Grafenbaserade självsmörjande nötningsbeständiga kompositer för lager i vattenkraft

Prototyp på fullskaliga lager.

Resultat

I projektet har olika grafenoxid (GO/rGO) baserade polymera kompositmaterial tagits fram, på Luleå tekniska universitet (LTU) har prov för testning tillverkats och jämförts med några kommersiella material för friktion och nötning under olika tribologiska förhållanden (glidande kontakt).

Resultaten visade på minskad friktion för alla material med upp till 95 % med glycerol i kontakten. För materialen tillverkade i projektet presterade de bättre än kommersiella material med upp till 50 % minskad friktion. Nötningstester visade 50-70 % ökat nötningsmotstånd med tillsättning av grafen-baserade kompositytor på materialen. I vattensmorda komponenttester med glidlager visade både kommersiella material och ett grafen-baserat kompositmaterial god funktion där mer utredning krävs för att säkerställa skillnader.

Målen i projektet med tribologiska tester har uppfyllts men vissa förväntningar på positiva resultat återstår att undersöka. Tillverkning av större cirkulära kontakter till komponenttester med material som presterade bäst i mindre kontakter lyckades för UHMWPE komposit men inte för PPS/PTFE komposit och därmed inte testerna med det materialet.

Insikten om att grafen/2D baserade-kompositmaterial kan påverka positivt tribologiska egenskaperna i materialen, därmed komponentlivslängden markant samt att utmaningar med tillverkning i olika former och storlekar kan fördröja, hindra eller fördyra både utvecklingsprojekt och slutliga produkter.

Grafen/2D material i kommande produkter till vattenkraftsmaskiner beror på komponenttillverkares framgång i utvärdering och implementering i tillverkningen samt hur köparen bedömer pris/prestanda förhållandet. Produkterna är 5-10 år bort i en realistisk bedömning.

I kommande efterföljande projekt har komponenttillverkare inkluderats till projektet. De är en väsentlig partner för att få en mer komplett och snabbare utvärdering och väg till slutlig produkt på marknaden.

➡️ Läs ett pressmeddelande om projektet!

Abstract in English

Graphene based self-lubricating composites for hydropower bearings in extreme condition

Results

In this project different graphene oxide (GO/rGO) based polymer composite materials were produced, manufactured into test specimens and compared to a few different commercial materials in terms of tribological performance in sliding contacts.

The results showed decreased friction for all materials (up to 95 % lower) when water based lubricant was used. The materials manufactured in the project showed up to 50 % lower friction compared to the commercial materials. Wear rate resistance increased by 50-70 % when introducing graphene based composite surfaces on the materials. For water lubricated component tests with plain bearings both the commercial and the graphene based composite bearing showed good function where more analysis is required to verify differences.

Project goals regarding development of graphene based polymeric composite bearings and lab scale tribological characterisation versus commercial materials has been fulfilled but some further optimisation of the processing in mid-size scale (up to few kg/ hr) and validation of the tribological performance remains to be studied. Manufacturing of prototype composite liner for plain bearing tests using the developed graphene-based material was successful for UHMWPE-graphene composite but not for best performing material PPS/PTFE composite i.e. due to the manufacturing complication which is under investigation.

Graphene/2D materials as an additive/reinforcement in future products for hydropower applications is promising, although it depends on successful compounding, positive validation result at semi-industrial pilot studies, environmental aspect/circular economy of the newly developed material, as well as the customers/final users view on price/performance relation. Introduction of products including graphene is 5-10 years into the future.

For upscaling and successful semi-industrial component/bearing processing for pilot tests polymer compounder is included in a sequential project. This collaboration is an important puzzle piece for a successful and faster outcome at higher TRL level.

Utlysning:
FoI-projekt och Genomförbarhetstudier (2) 2017

Projektpartners: Vattenfall (Älvkarlebylaboratoriet), Luleå tekniska universitet och Sustainalube

Projektledare: Jan Ukonsaari, Vattenfall

E-mail: jan.ukonsaari@vattenfall.com

Bidrag: 3 459 000 kr

Projektets löptid: November 2017 - juni 2022

Relaterade projekt:
Validering av demonstrator för vattenkraft

Relaterade styrkeområden: