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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이 연구에는 평화로운 북 서 국립 연구소 (PNNL), Battelle 기념탑 학회 운영에 대 한 학과의 에너지 (DOE) 계약 번호에서 수행 되었다 드-AC05-76RL01830입니다.

여기에 설명 된 실험은 무 취, 무색, 그리고 따라서 인간의 감각에 의해 탐지 수소 가스의 사용을 해야 합니다. 수소는 가연성이 고 거의 보이지 않는 파란색 불꽃 화상과 양식 수 산소의 폭발성 혼합물. 6.9 MPa 이상의 높은 압력 모든 테스트에 대 한 준비에 대 한 적절 하 게 계획 해야 합니다 추가 폭발 위험을 추가 합니다. 이 저장 된 에너지이 양은 심각한 안전 위험 나타내고 그러므로 당연한 노력, 계획, 및 안전 평가 수행 해야 합니다 이러한 위험 완화는 되도록 같은 실험을 수행 하기 전에. 여기에 제시 된 실험 적절 한 환기와 34.5 MPa로 설정 파열 디스크는 미국 기계 기술자 협회 (ASME) 인증된 압력 용기에 적절 한 안전 조치에 따라 수행 됩니다.
1. 폴리머 시트 재고 준비
<ol><li>EDPM 폴리머 시트 재고 비 연마 스폰지를 사용 하 여 세제를 적용 하 고 오일을 제거 하 고 활석 분말 제조 및 배송 프로세스 동안 적용 하 약 3 분 동안 물에서 씻어.</li>
	<li>어떤 물 세척에서 남아 있는 드라이브에 약 72 시간 동안 폴리머 시트 재료의 작동 온도, EPDM, 약 75 ° C의 85%에서 건조 오븐에서 건조.</li>
	<li>오븐 끄고 오븐 안에 실내 온도에 냉각 폴리머 시트 재고 물자를 허용.</li>
	<li>폴리머 시트 위쪽을 가리키는 화살표와 함께 시트 재고의 한 모서리를 표시 합니다. 이 화살표는 샘플 폴리머 시트에서 잘라 동일한 방향을 일관 되 게 될 것입니다 보장 샘플 쿠폰 생성 하는 동안 시트의 방향을 식별과 도움이 됩니다.</li>
	<li>실내 온도에서 고분자 소재 시트, 습도 제어 환경 tribological 테스트 이전에 25% 상대 습도 근처를 저장 합니다.</li>
</ol>2. 생성 하 고 샘플 쿠폰을 장착
<ol><li>분말을 입고 장갑 무료, 폴리머 시트 재고 폴리머 시트 재고의 준비 하는 동안 같은 두 화살표는 동일한 방향을 표시 하는 화살표 근처 의도 쿠폰 지역에 화살표와 함께 표시.</li>
	<li>Using 2.222 cm 직경 원형 다 고 망치, 샘플 쿠폰 화살표 마크 주위에 밖으로 스탬프.</li>
	<li>Tribometer 현장에서 여자 마법사 모자 나사와 정밀 스프링 샘플 클램프의 가장 쉽게 접근할 수 모퉁이에서 제거에 샘플 클램프를 고정 하는 16 진수 캡 나사를 풉니다.</li>
	<li>슬라이드 샘플 쿠폰 샘플을 확인 하도록 샘플 클램프에는 화살표와 함께 얼굴 아래로 클램프는 tribometer의 백 플레이트에 가장 가까운 쪽은 뒤쪽으로 지적 했다.</li>
	<li>바꾸기 정밀 봄, 샘플의 빈 모서리에 육각 캡 스크류 클램프와 손을 진행 되도록 탄성 샘플은 그것의 원래 높이의 10%에 의해 압축 아늑한까지 클램프의 육 모자 나사 4를 조입니다. 가정 0.318 cm 샘플 높이, 10% 압축 클램프의 2 개의 격판덮개 사이 0.287 cm 게이지 블록을 사용 하 여 얻을 수 있습니다.</li>
</ol>3. 제자리에서 Tribometer 준비
<ol><li>장소 2.413 cm는 tribometer의 벽 사이 드라이브 나사 바로 아래 샘플 썰매 블록 게이지. 데이터 수집 상자 꺼져 다음 드라이브 체인 썰매의 가장자리는 tribometer 벽에서 2.413 cm 샘플 썰매를 다시 시계 방향으로 모션에 다는 것을 확인 하십시오.</li>
	<li>부드럽게 카운터 표면의 표면 어떤 파편의 무료 나타날 때까지 약 30 초간 부드러운 헝겊 또는 보풀 없는 종이 타월 및 아세톤 등 적절 한 용 매는 카운터의 강철 볼을 닦으십시오.</li>
	<li>청동 카운터 표면 캐리어와 청동 무게, 열쇠 구멍으로 사이 슬라이드 및 폴리머 샘플에 카운터 볼 수 있도록 샘플 썰매에 수직 레일에 7.5 N의 총 정상 부하를 밉니다.</li>
