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

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

пользуются медь, олово, цинк, железо, алюминий, свинец, серебро, хром, никель и молибден.

Металлсодержащие смазочные композиции, кроме порошкообразных металлов, обычно содержат активные химические компоненты, способные образовывать с ними структуры, необходимые для реализации эффекта безызносности. Активные компоненты смазочной среды получаются в процессе трения или добавляются при приготовлении. Подтверждением этому служат смазочные композиции, содержащие альдегиды, которые способны при трении образовывать вещества, необходимые для формирования металлсодержащих соединений, например комплексов двухвалентной меди.

Все жирные кислоты (предельные и непредельные) являются поверхностно-активными веществами (ПАВ). Под действием ПАВ поверхности трения пластифицируются, что способствует быстрому созданию оптимальных шероховатостей трущихся поверхностей. При относительно высоких температурах порядка Т = 423—477 К на них образуются тончайшие медные структуры (толщиной около 100 нм) — «сервовитная» пленка. Под действием содержащихся в присадке активных групп СООН и компонентов смазочного материала на поверхности «сервовитной» пленки формируется полимерная пленка — «серфинг-пленка».

Впервые присадку, образующую медную пленку на трущихся поверхностях, в 60-х годах прошлого века разработали в Московском технологическом институте. Она состояла из продуктов взаимодействия 50% олеиновой кислоты и 50% олеатамеди.

В 1979 году швейцарская компания Actex S.A. начала серийное производство металлоплакирующих порошковых препаратов марки Lubrifilm metal, основанных на практической реализации «эффекта безызносности». Почти через 13 лет, в 1992 году, Lubrifilm, metal одним из первых препаратов автохимии этого класса был официально сертифицирован НАМИ (Научный автомоторный институт, Москва) и одобрен АвтоВАЗом.

172

— Автохимия на основе нанотехнологий —

В МГАУ им. В. П. Горячкина под руководством автора :оздана металлоплакирующая присадка-восстановитель «Ре-р Металл», плакирующая смазка NRW и ряд других препа-атов этого класса, которые являются современными научнотехническими разработками в области самоорганизующихся наноструктур и «эффекта безызносности».

Механизм действия препаратов заключается в формировании на трущихся поверхностях нанокристаллической самовосстанавливающейся защитной пленки с минимальным коэффициентом трения и интенсивностью изнашивания из активных компонентов препаратов и частиц износа. При этом обеспечивается восстановление нано- и микродефектов поверхностей трения и их работоспособности.

Наибольший эффект достигается в условиях граничного трения, при высоких нагрузках и скоростях скольжения, повышении температуры трения (что характерно для изношенных трущихся соединений техники с большим сроком службы), режимах приработки и перегрузках.

Разработанные нанопрепараты позволяют значительно повысить износостойкость деталей; сократить продолжительность и улучшить качество приработки поверхностей трения; эффективно повысить задиростойкость и снизить питтинг контактирующих поверхностей в тяжело нагруженных парах трения; понизить температуру работающих узлов, уровень шума и вибрации.

Металлоплакирующая пластичная смазка NRW обеспечивает частичное безразборное восстановление микроизносов подшипников качения, скольжения и других смазываемых поверхностей.

Присадка «Ретурн Металл» также может применяться в качестве добавки к смазочно-охлаждающим техническим средам (СОТС) для улучшения качества поверхностей и повышения стойкости металлорежущего инструмента.

Механизм действия этих препаратов заключается в активации входящими в его состав нанокомплексами кинетической и потенциальной энергии трения. При этом из активных компонентов препаратов и частиц износа на трущихся

173

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

поверхностях формируется нанокристаллическая самовосстанавливающаяся защитная (сервовитная) пленка с минимальным коэффициентом трения и интенсивностью изнашивания. Препараты обеспечивают восстановление нано- и микродефектов поверхностей трения и их работоспособности.

