CC BY
92
УДК [621.833.6: 629.12]: 621.824.004.67
Р. А. Лиджи-Горяев
ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ В СУДОРЕМОНТНЫХ ПРОЦЕССАХ
Введение
Термин «нанонаука» используется в настоящее время для обозначения исследований явлений на атомном и молекулярном уровнях и научного обоснования процессов нанотехнологии, конечной целью которой является получение нанопродуктов.
Сама десятичная приставка «нано» происходит от греческого слова «nanos», что переводится как «карлик» и означает одну миллиардную часть чего-либо. Удовлетворяя наше стремление к миниатюризации, снижению энергоемкости и материалоемкости, нанообъекты обладают еще одним преимуществом. В силу действия различных причин (как чисто геометрических, так и физических) вместе с уменьшением размеров сокращается и характерное время протекания разнообразных процессов, т. е. возрастает потенциальное быстродействие таких нанообъектов.
В настоящее время существует большое количество методов получения наноматериалов (механохимический синтез, лазерное испарение графита, плазмохимический синтез, низкотемпературная плазма, сонохимическое диспергирование и т. д.), которые можно разделить на две большие группы [1, 2]:
— дисперсионные методы, или методы получения наночастиц путем измельчения обычного макрообразца;
— конденсационные методы, или методы «выращивания» наночастиц из отдельных атомов.
Один из них представлен на рис. 1.
Рис. 1. Схема получения наноматериала путем лазерного испарения графита
Эти методы позволили получить новые наноматериалы (рис. 2) [1, 2]:
— фуллерен - новая аллотропная модификация углерода;
— графен - предполагается, что этот материал может служить подложкой для создания алмазных механосинтетических устройств;
— нанотрубка -молекула из более чем миллиона атомов углерода, представляющая собой трубку диаметром около нанометра и длиной несколько десятков микрон. В стенках трубки атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников;
— дендримеры (древообразные полимеры) - наноструктуры размером от 1 до 10 нм, образующиеся при соединении молекул, обладающих ветвящейся структурой, и др.
Г рафен ^гарИепе) - моноатомный слой углерода
Графит - пакет из расположенных параллельно друг другу плоских слоев графена
Углеродные нанотрубки - слои ’ графена в виде цилиндров
Углеродные наноконусы - слои графена конической формы
Рис. 2. Структура наночастиц
Наноматериалы обладают значительным спектром свойств [1, 2], среди которых:
— возможность связываться с нуклеиновыми кислотами, изменять биоструктуры;
— усиленные каталитические свойства;
— повышенные адсорбционные свойства;
— увеличенная способность к аккумуляции;
— увеличенный химический потенциал на межфазной границе высокой кривизны;
— возможность самовыстраиваться в определенные структуры;
— увеличенная удельная поверхность наноматериалов.
Благодаря этим свойствам, наноматериалы нашли применение в различных отраслях промышленности (двигателестроение, электроника, медицина, экология и т. д.) Например, нанопримеси на основе оксида церия уже сейчас добавляют в дизельное топливо, что позволяет на 4-5 % повысить КПД двигателя и снизить степень загрязнения выхлопных газов. Но наиболее интересным направлением в настоящее время остается техническое, что подтверждается объемом финансирования (рис. 3), а именно производство и применение наноматериалов в промышленности.
Транспорт Эколо™ $ 70 млрд
Рис. 3. Объемы финансирования по направлениям
В Астраханском государственном техническом университете были проведены исследования износостойкости поверхности судовых деталей (исследовались и восстанавливались изношенные шейки коленчатых валов судовых двигателей как наиболее дорогостоящего и разнона-груженного элемента главной энергоустановки). Исследования показали, что оптимальным методом повышения износостойкости является метод плазменного напыления [3-5] с вариацией различных материалов (ПХ 20Н80, Сг203, БеСгМо, Св-08ГС, Нп-85, 65Г). Основные результаты представлены в табл. 1.