	<li>팔에 달려있다 고 LVDT의 자유롭게 떠 있는 실린더는 16 진수 키 및 2 개의 청동 색 나사 using, 청동 카운터 표면 홀더를 선형 가변 차동 트랜스포머 (LVDT) 측정 팔을 다시 연결 합니다.</li>
	<li>장소에 LVDT를 견디고 클램프 조정 또는 아래로 LVDT 근처의 측정은 그런 영점 조여 장소에 LVDT를 확보 하기 위해 클램프.</li>
	<li>Tribometer 어셈블리에 압력 용기에는 tribometer와 그릇의 벽 사이 간격으로 그릇의 상단 플랜지에서 thermowell 낮출 것 이다 보장 낮은.</li>
	<li>씰링 포장 PTFE 테이프의 2와 1/2 층의 총 오 링. 이 각 추가 포장 겹치는 약 절반 진행 무릎의 o-링의 직경 주위에 두 번가까지 PTFE 테이프를 배치 하 여 수행 됩니다. 다음에 o-링의 직경 어떤 오버랩 없이 마지막 시간 랩. O-링 포장 되 면 압력 용기의 입술에서 홈에 놓습니다.</li>
	<li>계정으로 배선 레이블 tribometer 모터에 대 한 5 개의 전원 와이어, 4 개의 데이터 로드 셀에 대 한 전선과 5 데이터 전선은 LVDT 다시 연결 합니다.</li>
</ol>4. 압력 용기 씰링
<ol><li>낮은 압력 용기를 닫습니다, PTFE에 부드럽게 상단 플랜지 낮은 돌의 상단 플랜지 o-링 밀봉 포장.</li>
	<li>제조 업체 들은 손가락 꽉 때까지 오름차순으로 표시 하는 상단 플랜지에 번호가 매겨진된 구멍에 볼트를 삽입 합니다.</li>
	<li>수동 16 진수 키를 사용 하 여 오름차순 손을 꽉 플랜지 볼트 토크 하 고 볼트 강화 이상 수 때까지 반복.</li>
	<li>120에서 시작 Nm와 ~ 40 Nm 단위로 증가 토크 오름차순 각 ~ 40 Nm 증가 대 한 때까지 그들은 torqued는 280을 플랜지 볼트를 토크 렌치를 사용 하 여 Nm.</li>
</ol>5. 충전 압력 용기
<ol><li>이제 압력 용기 밀폐 가스 피팅 압력솥 뚜껑에 연결 하 고 혈관의 산소 함유량에 plumbed 산소 센서를 사용 하 여 10 ppm 이하로 떨어질 때까지 약 1 시간에 대 한 낮은 압력 (~0.55 MPa) 아르곤 가스로 압력 용기를 플러시 압력 용기의 출력입니다.</li>
	<li>천천히 (< 0.25 MPa/s) 6.9 MPa까지 수소 가스와 용기를 플러시 다음 천천히 대기 압력의 가스를 환기. 물 내리는 과정이 두 번 더 반복 합니다.</li>
	<li>압력 용기를 천천히 내리는 후 (< 0.25 MPa/s) 압력 용기 13.75 MPa까지 수소 가스를 선박 내의 가스의 온도 실내 온도에 equilibrates는 10 분 동안 휴식을 배 허용.</li>
	<li>20.7 mpa 배와 다른 10 분 기다립니다.</li>
	<li>대상 27.6까지 용기를가지고 MPa 주변에서 모든 밸브.</li>
	<li>완전 한 침투 수 있도록 실험을 시작 하기 전에 적어도 12 h 수소 가스에 대 한 흡수 폴리머 샘플을 수 있습니다.</li>
</ol>6. 실험 실행
<ol><li>압력 용기를 종료 하는 모든 통과 전선 이라는 배선 하네스 tribometer 제어 상자에 연결 된에 올바르게 연결 하 고는 tribometer에 설정 하는 두 번 확인 합니다.</li>
	<li>tribometer에서 소프트웨어 0.140 cm의 경로 길이 0.1 cm/s 속도로 1 시간 실험 시간을 설정합니다. 이 약 3.5 m의 거리에 해당합니다.</li>
	<li>로드 셀을 포장 하는 LVDT 0 m m 가까이 있어야 하는 tribometer 소프트웨어에 적절 한 깊이 보고는 확인 합니다.</li>
	<li>실험을 시작 합니다.</li>
</ol>7입니다. 후 실험
<ol><li>실험 완료 되 면 천천히 환기 약 0.35 MPa/s, 압력 용기 온도 0 ° c 삭제 되지 않습니다 보장에 수소 가스의 압력 용기</li>
	<li>마지막으로, 선박 내에서 아무 남아 있는 수소는 되도록 10 분 동안 대기 압력에서 아르곤 가스로 압력 용기 볼륨 플러시.</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>

저자는 공개 없다.

