Материал: Нанотехнологии. Наука будущего (Балабанов), 2009, c.258

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

вой энергии или бомбардировки частицами. То есть материал покрытия различными способами переводится из твердого состояния в паровую фазу и затем конденсируется на поверхности подложки. К РТО-методам относят еще ионное плакирование и катодное распыление (ионно-плазменное распыление). При реализации систем PVDтребуются вакуумные установки для создания давлений глубокого вакуума менее10~5 мбар.

В основу технологии, разработанной в Московском государственном агроинженерном университете (МГАУ) имени Василия Прохоровича Горячкина, положен CVD-метод модифицирования армирующих волокон элементоорганическими соединениями (ЭОС). СТ^О-метод обеспечивает получение покрытий с заданными свойствами в широком диапазоне температурных режимов при высоких скоростях осаждения. Процесс экологически чист и легко поддается автоматизации. Данная технология наиболее перспективна для изготовления подшипников скольжения из композиционных материалов на основе термопластов, армированных искусственными неорганическими нановолокнами.

Разработка композиционных материалов позволила произвести замену подшипников качения опорами скольжения в поворотных опорах и добиться значительно более высокого межремонтного ресурса, по сравнению с серийными образцами. Разница в ресурсах восстановленных и изготовленных подшипников объясняется большей площадью поверхности трения скольжения, а также меньшей толщиной вкладыша у изготовленных подшипников.

В последние годы успешно развивается технология осаждения композиционных гальванических покрытий (КГП). КГП получают из суспензий, представляющих собой электролит с добавкой определенного количества дисперсного порошка. При наложении электрического тока на поверхности покрываемого образца осаждаются металл (первая фаза, или матрица) и частицы порошка (вторая фаза, или упрочнитель), которые заращиваются матрицей, образуя структу-

— Наноинженерия поверхности деталей —

ру покрытия. Вместе с металлом из гальванической ванны осаждаются дисперсные частицы, волокна и усы различных карбидов, боридов, оксидов, сульфидов, порошков полимеров и т.д. Включение дисперсных материалов в металлическую матрицу значительно изменяет свойства покрытий. Гальванические покрытия с дисперсной фазой обладают уникальными свойствами и могут быть использованы для решения разнообразных задач.

Представляют интерес разработки на основе лотос-эф- фекта для обеспечения самоочистки лакокрасочных поверхностей автомобиля.

Немецкая фирма Duales System Deutschland A G одной из пер-

вых представила на проходившей в Ганновере всемирной выставке «ЭКСПО-2000» новую краску для автомобилей, обладающую самоочищающимся эффектом. Сильно загрязненную поверхность машины достаточно полить водой. Американская фирма General Motors также объявила о намерении использовать подобные материалы для наружной отделки автомобилей.

Легковые автомобили Mercedes-Benz с лакокрасочным покрытием на основе нанотехнологии отмечены наградой на специализированной выставке Automechanika как «самые легкомоющиеся автомобили 2004 года». Новый прозрачный лак обеспечивает высокую и длительную прочность покрытия, а также образцовую сохранность моделей этих машин, что высоко ценится на вторичном рынке подержанных автомобилей. В структуру нового прозрачного лака включены микроскопические керамические частицы, созданные на основе нанотехнологии, которые в процессе высушивания в лакокрасочном цехе отвердевают, образуя на поверхности чрезвычайно плотную сетчатую структуру. Благодаря этому в три раза повышается прочность лака и обеспечивается более интенсивный и долговечный блеск покрытия. Автомобили марки Mercedes-Benz стали первыми в мире, в серийную комплектацию которых входит покрытие из прозрачного лака на основе нанотехнологии. Она применяется как для покры-

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

тий типа «металлик», так и для обработки обычных лакокрасочных покрытий.

Установлено, что включение наноалмазов в металлическое покрытие в количестве не более 1 масс. % обеспечивает эффект дисперсного упрочнения, который выражается в уменьшении размера зерна электролитического металла. Фирма General Motors объявила о намерении использовать эти материалы для наружной отделки автомобилей.

Наноструктурированные поверхности изменят существующий подход к очистке и уходу. Интересные возможности открываются при сочетании чистящих средств и наноструктур.