В настоящее время рядом научно-технических центров разрабатывается новое направление в автохимии и трибологии в целом. Это направление получило наименование «геотрибология» (от греч. геос -земля) — то есть трение, износ и смазывание в условиях применения различного рода минералов и других соединений геологического происхождения, имеющих микро- и наноразмеры.

Цель работ в этом направлении — создание специальных добавок в топливно-смазочные материалы на базе металлокерамических соединений, которые смогли бы вступать во взаимодействие с контактируемыми (трущимися) участками деталей и формировать на них металлокерамический слой, частично восстанавливающий дефекты поверхностей трения. Подобные добавки должны также обладать высокими антифрикционными и противоизносными свойствами. Такие материалы, в основном на основе измельченного и модифицированного серпентинита, а также других минералов естественного и искусственного происхождения, получили наименование геомодификаторов, или геоактиваторов.

Началом исследований в данном направлении стало необычное явление, обнаруженное при бурении сверхглубокой скважины на Кольском полуострове. Было выявлено, что при прохождении буровым инструментом (долотом) горных пород, богатых серпентинитом (змеевиком), ресурс режущих кромок инструмента резко увеличивался.

Серпентины — группа природных минералов. Встречаются они в нескольких видах (рис. 49, а). Все серпентины — зеленые минералы, слагающие жирные на ощупь массивные агрегаты со слоистой структурой, отдаленно напоминающей графит, которые различимы лишь под электронным микроскопом (49, б).

174

— Автохимия на основе нанотехнологий —

Серпентинитовые минералы подразделяются на:

1)гранатовые (пиропные) серпентины;

2)бронзовые серпентины;

3)бедные железом (желтые, зеленые) — дунитовые серпентины;

4)богатые никелем — никелевые серпентины. Серпен тин — группа минералов одинакового состава, но разнойсим метрии. Основные — силикаты магния, иногда железа.

ФормуласерпентинаMg6[Si4010] (OH)8, 3MgO2SiO22H20 или(MgOH)6Si40nH2O.

Серпентин включает три минеральных вида:

• антигорит(Mg,Fe2+)3[Si2O5](OH)4;

&[ 2 5 ] ( ) 4

•лизapдитMg3[Si205](OH)4.

Химический состав серпентина: MgO — 43%, SiO2 — 44%, Н2О — 12,1—12,9% (в серпентине содержится около 13% конституционной воды (конституционная вода представлена в минералах ионами гидроксила (ОН)" и в единичных случаях ионами Н+, располагающимися в узлах кристаллической решетки) . Эта вода прочно удерживается минералами при комнатной температуре, но выделяется при нагревании в температурном интервале 300—1300 °С. Выделение воды сопровождается разрушением кристаллической решетки минерала.

Кристаллизационная (или кристаллогидратная) вода содержится вминералах (например, вгипсе— Ca(SO)4 2H2O) в

• хризотил (клинохризотил, ортохризотил, парахризо- [810](ОН)

Рис. 49. Минералсерпентина(а) иволокнахризотила подэлектронным175микроскопом(6)

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

виде молекулы Н2О, которая входит в структуру минерала. Серпентин (хризотил, лизардит или антигорит) не содержит кристаллизационной воды, поэтому объяснение, согласно которому противоизносный эффект от вводимого серпентина в смазочную среду возникает в зависимости от количества кристаллизационной воды, является несостоятельным.

Отличие между компонентами серпентина, скорее всего, заключается в параметрах кристаллической решетки. Рентгенофазовый анализ геомодификаторов показывает, что эти составы бывают двух видов: один содержит 75—80% лизардита и 10—15% хризотила, другой содержит 10—15% лизардита и75—80% хризотила.

