Name: in situ high pressure hydrogen tribological testing of common polymer materials used in the hydrogen delivery infrastructure
Uploaded: 2018-03-31T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 1 s
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Questa ricerca è stata eseguita presso laboratorio nazionale Pacific Northwest (PNNL), che è funzionato dal Battelle Memorial Institute per il Department of Energy (DOE) sotto contratto no. DE-AC05-76RL01830.

L'esperimento descritto qui richiede l'utilizzo di gas di idrogeno che è inodore, incolore e quindi non rilevabile dai sensi umani. L'idrogeno è altamente infiammabile e brucia con un blu quasi invisibile di fiamma e possa formare miscele esplosive in presenza di ossigeno. Alte pressioni superiori a 6,9 MPa aggiungere rischi di esplosione aggiuntive che devono essere pianificati in modo appropriato per in preparazione per qualsiasi test. Questa quantità di energia immagazzinata rappresenta un grave pericolo e pertanto due diligence, di pianificazione e di una sicurezza valutazione dovrà essere eseguite prima di eseguire tale esperimento per garantire che questi rischi sono mitigati. L'esperimento presentato qui viene eseguita conformemente alle precauzioni di sicurezza appropriate in un recipiente a pressione certificati American Society of Mechanical Engineers (ASME) con un disco di scoppio impostato a 34,5 MPa con adeguata ventilazione.
1. preparazione di azione dello strato di polimero
<ol><li>Applicare il prodotto detergente l'azione dello strato di polimero EDPM utilizzando una spugna non abrasiva e sciacquare sotto l'acqua per circa 3 minuti rimuovere gli oli e talco polvere applicata durante la produzione e il processo di spedizione.</li>
	<li>Asciugare in un forno di essiccazione all'85% della temperatura di lavoro del materiale, circa 75 ° C per EPDM, in polistirene per circa 72 ore per l'eventuale acqua residua dal lavaggio di auto.</li>
	<li>Spegnere il forno e lasciare raffreddare a temperatura ambiente all'interno del forno polimero materiale d'archivio foglio.</li>
	<li>Contrassegnare un angolo dello stock foglio con una freccia che punta verso l'alto del foglio di polimero. Questa freccia vi assisterà con identificazione di orientamento del foglio durante la generazione di coupon di campione, assicurando che i campioni tagliati dal foglio di polimero sarà costantemente dello stesso orientamento.</li>
	<li>Conservare il magazzino in polistirene a temperatura, umidità controllata ambiente vicino a 25% di umidità relativa prima dell'analisi tribologiche.</li>
</ol>2. generazione e montaggio esempio coupon
<ol><li>Mentre indossa la polvere senza guanti, contrassegnare l'azione dello strato di polimero con una freccia nella zona prevista cedola vicino freccia con la scritta durante la preparazione dello stock foglio polimerico tale che entrambe le frecce hanno lo stesso orientamento.</li>
	<li>Utilizzando uno stampo circolare del diametro di cm 2,222 e un maglio, bollo fuori un coupon di campione intorno al marchio di freccia.</li>
	<li>Allentare le viti esagonali fissare il morsetto di esempio su in situ tribometro, Rimuovi le viti a testa esagonale e precisione primavera dall'angolo più facilmente accessibile del morsetto del campione.</li>
	<li>Diapositiva esempio coupon nel morsetto di campione, avendo cura di assicurarsi che il campione è orientato con la freccia punta volto verso il basso e verso il retro del morsetto che è il lato più vicino alla piastra posteriore del tribometro.</li>
	<li>Sostituire la molla di precisione e vite tappo esagonale nell'angolo vuoto del campione morsetto e procedere a portata di mano serrare tutte e quattro le viti tappo esagonale del morsetto finché non è serrata, tale che il campione di elastomero è compresso dal 10% della sua altezza originaria. Assumendo un'altezza di campione di 0,318 cm, compressione del 10% può essere realizzato utilizzando un blocco calibro di 0,287 cm tra le due piastre del morsetto.</li>
</ol>3. preparare il tribometro In Situ
<ol><li>Posto un 2,413 cm calibro blocco tra la parete del tribometro e la slitta di campione, direttamente sotto la vite di azionamento. Assicurarsi che la casella di raccolta dati è disattivata, poi girare la catena di comando in senso orario per eseguire la slitta di campione, tale che il bordo della slitta è 2,413 cm dalla parete tribometro.</li>
	<li>Strofinare delicatamente la sfera d'acciaio della superficie del contatore con un panno o tovagliolo di carta privo di lanugine e un appropriato solvente quali l'acetone per circa 30 secondi fino a quando la superficie della superficie del contatore appare priva di eventuali detriti.</li>
	<li>Far scorrere il vettore superficie contatore bronzo e bronzo peso, un carico normale complessivo di 7,5 N, alla rotaia perpendicolare alla slitta campione, permettendo alla palla di contatore di scivolare tra il buco della serratura e riposare sul campione di polimero.</li>
	<li>Utilizzando una chiave a brugola e viti di bronzo, ricollegare il braccio di misura trasformatore differenziale variabile lineare (LVDT) al titolare della superficie di bronzo contatore, tale che il cilindro liberamente fluttuante di LVDT poggia sul braccio.</li>
	<li>Sistemare il morsetto che sostiene il LVDT in luogo o verso il basso tale che LVDT è misura vicino ad esso punto zero quindi serrare il morsetto per fissare il LVDT in luogo.</li>
	<li>Abbassare l'assieme tribometro nel recipiente a pressione, assicurando che il pozzetto termometrico nel bordo superiore del recipiente si abbassa nella fessura tra il tribometro e la parete del vaso.</li>
	<li>Avvolgere la guarnizione o-ring con un totale di due strati di nastro in PTFE. Questa operazione viene eseguita avvolgendo il nastro PTFE, tale che ogni ulteriore involucro si sovrappone approssimativamente metà del giro procedere fino ad andare due volte intorno al diametro del giunto circolare. Poi avvolgere il diametro dell'anello un tempo finale senza alcuna sovrapposizione. Una volta che l'o-ring è avvolto, inserirlo nella scanalatura nel labbro del recipiente a pressione.</li>
	<li>Prendendo in considerazione le etichette di cablaggio, ricollegare i fili di cinque per il motore tribometro, quattro fili di dati per la cella di carico e cinque fili di dati per il LVDT.</li>
</ol>4. il recipiente a pressione di tenuta
<ol><li>Abbassare la flangia superiore del recipiente a pressione per chiuderla, avendo cura di abbassare la flangia superiore delicatamente sul PTFE avvolto o-ring di tenuta.</li>
	<li>Inserire i bulloni nei fori numerati sulla flangia superiore indicata dal fabbricante in ordine crescente, fino a quando essi sono dito stretto.</li>
	<li>Utilizzando una chiave esagonale da manuale, serrare i bulloni della flangia in ordine crescente a portata di mano stretto e ripetere fino a quando non è più possono stringere i bulloni.</li>
	<li>A partire da 120 Nm e aumentando in incrementi di ~ 40 Nm, utilizzare una chiave dinamometrica alla coppia di bulloni a flangia in crescente per ogni incremento di ~ 40 Nm fino a quando essi sono serrati a 280 Nm.</li>
</ol>5. riempire il serbatoio di pressione
<ol><li>Ora che il recipiente a pressione è sigillato, collegare i raccordi gas al coperchio dell'autoclave e svuotare il recipiente a pressione con gas argon di bassa pressione (~0.55 MPa) per circa 1 ora fino a quando il tenore di ossigeno della nave scende sotto i 10 ppm utilizzando un sensore di ossigeno plumbed in l'output del recipiente a pressione.</li>
	<li>Lentamente (< 0,25 MPa/s) lavare il recipiente con gas idrogeno fino a 6,9 MPa, quindi lentamente sfiatare il gas alla pressione atmosferica. Ripetere il processo di consuntivazione altre due volte.</li>
	<li>Dopo aver sciacquato il recipiente a pressione, lentamente (< 0,25 MPa/s) riempire il recipiente a pressione con gas idrogeno fino a 13.75 MPa e permettono di riposare per 10 min in modo tale che la temperatura del gas all'interno del vaso equilibra a temperatura ambiente.</li>
	<li>Riempire il serbatoio a 20,7 MPa e attendere altri 10 min.</li>
	<li>Portare la nave fino a destinazione 27,6 MPa e Chiudi fuori tutte le valvole.</li>
	<li>Lasciare il campione di polimero in ammollo per almeno 12 ore nel gas di idrogeno prima di iniziare l'esperimento per consentire completa permeazione.</li>
</ol>6. esecuzione di esperimento
<ol><li>Doppio controllo che tutti i cavi di tipo pass-through uscendo il recipiente a pressione siano correttamente collegati al cablaggio etichettati associato alla casella di controllo tribometro e poi accendere il tribometro.</li>
	<li>Nel tribometro software imposta il tempo di esperimento per 1 ora a 0,1 cm/s velocità con una lunghezza di percorso di 0,140 cm. Questo corrisponde ad una distanza di circa 3,5 m.</li>
	<li>La cella di carico a vuoto e garantire che il LVDT segnala una profondità appropriata nel software tribometro che dovrebbe essere vicino a 0 mm.</li>
	<li>Iniziare l'esperimento.</li>
</ol>7. post-esperimento
<ol><li>Una volta completato l'esperimento, lentamente sfogare il recipiente a pressione di gas di idrogeno a circa 0,35 MPa/s, assicurando che la temperatura di nave di pressione non scenda sotto 0 ° C.</li>
	<li>Infine, risciacquare il volume del serbatoio di pressione con gas argon a pressione atmosferica per 10 minuti assicurare che non c'è nessun idrogeno rimanente all'interno del vaso.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Schlapbach, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Technology:+Hydrogen-fuelled+vehicles.">Technology: Hydrogen-fuelled vehicles.</a> Nature. 460 (7257), 809-811 (2009).</li><li>Jones, R., Thomas, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Materials for the Hydrogen Economy. , (2007).</li><li>Barth, R., Simons, K. L., San Marchi, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Polymers for Hydrogen Infrastructure and Vehicle Fuel Systems: Applications, Properties, and Gap Analysis. , 23-34 (2013).</li><li>Marchi, C., Somerday, B. P., Ref, M. 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Sci. Instrum. 88 (9), (2017).</li></ol>

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Tecniche correnti ex situ per prove tribologiche dei materiali polimerici richiedono campioni di essere esposti a idrogeno ad alta pressione, che sono poi depressurizzati prima di essere testati utilizzando un tribometro commerciale. 15 , 24 , 25 la metodologia di prova in questo protocollo è stata progettata per permettere di prove delle proprietà tribologiche dei campioni di polimero in un ambiente di alta pressione...

Negli ultimi anni, c'è stato grande interesse in idrogeno come un'emissione di potenziale zero o quasi zero emissioni carburante nei veicoli e fonti di energia stazionaria. Poiché idrogeno esiste come un gas a bassa densità a temperatura ambiente, maggior parte delle applicazioni utilizzano qualche forma di idrogeno compresso per il carburante. 1 , 2 un potenziale svantaggio di usando compresso, gas di idrogeno ad alta pressione è incompatibilità con molti materiali trovati all'interno di infrastrutture2,3,4 e applicazioni veicolari5 dove problemi di compatibilità sono combinati con temperatura e pressione ripetuta in bicicletta. Un ambiente di idrogeno puro è conosciuto per danneggiare componenti metallici, tra cui alcuni acciai e titanio attraverso i meccanismi differenti, compreso formazione di idruro, gonfiore, vesciche e infragilimento in superficie. 2 , 6 , 7 , 8 Non metallici componenti quali titanato zirconato di piombo (PZT) utilizzato in ceramica piezoelettrica hanno anche dimostrato suscettibile di degradazione a causa di effetto di incompatibilità di idrogeno come superficie vesciche e migrazione di piombo. 9 , 10 , 11 , 12 mentre questi esempi di danni dovuti all'esposizione di idrogeno sono stati studiati in precedenza, la compatibilità dei componenti di polimero all'interno di ambienti di idrogeno solo recentemente è diventato di interesse. 13 , 14 , 15 , 16 questo è in gran parte il risultato dei componenti metallici fornendo integrità strutturale nel nucleare e applicazioni di gas e petrolio, mentre i componenti di polimero di solito agiscono come barriere o guarnizioni. 17 , 18 , 19 , 20 di conseguenza, le proprietà di attrito e l'usura dei materiali polimerici all'interno di componenti quali il politetrafluoroetilene (PTFE) valvola sedili e fattori importanti di nitrile butadiene gomma (NBR) O-ring diventano nella loro capacità di funzionare.
Nel caso l'infrastruttura per l'idrogeno, componenti come valvole, compressori e serbatoi di stoccaggio contengono materiali polimerici che sono a contatto con superfici metalliche. L'interazione per attrito tra il polimero e superfici metalliche provoca usura di ciascuna delle superfici. La scienza della relazione tra l'attrito e l'usura delle due superfici interagenti è noto come tribologia. Polimeri tendono ad avere più bassi moduli elastici e forza più metallico, pertanto le proprietà tribologiche di materiali polimerici differiscono notevolmente da materiali metallici. Di conseguenza, le superfici polimeriche tendono a mostrare una maggiore usura e danni per attrito di contatto con una superficie metallica. 21 , 22 in un'applicazione di infrastruttura di idrogeno, la rapida pressione e la temperatura ciclismo cause interazione ripetuta tra il polimero e superfici metalliche, aumentando la probabilità di attrito e usura sul componente polimero. Quantificare questo danno può essere difficile ex situ a causa della possibile decompressione esplosiva del campione di polimero dopo depressurizzazione che potrebbe causare danni non tribologiche. 23 inoltre, molti prodotti di polimero commerciale contengono molte cariche e additivi come ossido di magnesio (MgO) che potrebbero interagire negativamente con l'idrogeno attraverso hydriding, complicando ulteriormente ex situ analisi di usura in questi materiali. 24 , 25
A causa della complessità di differenziazione fra danni al materiale polimero causato durante la depressurizzazione e danni dovuti a usura tribologiche ex situ, c'è la necessità di studiare direttamente le proprietà di attrito dei materiali non metallici in situ all'interno di un ambiente di idrogeno ad alta pressione che è probabile che esistano all'interno dell'infrastruttura di consegna di idrogeno. In questo protocollo, dimostriamo un test metodologia sviluppata per quantificare l'attrito e l'usura proprietà dei materiali polimerici in un ambiente di idrogeno ad alta pressione che utilizza un tribometro appositamente costruito in situ . 26 ... presentiamo anche rappresentante dati acquisiti utilizzando il tribometro in situ e gomma etilene propilene diene monomero (EPDM), un comune polimero tenuta e materiale barriera. Il materiale EPDM per il quale rappresentante dei dati è stati generati utilizzando il protocollo qui sotto è stato acquistato in fogli quadrati 60,96 cm con uno spessore di 0,3175 cm ed è stato segnalato dal venditore per una valutazione di durezza di 60A.

<table><tbody><tr><td>EPDM Polymer Stock Sheet</td><td>McMaster-Carr</td><td>8525T68</td><td>24&quot; x 24&quot;, 1/8&quot; Thick</td></tr><tr><td>Pressure Vessel, Autoclave</td><td>Fluitron Inc.</td><td>8308-1788-U</td><td>5&quot; diameter, 1&#039; height</td></tr><tr><td>High Purity Hydrogen Gas</td><td>Praxair</td><td>HY4.5</td><td>Grade 4.5, 5ppm O2, 5 ppm H20</td></tr><tr><td>O2 Sensor</td><td>Advanced Micro Instruments</td><td>T2</td><td>0-5ppm min. range, 10,0000ppm max.</td></tr><tr><td>Pre-purified Argon Gas</td><td>Oxarc</td><td>LCCO-HP818</td><td>High-purity, 99.998%</td></tr><tr><td>Liquid Dishwashing Detergent</td><td>McMaster-Carr</td><td>98365T89</td><td>32 oz pour bottle, lemon scented</td></tr><tr><td>Mildew Resistant Sponge</td><td>McMaster-Carr</td><td>7309T1</td><td>6&quot; long x 3 -1/2&quot; Wide x 1&quot; High, yellow</td></tr><tr><td>PTFE Pipe Thread Sealant Tape</td><td>McMaster-Carr</td><td>4591K12</td><td>1/2&quot; wide, white color</td></tr><tr><td>Gas Tube Fittings</td><td>Swagelok</td><td>SS-400-1-4</td><td>1/4&quot; OD, stainless steel, male NPT threading</td></tr><tr><td>Hammer Driven Die</td><td>McMaster-Carr</td><td>3427A22</td><td>7/8&quot; Hammer driven hole punch</td></tr><tr><td>Linear Variable Differential Transformer</td><td>Omega</td><td>LD320-2.5&amp;nbsp;</td><td>2.5mm, AC output, guided w/spring</td></tr><tr><td>Autoclave O-ring Seal</td><td>Fluitron Inc.</td><td>A-4511</td><td>Hastelloy C-276, 5-3/4&quot; OD x 5&quot; ID x 3/8&quot;</td></tr><tr><td>Torque Wrench</td><td>McMaster-Carr</td><td>85555A422</td><td>Adjustable Torque-Limiting Wrench, Quick-Release, 1/2&quot; Square Drive, 50-250 ft.-lbs. Torque</td></tr><tr><td>Mallet</td><td>McMaster-Carr</td><td>5939A11</td><td>Hard and Extra-Hard Rubber Hammer, 2-1/4 lbs.</td></tr><tr><td>iLoad Mini Capacitive Load Sensor</td><td>Loadstar Sensors</td><td>MFM-050-050-S*C03</td><td>50 lb, U Calibration, 0.5% Accuracy, Steel</td></tr></tbody></table>

in situ high pressure hydrogen tribological testing of common polymer materials used in the hydrogen delivery infrastructure

Gas di idrogeno ad alta pressione è conosciuto per influenzare negativamente i componenti metallici di compressori, valvole, tubi flessibili e attuatori. Tuttavia, relativamente poco è conosciuto circa gli effetti dell'idrogeno ad alta pressione sui materiali di tenuta e barriera di polimero inoltre trovati all'interno di questi componenti. Più studio è necessaria al fine di determinare la compatibilità dei materiali polimerici comuni trovati nei componenti dell'infrastruttura di consegna del combustibile di idrogeno con l'idrogeno ad alta pressione. Di conseguenza, è importante considerare i cambiamenti nelle proprietà fisiche quali attrito e usura in situ , mentre il polimero è esposto a idrogeno ad alta pressione. In questo protocollo, presentiamo un metodo per verificare l'attrito e proprietà di campioni di elastomero etilene propilene diene monomero (EPDM) di usura in un 28 ambiente di idrogeno ad alta pressione MPa utilizzando un custom-built in situ lineare pin-su-piatto alternativo tribometro. Risultati rappresentativi da questo test sono presentati che indicano che il coefficiente di attrito tra il EPDM esempio tagliando e superficie d'acciaio contro è aumentato di idrogeno ad alta pressione rispetto il coefficiente di attrito misurato allo stesso modo in dell'aria ambiente.