Так, концерн BMW на базе нанопорошков разработал самоочищающиеся автомобильные поверхности, a AUDI такие порошки уже применяет для создания прочных зеркал и отражателей, стойких к царапинам.

В заключение раздела следует отметить, что уже создано несколько материалов, которые позволяют производить покрытия, наряду с «гидробоязнью» обладающие также свойствами «маслобоязни». Они не увлажняются ни водой, ни маслом и, таким образом, могут квалифицироваться как ультрафобные материалы и покрытия.

Автохимия на основе нанотехнологий

Безразборный сервис машин и механизмов — одно из эффективных направлений практического применения наноматериалов.

АсланбекАСЛАХАНОВ, советникПрезидентаРоссийскойФедерации

Наноматериалы находят все большее применение в различных препаратах автохимии: ремонтно-эксплуатацион- ных добавках к топливу и смазочным материалам, шампунях и полиролях. По имеющимся данным, в США затраты на производство присадок, используемых в топливно-смазоч- ных материалах, с 60-х годов XX века возросли с 250 млн до более чем 1 млрд долларов.

Результатом многолетних исследований отечественных ученых и практиков стал тот факт, что трение теперь представляется не только как разрушительное явление природы. Оно в определенных условиях может быть реализовано как самоорганизующийся созидательный процесс, что позволило разработать новые, ранее неизвестные методы технического сервиса машин, в том числе безразборного восстановления агрегатов и узлов техники в процессе их непрекращающейся эксплуатации.

Впервые термин «безразборное восстановление» был официально применен и введен в 1993 году автором данной книги в связи с изобретением им и Г. К. Потаповым (а затем патентованием) «способа безразборного восстановления трущихся соединений». В дальнейшем, на основании теоретических предпосылок и проведенных исследований авто-

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

ром данной книги с учениками сформулировано и в настоящее время интенсивно развивается самостоятельное научнотехническое направление — безразборный технический сервис машин и механизмов.

Безразборный сервис (англ. service ~ производить осмотр и текущий ремонт) может включать операции обкатки, диагностики, профилактики, химмотологического тюнинга, очистки и восстановления как отдельных трущихся соединений и агрегатов, так машин и механизмов в целом. Под ним подразумевается комплекс технических и технологических мероприятий, направленных на проведение операций технического обслуживания и ремонта узлов и механизмов без проведения разборочно-сборочных операций с применением передовых разработок автохимической промышленности.

К разработкам в области безразборного сервиса относятся не только присадки и добавки к различным автомобильным технологическим средам, но и самостоятельные препараты и технологии по их применению.

Во вступительном слове на открытии научно-практиче- ской конференции «Нанотехнологии и информационные технологии — технологии XXI века» (24 мая 2006 года) советник Президента России Асламбек Ахмедович Аслаханов высоко оценил результаты исследований в этой области, заявив, что безразборный сервис машин и механизмов является одним из эффективных направлений практического применения наноматериалов.

Следует признать, что аналогичные работы проводились и другими исследователями, но именовались по-разному: то металлоплакированием, то ФАБО-2, то способом обработки трущихся поверхностей и т.п.

Теоретическими предпосылками безразборного сервиса (восстановления) явились исследования в теории самоорганизации, предсказанной бельгийским физиком и физикохимиком русского происхождения Ильей Романовичем Пригожиным (лауреатом Нобелевской премии по химии 1977 года за работы по термодинамике необратимых процессов, особенно за теорию диссипативных

166

— Автохимия на основе нанотехнологии —

структур]. В раннем детстве И. Р. Пригожина в Бельгию из России привезли родители. В 1982 году он был избран иностранным членом Академии наук СССР, ас 1991 года является иностранным членом Российской академии наук — РАН.

В прикладном плане безразборный сервис базируется на научных открытиях российских ученых. К ним в первую очередь относится явление избирательного переноса при трении (эффекта безызносности), открытое и исследованное Д. Н. Гаркуновым и И. В. Крагельским.