Все слоистые силикаты состоят из двух сеток [Si205]2", соединенных катионами в компактные пакеты состава [Si4O10]4. Особенность каждой сетки [Si2O5]2 — наличие нескомпенсированного электростатического заряда. Данная особенность обусловлена тем, что сетки из кремнекислородных тетраэдров имеют с одной стороны одну свободную валентность. Это определяет появление тетраэдров отрицательного заряда только на одной стороне сетки. В сдвоенных пакетах [Si4O10] 4 отрицательные заряды обеих сеток направлены внутрь пакета и скомпенсированы катионами Mg. Фактически в слоистых пакетах [Si4O10]4" между двумя сетками состава [Si2O5]2 располагается бруситовый слой

Mg(OH)2.

Специфическое строение слоистых силикатов — наличие пакетов, состоящих из гексагональных сеток-слоев, которые очень слабо связаны друг с другом, — определяет и свойства этих минералов: низкую твердость, весьма совершенную спайность и расщепляемость на тонкие пластинки.

Изучение данного явления было организовано в конце 80-х годов прошлого столетия в институте «МеханОбр» (Ленинград) под руководством академика Владимира Ивановича Ревнивцева. Учеными было установлено, что данный эффект является следствием разложения серпентина в зоне бурения с дополнительным выделением большого количества тепловой энергии. Вследствие этого наблюдается разогрев

176

— Автохимия на основе нанотехнологий —

материала шарошки бурового долота, диффузия в него разложившихся элементов минерала и образование композиционной металлокерамической структуры, обладающей высокой твердостью и износостойкостью.

В 1987 году на выставке «Изобретательство — техническому прогрессу» (ВДНХ, Москва) экспозиция «Геотрибоэнергетика — народному хозяйству» Ленинградского института авиаприборостроения (ЛИАП) была удостоена Диплома I степени, а ее автор, Т. Л. Маринич, награждена золотой медалью.

В настоящее время геомодификаторы используют для проведения ремонтно-восстановительных работ техники с большим пробегом в процессе непрерывной эксплуатации, но иногда — в целях интенсификации процесса, повышения качества приработки и износостойкости деталей — их применяют и на новых двигателях.

Восстановление и упрочнение подвижных соединений геомодификаторами осуществляется за счет формирования на поверхностях трения структур повышенной прочности, подавления процессов водородного изнашивания и охрупчивания металла, повышения термодинамической устойчивости системы «поверхность трения — смазочный материал». Поверхностно-активные вещества (ПАВ) металлокерамического восстановителя после введения их в системы двигателя подготавливают поверхности трения химически (катализ) и физически (суперфиниш), очищая от нагара, оксидов, отложений и т.д. Попадая на поверхности трения вместе с маслом или в составе пластичной смазки, ПАВ инициируют процесс формирования металлокерамического покрытия с высокой износостойкостью и малым коэффициентом трения.

Алмазные наночастицы в зависимости от условий применения могут выступать либо в виде тончайшего абразива, либо в виде эффективного модификатора трения. Оказалось, что алмазная шихта (промежуточный продукт получения наноалмазов) чрезвычайно эффективна в виде добавок к моторным и трансмиссионным маслам, консистентным смазкам и смазочно-охлаждающим технологическим средам. Раз-

177

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

личный набор наночастиц алмазной шихты оказывает сильное структурирующее действие как на поверхности трения, внедряясь в поверхности деталей и армируя ее, так и на смазочный материал, изменяя его характеристики.

Как ни парадоксально, но алмазосодержащая смазочная композиция обладает высокими антифрикционными, противоизносными и противозадирными свойствами, наряду с высокой коллоидной стабильностью. Содержание наночастиц в рабочей среде в ничтожных количествах (всего 0,01—0,003%) обеспечивает мягкую безабразивную приработку деталей двигателей и трансмиссий.

Препараты на основе наноалмазов изменяют реологические свойства масла и реализуют безабразивную трибохимическую приработку не за счет скалывания и разрушения микрошероховатостей поверхностей трения, а посредством пластифицирования, деформирования (вдавливания) и наклепа микровыступов шероховатости поверхности. При этом в период обкатки обеспечивается экономия топлива до 8% и моторного масла до 10%.