Utilizzando la metodologia presentata, il coefficiente di cinetico fattore di attrito e l'usura per un campione elastomerico può essere misurato in un ambiente di idrogeno ad alta pressione. Rappresentativo dei dati presentati nella Figura 1 mostrano che in un ambiente di idrogeno ad alta pressione forza maggiore è richiesta per spostare campioni di polimero EPDM sotto la superficie di acciaio contatore. Utilizzando la relazione tra la normale forza FN...

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In Situ High Pressure Hydrogen Tribological Testing of Common Polymer Materials Used in the Hydrogen Delivery Infrastructure

È dimostrato un metodo di prova per quantificare le proprietà tribologiche dei polimeri utilizzati nel servizio di infrastruttura dell'idrogeno e risultati caratteristici per un comune elastomero sono discussi.

In Situ Alta pressione idrogeno tribologica test dei comuni materiali polimerici utilizzati nell'infrastruttura di consegna di idrogeno

High pressure hydrogen gas is known to adversely affect metallic components of compressors, valves, hoses, and actuators. However, relatively little is ...

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Engineering

In Situ High Pressure Hydrogen Tribological Testing of Common Polymer Materials Used in the Hydrogen Delivery Infrastructure

7.5K Views.  Pacific Northwest National Laboratory. È dimostrato un metodo di prova per quantificare le proprietà tribologiche dei polimeri utilizzati nel servizio di infrastruttura dell'idrogeno e risultati caratteristici per un comune elastomero sono discussi.

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A Testing Platform for Durability Studies of Polymers and Fiber-reinforced Polymer Composites under Concurrent Hygrothermo-mechanical Stimuli

The durability of polymers and fiber-reinforced polymer composites under service condition is a critical aspect to be addressed for their robust designs and condition-based maintenance. These materials are adopted in a wide range of engineering applications, from aircraft and ship structures, to bridges, wind turbine blades, biomaterials and biomedical implants. Polymers are viscoelastic materials, and their response may be highly nonlinear and thus make it challenging to predict and monitor their in-service performance. The laboratory-scale testing platform presented herein assists the investigation of the influence of concurrent mechanical loadings and environmental conditions on these materials. The platform was designed to be low-cost and user-friendly. Its chemically resistant materials make the platform adaptable to studies of chemical degradation due to in-service exposure to fluids. An example of experiment was conducted at RT on closed-cell polyurethane foam samples loaded with a weight corresponding to ~50% of their ultimate static and dry load. Results show that the testing apparatus is appropriate for these studies. Results also highlight the larger vulnerability of the polymer under concurrent loading, based on the higher mid-point displacements and lower residual failure loads. Recommendations are made for additional improvements to the testing apparatus.

The durability of polymers and fiber-reinforced polymer composites in service is a critical aspect for their designs and condition-based maintenance. We present a novel low-cost laboratory testing platform for the investigation of the influence of concurrent mechanical and environmental loadings, and may help design more efficient yet safer composite structures.

Una piattaforma di prova per una durata Studi di polimeri e fibra-Reinforced Polymer Composites sotto Stimoli Concurrent Hygrothermo-meccanico

The durability of polymers and fiber-reinforced polymer composites under service condition is a critical aspect to be addressed for their robust designs ...

Ricerca

Ingegneria

Atomically Traceable Nanostructure Fabrication

Reducing the scale of etched nanostructures below the 10 nm range eventually will require an atomic scale understanding of the entire fabrication process being used in order to maintain exquisite control over both feature size and feature density. Here, we demonstrate a method for tracking atomically resolved and controlled structures from initial template definition through final nanostructure metrology, opening up a pathway for top-down atomic control over nanofabrication. Hydrogen depassivation lithography is the first step of the nanoscale fabrication process followed by selective atomic layer deposition of up to 2.8 nm of titania to make a nanoscale etch mask. Contrast with the background is shown, indicating different mechanisms for growth on the desired patterns and on the H passivated background. The patterns are then transferred into the bulk using reactive ion etching to form 20 nm tall nanostructures with linewidths down to ~6 nm. To illustrate the limitations of this process, arrays of holes and lines are fabricated. The various nanofabrication process steps are performed at disparate locations, so process integration is discussed. Related issues are discussed including using fiducial marks for finding nanostructures on a macroscopic sample and protecting the chemically reactive patterned Si(100)-H surface against degradation due to atmospheric exposure.

We report a protocol for combining the atomic metrology of the Scanning Tunneling Microscope for surface patterning with selective Atomic Layer Deposition and Reactive Ion Etching. Using a robust process involving numerous atmospheric exposures and transport, 3D nanostructures with atomic metrology are fabricated.

Atomicamente tracciabile nanostrutture

Reducing the scale of etched nanostructures below the 10 nm range eventually will require an atomic scale understanding of the entire fabrication process ...

Experiments on Ultrasonic Lubrication Using a Piezoelectrically-assisted Tribometer and Optical Profilometer

Friction and wear are detrimental to engineered systems. Ultrasonic lubrication is achieved when the interface between two sliding surfaces is vibrated at a frequency above the acoustic range (20 kHz). As a solid-state technology, ultrasonic lubrication can be used where conventional lubricants are unfeasible or undesirable. Further, ultrasonic lubrication allows for electrical modulation of the effective friction coefficient between two sliding surfaces. This property enables adaptive systems that modify their frictional state and associated dynamic response as the operating conditions change. Surface wear can also be reduced through ultrasonic lubrication. We developed a protocol to investigate the dependence of friction force reduction and wear reduction on the linear sliding velocity between ultrasonically lubricated surfaces. A pin-on-disc tribometer was built which differs from commercial units in that a piezoelectric stack is used to vibrate the pin at 22 kHz normal to the rotating disc surface. Friction and wear metrics including effective friction force, volume loss, and surface roughness are measured without and with ultrasonic vibrations at a constant pressure of 1 to 4 MPa and three different sliding velocities: 20.3, 40.6, and 87 mm/sec. An optical profilometer is utilized to characterize the wear surfaces. The effective friction force is reduced by 62% at 20.3 mm/sec. Consistently with existing theories for ultrasonic lubrication, the percent reduction in friction force diminishes with increasing speed, down to 29% friction force reduction at 87 mm/sec. Wear reduction remains essentially constant (49%) at the three speeds considered.

We present a protocol for using a piezoelectrically-assisted tribometer and optical profilometer to investigate the dependence of ultrasonic wear and friction reduction on linear velocity, contact pressure, and surface properties.

Esperimenti su ultrasuoni lubrificazione Utilizzando un tribometro piezoelettrico-assistita e Profilometro ottico

Friction and wear are detrimental to engineered systems. Ultrasonic lubrication is achieved when the interface between two sliding surfaces is vibrated at ...

Quantification of Hydrogen Concentrations in Surface and Interface Layers and Bulk Materials through Depth Profiling with Nuclear Reaction Analysis

Nuclear reaction analysis (NRA) via the resonant 1H(15N,&#945;&#947;)12C reaction is a highly effective method of depth profiling that quantitatively and non-destructively reveals the hydrogen density distribution at surfaces, at interfaces, and in the volume of solid materials with high depth resolution. The technique applies a 15N ion beam of 6.385 MeV provided by an electrostatic accelerator and specifically detects the 1H isotope in depths up to about 2 &#956;m from the target surface. Surface H coverages are measured with a sensitivity in the order of ~1013 cm-2 (~1% of a typical atomic monolayer density) and H volume concentrations with a detection limit of ~1018 cm-3 (~100 at. ppm). The near-surface depth resolution is 2-5 nm for surface-normal 15N ion incidence onto the target and can be enhanced to values below 1 nm for very flat targets by adopting a surface-grazing incidence geometry. The method is versatile and readily applied to any high vacuum compatible homogeneous material with a smooth surface (no pores). Electrically conductive targets usually tolerate the ion beam irradiation with negligible degradation. Hydrogen quantitation and correct depth analysis require knowledge of the elementary composition (besides hydrogen) and mass density of the target material. Especially in combination with ultra-high vacuum methods for in-situ target preparation and characterization, 1H(15N,&#945;&#947;)12C NRA is ideally suited for hydrogen analysis at atomically controlled surfaces and nanostructured interfaces. We exemplarily demonstrate here the application of 15N NRA at the MALT Tandem accelerator facility of the University of Tokyo to (1) quantitatively measure the surface coverage and the bulk concentration of hydrogen in the near-surface region of a H2 exposed Pd(110) single crystal, and (2) to determine the depth location and layer density of hydrogen near the interfaces of thin SiO2 films on Si(100).

We illustrate the application of 1H(15N,&#945;&#947;)12C resonant nuclear reaction analysis (NRA) to quantitatively evaluate the density of hydrogen atoms on the surface, in the volume, and at an interfacial layer of solid materials. The near-surface hydrogen depth profiling of a Pd(110) single crystal and of SiO2/Si(100) stacks is described.

La quantificazione delle concentrazioni di idrogeno in superficie e di interfaccia Livelli e materiale sfuso attraverso profili di profondità con l&#39;analisi reazione nucleare

Nuclear reaction analysis (NRA) via the resonant 1H(15N,&#945;&#947;)12C reaction is a highly effective method of depth profiling that quantitatively and ...