Другое немаловажное открытие в этой области — эффект пластифицирования поверхностей трения в присутствии поверхностно-активных веществ (ПАВ), сделанное Петром Александровичем Ребиндером и его учениками. В тридцатых годах XX века П. А. Ребиндер открыл адсорбционный эффект понижения прочности твердых тел благодаря адсорбции поверхностно-активных веществ, что приводит к облегчению выхода дислокаций.

Теоретическую возможность создания условий безызносного трения подтверждает факт открытия эффекта аномально низкого трения (АНТ) твердых тел, обнаруженного группой ученых Аскольдом Александровичем Силиным, Евгением Анатольевичем Духовским, Виктором Львовичем Тальрозе и др. в1969 году.

Ими установлено, что при бомбардировке полиэтилена и пропилена в вакууме потоком атомов гелия (или некоторых других химических элементов) коэффициент трения уменьшается на два порядка до значения ниже 0,001 (предела чувствительности измерительной установки) — можно считать, исчезает совсем. Интенсивность изнашивания при этом, естественно, резко снижается.

На основании дальнейших исследований, в том числе во ВНИИ оптико-физических измерений, было выявлено, что при облучении тончайшего поверхностного слоя вещества Ускоренными атомами происходит его переход в упорядоченное состояние.

ПозднееА. А. Силинвсвоейкниге«Трениеимы» (1987 год) Утверждал: «Экспериментально подтверждалось, что фунда-

167

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

ментальной причиной трения служит отнюдь не механическое деформирование дорожки, а адгезионный эффект, сконцентрированный в тончайшем поверхностном слое. Реализация такого эффекта, основанного на непрерывном обмене адгезионных связей, требует толщины слоя всего 10~7 см (10 нм — прим. автора), то есть порядка удвоенной толщины атома. Таким образом, опыты с эффектом АНТ в данном случае однозначно подтверждали адгезионную теорию сухого трения... Не исключено, что при этом важную роль играет явление самоорганизации».

Безразборный сервис транспортных средств является дальнейшим развитием исследований в этих областях и, как видно из приведенных выше данных, в основном базируется на положениях нанонауки. Термин стал широко применяться в публикациях и монографиях по данному новому научнопрактическому направлению.

В связи с последними достижениями науки и практики в данной области настало время внести изменение и в само определение понятия «трибология». Наиболее полно современный уровень изучения и развития данного вопроса отражало бы следующее определение: трибология — наука о контактном взаимодействии подвижных соединений, охватывающая комплекс вопросов их трения, изнашивания, смазывания и самоорганизации (восстановления).

Особое место (и это признали даже производители смазочных материалов, начав производство специальных моторных масел для автотранспорта с пробегом более 100 тыс. км) занимают методы и средства, предназначенные для частичного восстановления изношенных поверхностей трения узлов и агрегатов автомобиля в процессе непрекращающейся эксплуатации.

В классическом понимании процесс восстановления детали, соединения или машины в целом подразумевает проведение технических и технологических мероприятий, направленных на изменение их геометрических размеров до номинальных (или ремонтных), а также на восстановление

168

— Автохимия на основе нанотехнологий —

работоспособности до нормативных показателей. Однако проводить ремонтные работы имеет смысл, даже если наблюдается только частичное (неполное) выполнение этих требований.

Известные в настоящее время ремонтно-восстановитель- ные препараты (РВП) по компонентному составу, физикохимическим процессам взаимодействия с трущимися поверхностями, свойствам получаемых покрытий (защитных пленок), а также механизму функционирования в процессе дальнейшей эксплуатации автомобиля можно разделить на три основные группы: реметаллизанты (металлоплакирующие соединения), полимерсодержащие препараты и геомодификаторы.

К восстановителям в основном по критерию повышения технико-экономических показателей обработанной техники, следует условно отнести кондиционеры поверхности и слоистые добавки-модификаторы.

В некоторых случаях РВП называют еще ремонтно-экс- плуатационными препарами (РЭП), что, на мой взгляд, точнее отражает их предназначение и функциональные свойства.

Практически все производители препаратов подкапотной автохимии выпускают также добавки к трансмиссионным маслам и пластичные смазки-восстановители.

Подобные препараты различаются по способам применения (введения в трущиеся соединения). Большинство составов вводят в моторные и трансмиссионные масла, топливо или пластичные смазки, а некоторые подают через систему питания (впускной трубопровод) в виде аэрозолей и добавок к топливно-воздушным смесям — так называемая специальная обработка.

