرة. أحد هذه التحديات في مثل هذه الحالات الاحتكاكية المتطرفة هو قوة الالتصاق التي قد تصل إلى مليون ضعف قوة الجاذبية . ويعود ذلك إلى أن قوة الالتصاق تتناقص خطيًا مع الحجم، بينما تتناقص قوة الجاذبية مع مكعب الحجم. تُعد الطلاءات الكارهة للماء ذات الطاقة السطحية المنخفضة والمطبقة على أسطح الأكاسيد واعدة لتقليل الالتصاق وتراكم الشحنات الساكنة. ^{[ 6 ]}   

في بيئة الفراغ ، يُعدّ تحقيق متانة مقبولة للمكونات الاحتكاكية تحديًا، نظرًا لاحتمالية تجمد أو تبخر أو تحلل مادة التشحيم، ما يؤدي إلى فقدان فعاليتها. وتختلف الخصائص الاحتكاكية للمواد في فراغ الفضاء عنها في الضغط الجوي . ويُعدّ التآكل الالتصاقي والتآكل الناتج عن الإجهاد من أهم أنواع التآكل التي تُصادف في بيئة الفراغ . ولا يؤثر الفراغ بشكل جذري على سلوك التآكل للمعادن والسبائك المتلامسة فحسب ، بل يمتد تأثيره ليشمل المواد غير المعدنية أيضًا. ^{[ 7 ] [ 8 ]} ويجري تطوير أنواع جديدة من المواد التي يُحتمل أن تعمل في بيئات الفراغ. على سبيل المثال، سبيكة النحاس والزنك (CuZn).₃₉ رصاص₃ وNi_{تتمتع سبائك السيليكون والتيتانيوم} (Si,Ti)بخصائص ممتازة لمقاومة التآكل في جميع ظروف الفراغ. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} أنواعمواد التشحيم الصلبةالمستخدمة فيالفضائية:

• أغشية المعادن اللينة : الذهب والفضة والرصاص والإنديوم والباريوم .​
• المواد الصلبة الصفائحية: ثاني كبريتيد الموليبدينوم ، ثاني كبريتيد التنجستن ، يوديد الكادميوم ، يوديد الرصاص ، ثاني سيلينيد الموليبدينوم ، الجرافيت المتداخل ، الجرافيت المفلور ، والفثالوسيانينات.
• البوليمرات : بولي تترافلوروإيثيلين ، بولي إيميدات ، إيثيلين بروبيلين مفلور، بولي إيثيلين ذو وزن جزيئي فائق UHMWPE ، بولي إيثر إيثر كيتون ، بولي أسيتال ، وراتنجات الإيبوكسي .
• مواد أخرى ذات قوة قص منخفضة : فلوريدات الكالسيوم والليثيوم والباريوم والعناصر الأرضية النادرة ؛ كبريتيدات البزموت والكادميوم ؛ وأكاسيد الرصاص والكادميوم والكوبالت والزنك .​​​

الطريقة الأكثر شيوعًا لاستخدام مواد التشحيم الصلبة هي تطبيقها على سطح معدني على شكل طبقة رقيقة من مادة لينة، عادةً ما تكون ثاني كبريتيد الموليبدينوم ، يتم ترسيبها صناعيًا على الأسطح. تُبنى طبقات مواد التشحيم الصلبة ذرةً ذرة، مما ينتج عنه طبقة سطحية قوية ميكانيكيًا ذات عمر خدمة طويل وبأقل كمية ممكنة من مادة التشحيم الصلبة.

صاغ هارمن بلوك مصطلح " علم الاحتكاك الجيولوجي " لأول مرة دون نقاش يُذكر. ^{[ 12 ]} لاحقًا، استُخدم إطار علم الاحتكاك الجيولوجي لتحليل ميكانيكا تدفق الرمال الحبيبية. ^{[ 13 ]} على الرغم من إمكانية تطبيق مفاهيم علم الاحتكاك على العديد من ظواهر علوم الأرض ، إلا أن مجتمعي البحث في هذين المجالين منفصلان. في علوم الأرض ، طُبقت العديد من مفاهيم علم الاحتكاك تباعًا، لا سيما في تحليلات احتكاك الصخور . طُبقت آلية تلامس النتوءات على تجارب احتكاك الصخور ، مما أدى إلى قانون الاحتكاك القائم على معدل الحالة، والذي يسود في تحليلات الزلازل . ^{[ 14 ]}

تؤثر المناطق ذات الغبار الكثيف والبيئات المتربة بشكل كبير على مواد التشحيم نظرًا لارتفاع خطر تلوثها بالجسيمات . تُشكل هذه الملوثات بسهولة عجينة كاشطة، مما يؤدي إلى تعطل أنظمة الاحتكاك وتلف المعدات. يحدث هذا النوع من التلوث غالبًا عندما تدخل الجسيمات المحمولة جوًا أو الراكدة إلى نظام التشحيم عبر المنافذ والفتحات المفتوحة، خاصةً في الأنظمة ذات الضغط السلبي. يُعزى نصف فقدان فعالية المحامل إلى التآكل . هذا التآكل، الذي يحدث من خلال الاحتكاك السطحي والإجهاد والالتصاق ، غالبًا ما يكون نتيجة لتلوث الجسيمات.

في البيئات الإشعاعية ، قد تتحلل مواد التشحيم السائلة . ويمكن لمواد التشحيم الصلبة المناسبة أن تطيل عمر تشغيل الأنظمة إلى ما بعد 10⁶ ^راد مع الحفاظ على معاملات احتكاك منخفضة نسبيًا.

في المركبات الفضائية والمركبات الجوالة ذات الوزن المحدود، يتميز التشحيم الصلب بوزنه الأخف بكثير من التشحيم السائل . إن الاستغناء عن مواد التشحيم السائلة (أو الحد من استخدامها) واستبدالها بمواد تشحيم صلبة من شأنه أن يقلل وزن المركبة الفضائية ، وبالتالي سيؤثر بشكل كبير على مدى المهمة وقدرة المركبة على المناورة .

• https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20000057374.pdf
• https://link.springer.com/referencework/10.1007/978-0-387-92897-5