Научно-производственная фирма «Лаборатория триботехнологии» впервые в мире разработала препарат на основе наноразмерных комплексов органосорбента, полученных по золь-гель-технологии из бентонитовых глин.

Бентонитовые глины получили название от форта Бентон, расположенного в штате Вайоминг (США), где в конце прошлого века была начата их первая промышленная добыча. В дальнейшем практический интерес к бентонитовым глинам значительно возрос, и их месторождения были разведаны почти на всех континентах нашей планеты. Так, монтмориллонит — главнейший минерал бентонитовых глин — получил название от города Монтмориллон (Франция), вблизи которого был впервые обнаружен.

В качестве бентонита используют монтмориллонит, а для получения органобентонита — бентонитовые глины Саригюхского месторождения (Армения) и ряда других месторождений в различных регионах мира. Затем их обогащают, перерабатывают и выпускают в виде бентонитовых порошков.

178

—Автохимия на основе нанотехнологий —

Спомощьюорганобентонита можно создаватьсистемы из компонентов, которые в обычных условиях несовместимы.

Они способны, например, удерживать в воде или в масле специальные вещества или химические элементы — носители определенных заданных свойств. Данные добавки представляют собой тонкодисперсную структуру частиц бентонитовых глин, предпочтительно монтмориллонитов, полученных в результате модификации этих глин различными соединениями поверхностно-активных веществ.

Препараты получили наименование рекондиционеров (reconditioner — реставратор), объединив понятия кондиционирования (нормализации состояния) и известной латинской приставки «ре», обозначающей возврат (return), что можно в комплексе обозначить как препарат, способствующий возвращению условий трения и изнашивания к нормальному состоянию.

Группы ремонтно-эксплуатационных препаратов для смазочных материалов, разработанных на основе нанотехнологий, известные в настоящее время, перечислены в табл. 5.

Таблица 5. Характеристика нанопрепаратов для моторного масла

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

Приработочные препараты на основе наноалмазов. Вхо-

дящие в состав присадок наноалмазы (диаметром 4—6 нм) и кластерный углерод структурируют масляную пленку, увеличивают ее динамическую прочность, действуют на кристал-

180

— Автохимия на основе нанотехнологий —

лическую решетку поверхности металла, упрочняя ее, формируют новые поверхности трения, уменьшая граничное трение и износ (особенно при больших нагрузках и дефиците смазочного материала). В результате сокращается время обкатки и оптимизируется качество трущихся соединений, улучшается работа двигателя, экономится топливо и масло, а также снижаются вредные выбросы и облегчается запуск двигателя.

Нанокондиционеры металла. В результате трибохимиче-

ских реакций (образования, распада и восстановления соединений металла с активными молекулами продукта в зоне трения) эти кондиционеры образуют защитный граничный слой (20—40 нм). Защитный слой приобретает пластичные и упругие свойства, антифрикционные качества и стойкость к высоким нагрузкам.

Рекондиционеры. Наряду с образованием подобных защитных слоев дополнительно способствуют повышению несущей способности (прочности) масляной пленки. Полимолекулярная система препарата, включающая наноразмерные комплексы (кластеры) органических веществ, структурирует граничную масляную пленку и увеличивает адгезию масла кметаллу.

Защитные наноприсадки. Реализуют нанотехнологию защиты двигателя и трансмиссии, повышают ресурс и улучшают эксплуатационные показатели двигателей и агрегатов трансмиссий автомобилей. Присадки содержат современные нанокомпоненты (наночастицы), формирующие защитную пленку (твердую наноструктурную смазку), эффективно снижающую износ деталей и трение.

Восстановительные присадки, или реметаллизанты. Mac-

лорастворимые или порошковые металлорганические соединения. Реализуют трибохимический («ионный») механизм металлоплакирования поверхностей трения за счет образования (восстановления) на поверхности металлосодержащей наноструктурированной защитной пленки. Присадки способствуют «лечению» микродефектов поверхностей трения и восстановлению их работоспособности.

181