고분자 재료의 tribological 테스트용 현재 원래의 전 기법 필요 고압 수소에 노출 되기 전에 depressurized 다음 샘플 상업적인 tribometer를 사용 하 여 테스트. 15 , 24 , 25 이 프로토콜 테스트 방법론의 높은 압력 환경 제자리에서 폴리머 샘플 tribological 속성의 테스트를 허용 하도록 설계 되었습니다. 그들은 가압 하는 하는...

최근 몇 년 동안에서 가능성 제로 방출으로 수소에 큰 관심 또는 차량 및 고정 전원에 0에 가까운 방출 연료 되었습니다. 실 온에서 저밀도 가스로 수소 있으므로 대부분의 응용 프로그램 연료 압축된 수소의 일종을 사용 합니다. 1 , 2 압축을 사용 하 여 잠재적인 단점은, 고압 수소 가스는 호환 인프라2,,34 시간과 차량 응용 프로그램5 자료 많은 곳 호환성 문제는 반복적인된 압력 및 온도와 결합 된다 자전거. 순수 수소 환경 특정 철강 등 금속 부품 손상 알려져 있으며 수소 형성, 붓기를 포함 하는 다른 메커니즘을 통해 티타늄 표면에 젖어, 그리고 취. 2 , 6 , 7 , 리드 zirconate 타이타늄 (압) 압 전 세라믹에 사용 된 같은 8 비금속 구성 요소는 또한 표면 젖어 리드 마이그레이션 등 수소 호환성 효과 저하에 취약 입증 했다. 9 , 10 , 11 , 12 수소 노출 때문에 손상의이 예제는 이전 공부 하는 동안 수소 환경에서 폴리머 컴포넌트의 호환성 최근에 되고있다 관심의. 13 , 14 , 15 , 16 이 폴리머 구성 요소 일반적으로 장벽 또는 물개로 작동 하는 반면 핵에 구조적 무결성 및 석유 및 가스 응용 프로그램을 제공 하는 금속 부품의 주로 결과 이다. 17 , 18 , 19 , 20 그 결과, 소계 (PTFE) 같은 구성 요소 내에서 폴리머 재료의 마찰 및 마모 특성 밸브 시트와 니트 릴 부 타 디 엔 고무 (NBR) O-링 될 중요 한 요소 기능을 그들의 능력에.
수소 인프라의 경우 밸브, 압축기, 저장 탱크 등의 구성 요소는 금속 표면에 접촉 하는 고분자 재료를 포함. 폴리머와 금속 표면 사이 마찰 상호 작용의 각 표면 마모에 발생합니다. 마찰과 마모 두 상호 작용 표면 사이의 관계의 과학 원상으로 알려져 있습니다. 고분자는 금속 보다 강도와 낮은 탄성 계수를가지고 하는 경향이, 따라서 tribological 속성 고분자 재료의 금속 재료에서 크게 다릅니다. 그 결과, 폴리머 표면 금속 표면 마찰 접촉 후 큰 마모와 손상을 전시 하는 경향이. 21 , 22 는 수소 인프라 응용 프로그램, 급속 한 압력 및 온도 사이클링 폴리머와 금속 표면 간의 원인 반복된 상호 작용의 가능성을 높일 마찰 하 고 폴리머 구성 요소에 착용. 이 손상 측정 원래의 전 depressurization 비 tribological 손상을 일으킬 수 있습니다 후 폴리머 샘플의 가능한 폭발적인 감압으로 전하실 수 있습니다. 23 또한, 많은 상업적인 폴리머 제품 포함 많은 필러 및 산화 마그네슘 (MgO) hydriding에 착용의 분석 해 라 전 더 복잡 통해 수소 가스와 부정적인 상호 작용 하는 등 첨가제 재료입니다. 24 , 25
Depressurization 및 tribological 착용 해 라 전하는 동안 발생 하는 고분자 재료에 손상을 구별의 복잡, 직접 비금속 재료 현장에서의 마찰 특성 연구 필요성이 있다 수소 배달 인프라 내에서 존재 하는 것은 고압 수소 환경 내에서. 이 프로토콜에서 설명 하는 테스트 방법론 개발 마찰 계량 및 목적 위치에 tribometer를 이용 하 여 고압 수소 환경에서 착용 하는 고분자 재료의 속성. 26 우리는 또한 제자리에 tribometer 및 에틸렌 프로필 렌 디 엔 단위체 (EPDM) 고무, 일반적인 중합체 씰링 및 격 벽 재료를 사용 하 여 인수 대표 데이터를 제시. EPDM 소재는 데이터 아래 프로토콜을 사용 하 여 생성 된 대표 0.3175 cm 두께 60.96 cm 정사각형 시트에서 구매 하 고 60A 경도 평가 하는 공급 업체에 의해 보고 되었다.