Protocol for Relative Hydrodynamic Assessment of Tri-leaflet Polymer Valves

Limitations of currently available prosthetic valves, xenografts, and homografts have prompted a recent resurgence of developments in the area of tri-leaflet polymer valve prostheses. However, identification of a protocol for initial assessment of polymer valve hydrodynamic functionality is paramount during the early stages of the design process. Traditional in vitro pulse duplicator systems are not configured to accommodate flexible tri-leaflet materials; in addition, assessment of polymer valve functionality needs to be made in a relative context to native and prosthetic heart valves under identical test conditions so that variability in measurements from different instruments can be avoided. Accordingly, we conducted hydrodynamic assessment of i) native (n = 4, mean diameter, D = 20 mm), ii) bi-leaflet mechanical (n= 2, D = 23 mm) and iii) polymer valves (n = 5, D = 22 mm) via the use of a commercially available pulse duplicator system (ViVitro Labs Inc, Victoria, BC) that was modified to accommodate tri-leaflet valve geometries. Tri-leaflet silicone valves developed at the University of Florida comprised the polymer valve group. A mixture in the ratio of 35:65 glycerin to water was used to mimic blood physical properties. Instantaneous flow rate was measured at the interface of the left ventricle and aortic units while pressure was recorded at the ventricular and aortic positions. Bi-leaflet and native valve data from the literature was used to validate flow and pressure readings. The following hydrodynamic metrics were reported: forward flow pressure drop, aortic root mean square forward flow rate, aortic closing, leakage&#160;and regurgitant volume, transaortic closing, leakage, and total energy losses. Representative results indicated that hydrodynamic metrics from the three valve groups could be successfully obtained by incorporating a custom-built assembly into a commercially available pulse duplicator system and subsequently, objectively compared to provide insights on functional aspects of polymer valve design.

There has been renewed interest in developing polymer valves. Here, the objectives are to demonstrate the feasibility of modifying a commercial pulse duplicator to accommodate tri-leaflet geometries and to define a protocol to present polymer valve hydrodynamic data in comparison to native and prosthetic valve data collected under near-identical conditions.

Protocollo per la relativa valutazione idrodinamica del Tri-volantino Polymer Valvole

Limitations of currently available prosthetic valves, xenografts, and homografts have prompted a recent resurgence of developments in the area of ...

Bioingegneria

Synthesis and Testing of Supported Pt-Cu Solid Solution Nanoparticle Catalysts for Propane Dehydrogenation

A convenient method for the synthesis of bimetallic Pt-Cu catalysts and performance tests for propane dehydrogenation and characterization are demonstrated here. The catalyst forms a substitutional solid solution structure, with a small and uniform particle size around 2 nm. This is realized by careful control over the impregnation, calcination, and reduction steps during catalyst preparation and is identified by advanced in situ synchrotron techniques. The catalyst propane dehydrogenation performance continuously improves with increasing Cu:Pt atomic ratio.

A convenient method for the synthesis of 2 nm supported bimetallic nanoparticle Pt-Cu catalysts for propane dehydrogenation is reported here. In situ synchrotron X-ray techniques allow for the determination of the catalyst structure, which is typically unobtainable using laboratory instruments.

Sintesi e test di sostanza solida Pt-Cu sostenuta Catalizzatori di nanoparticelle per la deidrogenazione del propano

A convenient method for the synthesis of bimetallic Pt-Cu catalysts and performance tests for propane dehydrogenation and characterization are ...

Chimica

Determining Tribocorrosion Rate and Wear-Corrosion Synergy of Bulk and Thin Film Aluminum Alloys

The increasing complexity and severity of service conditions in areas, such as aerospace and marine industries, nuclear systems, microelectronics, batteries, and biomedical devices, etc., impose great challenges on the reliable performance of alloys exposed to extreme conditions where mechanical and electrochemical attack co-exist. Finding ways for alloys to mitigate the combined attack of wear and corrosion (i.e., tribocorrosion) under such extreme conditions is thus highly critical for improving their reliability and service lifetime when used in such conditions. The challenge lies in the fact that wear and corrosion are not independent of each other, but rather work synergistically to accelerate the total material loss. Thus, a reliable method to evaluate the tribocorrosion resistance of metals and alloys is needed. Here, a protocol for measuring the tribocorrosion rate and wear-corrosion synergy of Al-based bulk and thin film samples in a corrosive environment under room temperature is presented.

Here, we present a protocol to measure the tribocorrosion rate and wear-corrosion synergy of thin film and bulk Al alloys in simulated sea water at room temperature.

Determinare il tasso di tribocorrosione e sinergia di usura-corrosione delle leghe di alluminio alla rinfusa e Thin Film

The increasing complexity and severity of service conditions in areas, such as aerospace and marine industries, nuclear systems, microelectronics, ...

Hydrogen Charging of Aluminum using Friction in Water

A new method of hydrogen charging of aluminum was developed by means of a friction in water (FW) procedure. This procedure can easily introduce high amounts of hydrogen into aluminum based on the chemical reaction between water and non-oxide coated aluminum.