Применение ремонтно-восстановительных препаратов определяется техническим состоянием автомобиля. При этом необходимость того или иного воздействия оценивается на основании результатов технической диагностики. По результатам диагностирования назначаются либо профилак-

169

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

тические препараты более «мягкого» действия, либо препараты, обеспечивающие интенсивное воздействие на трущиеся соединения и агрегаты автомобиля.

Следует отметить, что иногда необходимость применения РВП обусловлена и рядом других причин (принудительных), например участием в соревнованиях, пробегах или иных испытаниях (автохимический тюнинг).

Все препараты различаются по способам применения (введения в трущиеся соединения). Большинство составов вводят в моторные и трансмиссионные масла, топливо или пластичные смазки. Некоторые из них подают через систему питания (впускной трубопровод) в виде аэрозолей и добавок к топливно-воздушным смесям — так называемая «специальная обработка». Ряд препаратов подается непосредственно в зону трения, например в цилиндропоршневую группу, и т.д. Достаточно часто выпускаются РВП комплексного действия, например реметаллизант и кондиционер металла, полимерсодержащий препарат и слоистая добавка. Встречаются препараты, разработчики которых заявляют о содержании в них практически всех ремонтно-восстановительных компонентов: тефлона, керамики, молибдена, а также других полимерных и поверхностно-активных веществ.

Ремонтно-восстановительные препараты для моторного топлива на основе нанотехнологий применяются для повышения эксплуатационных и экологических качеств бензина и дизельного топлива, а также для профилактической очистки систем подачи топлива (карбюраторов, инжекторов, форсунок, топливопроводов), впускных клапанов двигателей, систем выпуска отработавших газов (каталитических нейтрализаторов). Мероприятия, направленные на повышение этих свойств, объединены в понятия «химмотология» и «автохимический тюнинг» топлива или двигателя.

Как показывают результаты лабораторных исследований и эксплуатационных испытаний, применение РВП позволяет получить результат, сравнимый по величине с эффектом от использования специальных методов спортивной доводки двигателя — доработки каналов в головке блока цилинд-

170

— Автохимия на основе нанотехнологий —

ров, изменения фаз газораспределения, уменьшения сопротивления фильтров и т.д. Например, на серийном автомобильном двигателе без каких-либо конструкторских доработок можно получить прирост мощности на 5—7 л.с. (3—5 кВт), экономию расхода топлива и смазочных материалов на 5—10% и ряд других положительных характеристик.

Нанокомплексы на основе порошковых материалов входят во многие РВП, однако наиболее распространены и эффективны реметаллизанты и геомодификаторы на их основе. Реметаллизанты (металлизанты) — особый класс препаратов автохимии, базирующийся на аспектах теории самоорганизации, предсказанной И. Р. Пригожиным, и открытии российских ученых Д. Н. Гаркунова и И. В. Крагельского явления избирательного переноса при трении (эффекта безызносности). Латинская приставка «ре-» в данном случае подразумевает возврат металла на поверхности трения.

Механизм действия реметаллизантов заключается в металлоплакировании трущихся поверхностей в результате осаждения металлических компонентов, входящих в состав реметаллизантов во взвешенном или ионном виде. При этом частично восстанавливаются микродефекты, снижается коэффициент трения, значительно повышается износостойкость плакированных поверхностей (в некоторых случаях — в сотни раз).

Термин «металлоплакирующий» (от франц. plaquer— покрывать) введен Д. Н. Гаркуновым с соавторами в связи с изобретением ими в 1962 году смазочного материала, реализующего эффект избирательного переноса при трении.

В настоящее время металлоплакирующие композиции (реметаллизанты) разделяются на порошковые и ионные. Порошковые препараты в качестве основного компонента содержат ультрадисперсные (наноразмерные) порошки, а ионные — полностью маслорастворимые соли пластичных металлов, органические кислоты, мыла жирных и нафтеновых кислот, жирные амиды, эфиры жирных кислот и спиртов, а также глицерин. В качестве плакирующих металлов ис-

171