<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

고압 수소 가스는 압축기, 밸브, 호스, 및 액츄에이터의 금속 부품을 저하로 알려져 있다. 그러나, 상대적으로 작은 중합체 씰링 및 자료 또한 이러한 구성 요소 내에서 발견에 고압 수소의 효과 대 한 알려져 있다. 더 연구는 고압 수소와 수소 연료 배달 인프라의 구성 요소에서 발견 하는 일반적인 고분자 재료의 호환성을 결정 하기 위해 필요 합니다. 결과적으로, 그것은 마찰 등 물리적 특성의 변화를 고려 하 고 중합체는 고압 수소에 노출 하는 동안 제자리에 착용 하는 것이 중요. 이 프로토콜에서 우리는 마찰을 테스트 하기 위한 방법을 제시 하 고 에틸렌 프로필 렌 디 엔 단위체 (EPDM) 탄성 중합체 샘플의 속성을 사용 하는 사용자 위치에 핀에 편평한 선형 왕복 28 MPa 고압 수소 환경에서 착용 tribometer입니다. 이 테스트는 대표적인 결과 EPDM 샘플 쿠폰 및 철강 카운터 표면 사이의 마찰 계수 측정 마찬가지로 마찰 계수에 비해 고압 수소에 증가 하는 것이 나타내는 제시 주변 공기입니다.

제시 하는 방법론을 사용 하 여, 탄성 샘플 운동 마찰과 마모 요인의 계수는 고압 수소 환경에서 측정할 수 있습니다. 그림 1 에서 제시 하는 대표적인 데이터 표시는 고압 수소 환경에 더 큰 힘 강철 카운터 표면 아래 EPDM 고분자 샘플을 이동 하는 데 필요한. 관계를 사용 하 여 정상 사이 FN 과 마찰력 FK 마찰 계수 µ, EPDM 샘플 사이 강?...

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

수소 인프라 서비스에 사용 되는 고분자의 tribological 속성을 측정을 위한 테스트 방법을 설명 하 고 일반적인 엘라 스토 머에 대 한 특성 결과 설명.

제자리에서 고압 수소 Tribological 수소 공급 인프라에 사용 되는 일반적인 고분자 재료의 테스트

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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Research

JoVE Journal

Engineering

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

7.5K 조회수.  Pacific Northwest National Laboratory. 수소 인프라 서비스에 사용 되는 고분자의 tribological 속성을 측정을 위한 테스트 방법을 설명 하 고 일반적인 엘라 스토 머에 대 한 특성 결과 설명.

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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.

폴리머의 내구성 연구 및 동시 Hygrothermo 기계적 자극에 따라 섬유 강화 고분자 복합 재료에 대한 테스트 플랫폼

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

연구

공학

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.

원자 추적 가능한 나노 구조 제작

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.

초음파 윤활에 대한 실험은 압전 이용한 마찰 계 및 광학 프로파일로 사용

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.

핵 반응 분석과 깊이 프로파일 링을 통해 표면 및 인터페이스 레이어 및 대량 재료의 수소 농도의 정량화

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.

트라이 전단지 폴리머 밸브의 상대 유체 역학 평가를위한 프로토콜

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

생체공학

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.

프로판 탈수 소화를위한 Pt-Cu 고용체 나노 입자 촉매 합성 및 시험

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

화학

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.

Tribocorrosion 속도 대량이 고 얇은 알루미늄 합금의 마모 부식 시너지를 결정

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.

물 에서 마찰을 사용하여 알루미늄의 수소 충전

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.

골절된 비전통적인 저수지에서 마이크로스케일 초임계 CO2 폼 수송의 고압 테스트를 위한 미세 유체 제조 기술

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).

멤브레인 반응기에서의 수소 생산 및 활용

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 ...