In order to introduce high amounts of hydrogen in aluminum and aluminum alloys, a new method of hydrogen charging was developed, called the friction in water procedure.

Carica a idrogeno di alluminio con attrito in acqua

A new method of hydrogen charging of aluminum was developed by means of a friction in water (FW) procedure. This procedure can easily introduce high ...

Microfluidic Fabrication Techniques for High-Pressure Testing of Microscale Supercritical CO2 Foam Transport in Fractured Unconventional Reservoirs

Pressure limitations of many microfluidic platforms have been a significant challenge in microfluidic experimental studies of fractured media. As a result, these platforms have not been fully exploited for direct observation of high-pressure transport in fractures. This work introduces microfluidic platforms that enable direct observation of multiphase flow in devices featuring surrogate permeable media and fractured systems. Such platforms provide a pathway to address important and timely questions such as those related to CO2 capture, utilization and storage. This work provides a detailed description of the fabrication techniques and an experimental setup that may serve to analyze the behavior of supercritical CO2 (scCO2) foam, its structure and stability. Such studies provide important insights regarding enhanced oil recovery processes and the role of hydraulic fractures in resource recovery from unconventional reservoirs. This work presents a comparative study of microfluidic devices developed using two different techniques: photolithography/wet-etching/thermal-bonding versus Selective Laser-induced Etching. Both techniques result in devices that are chemically and physically resistant and tolerant of high pressure and temperature conditions that correspond to subsurface systems of interest. Both techniques provide pathways to high-precision etched microchannels and capable lab-on-chip devices. Photolithography/wet-etching, however, enables fabrication of complex channel networks with complex geometries, which would be a challenging task for laser etching techniques. This work summarizes a step-by-step photolithography, wet-etching and glass thermal-bonding protocol and, presents representative observations of foam transport with relevance to oil recovery from unconventional tight and shale formations. Finally, this work describes the use of a high-resolution monochromatic sensor to observe scCO2 foam behavior where the entirety of the permeable medium is observed simultaneously while preserving the resolution needed to resolve features as small as 10 &#181;m.

Microfluidic Fabrication Techniques for High-Pressure Testing of Microscale Supercritical CO2 Foam Transport in Fractured Unconventional Reservoirs

This paper describes a protocol along with a comparative study of two microfluidic fabrication techniques, namely photolithography/wet-etching/thermal-bonding and Selective Laser-induced Etching (SLE), that are suitable for high-pressure conditions. These techniques constitute enabling platforms for direct observation of fluid flow in surrogate permeable media and fractured systems under reservoir conditions.

Tecniche di fabbricazione microfluidiche per test ad alta pressione del trasporto supercritico in schiuma di CO2 su microscala in serbatoi non convenzionali fratturati

Pressure limitations of many microfluidic platforms have been a significant challenge in microfluidic experimental studies of fractured media. As a ...

Hydrogen Production and Utilization in a Membrane Reactor

Industrial hydrogenation consumes ~11 Mt of fossil-derived H2 gas yearly. Our group invented a membrane reactor to bypass the need to use H2 gas for hydrogenation chemistry. The membrane reactor sources hydrogen from water and drives reactions using renewable electricity. In this reactor, a thin piece of Pd separates an electrochemical hydrogen production compartment from a chemical hydrogenation compartment. The Pd in the membrane reactor acts as (i) a hydrogen-selective membrane, (ii) a cathode, and (iii) a catalyst for hydrogenation. Herein, we report the use of atmospheric mass spectrometry (atm-MS) and gas chromatography mass spectrometry (GC-MS) to demonstrate that an applied electrochemical bias across a Pd membrane enables efficient hydrogenation without direct H2 input in a membrane reactor. With atm-MS, we measured a hydrogen permeation of 73%, which enabled the hydrogenation of propiophenone to propylbenzene with 100% selectivity, as measured by GC-MS. In contrast to conventional electrochemical hydrogenation, which is limited to low concentrations of starting material dissolved in a protic electrolyte, the physical separation of hydrogen production from utilization in the membrane reactor enables hydrogenation in any solvent or at any concentration. The use of high concentrations and a wide range of solvents is particularly important for reactor scalability and future commercialization.

Membrane reactors enable hydrogenation in ambient conditions without direct H2 input. We can track the hydrogen production and utilization in these systems using atmospheric mass spectrometry (atm-MS) and gas chromatography mass spectrometry (GC-MS).

Produzione e utilizzo dell'idrogeno in un reattore a membrana

Industrial hydrogenation consumes ~11 Mt of fossil-derived H2 gas yearly. Our group invented a membrane reactor to bypass the need to use H2 gas for ...

In Situ Alta pressione idrogeno tribologica test dei comuni materiali polimerici utilizzati nell'infrastruttura di consegna di idrogeno

Riepilogo

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