Таблица 1
Данные триботехнических испытаний пар трения, моделирующих работу сопряжения шейка коленчатого вала-подшипник (судовой двигатель): сталь 65Г - по баббиту Б83, сталь 45 - по баббиту Б83
Сопряженная пара (СП) Образец Смазка Время, мин Нагрузка, Н Мтр, Нм* К ** Ктр Т, °С Износ образца по диаметру, мм Лунка износа СП, мм
Баббит Б83 0 = 42 мм к = 17 мм Сталь 45 0 = 42 мм Н = 17 мм Масло М8В, 6 кап/мин 15 15 30 0 250 500 0,1 0,5 1,1 0 0,095 0,106 8 8 49 0,23 1,2
30 500 0,8 0,076 64
Баббит Б83 0 = 42 мм к = 17 мм Сталь 65Г 0 = 42 мм к = 17 мм 15 15 30 30 0 250 500 500 0,05 0,3 0,6 0,6 0 0,057 0,057 0,057 18 28 44 53 0,28 0,7
* Момент трения. Коэффициент трения.
Как видно из табл. 1, удалось получить плазменную поверхность (сталь 65Г), износ которой почти на треть меньше, чем у стандартной шейки коленчатого вала (сталь 45). Однако износ СП (Б83) оказался завышенным, что обусловило необходимость дальнейших исследований.
В Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций с нашим участием были проведены исследования свойств СП трения, полученных путем плазменного напыления при нанесении фуллерена (табл. 2). Исследования показали, что: Ктр (коэффициент трения) и износ при нагрузке 200 кг уменьшаются, особенно при нанесении фуллеренов на обе поверхности; нанесение фуллеренов повышает коррозионную стойкость, но не снижает износ при кавитационном воздействии; при длительных испытаниях фуллерены выносятся с поверхности с низкой шероховатостью; при нанесении фуллеренов на поверхность плазменного покрытия с пористостью 10 % износостойкость узла трения повышается.
Таблица 2
Исследование свойств СП (шейка коленчатого вала судового двигателя типа N¥0 в паре с вкладышем) при нанесении фуллеренов
Материал основной детали Материал СП Ктр Износ, мкм Износ СП, мкм Кавитационный износ, мм Потенциал коррозии, мВ
Сталь 45 А020 0,065 0,04 0,01 12 20
Сталь 45 + фуллерен А020 0,050 0,03 0,01 12 15
Сталь 45 + фуллерен А020 + фуллерен 0,034 Нет Нет 12 5
Вместе с тем при дальнейшей разработке и практическом использовании объемных наноструктурных материалов возник целый ряд фундаментальных и прикладных проблем [1, 2, 6].
Фундаментальным вопросом явилась относительно низкая пластичность наноматериалов при достижении очень высокой твердости и прочности.
Прикладные проблемы связаны с разработкой эффективной технологии получения полуфабрикатов (прутки, листы, проволока) и изделий со стабильно высокими свойствами. Эти вопросы, наряду с другими (токсичность, диагностирование, аккумуляция и т. д.), требуют дальнейшего изучения.
Заключение
Зарубежные товаропроизводители в настоящее время быстро совершенствуют свою продукцию, применяя нанотехнологии, в том числе нанопорошки, к производству которых в России даже не приступали. По экспертным оценкам, запуск от начала до конца новых производств
с использованием нанотехнологий будет происходить (даже при наличии готовой разработки) в течение длительного времени (4-5 лет) и потребует больших финансовых и кадровых вложений. Вести новые «революционные» разработки и запускать новые производства необходимо, но надо ясно понимать, что отдача от них будет позже.
По оценкам зарубежных экспертов, большая доля прироста мирового ВВП к 2015 г. (2-5 %), связанного с применением нанотехнологий, будет обеспечена именно за счёт эволюционного усовершенствования существующих производств и повышения качества выпускаемой в настоящее время товарной продукции, для которой известен рынок и существует потребитель. Во многих случаях это связано с улучшением качества материалов за счёт модификации наночастицами существующих материалов или изделий (наночастицы вводят в объём материала или наносят на поверхность). В настоящее время для этих целей производятся металлические, керамические, углеродные, кремневые, полимерные и другие типы наночастиц.
Вместе с тем при дальнейшей разработке и практическом использовании объемных наноструктурных материалов необходимо будет решить ряд фундаментальных и прикладных проблем.
Среди фундаментальных вопросов - относительно низкая пластичность наноматериалов при достижении очень высокой твердости и прочности.
Прикладные проблемы связаны с разработкой эффективной технологии получения полуфабрикатов (прутки, листы, проволока) и изделий со стабильно высокими свойствами. Эти вопросы, наряду с другими (токсичность наноматериалов, диагностирование, аккумуляция и т. д.), требуют дальнейшего изучения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хокинг М. Металлические и керамические покрытия. - М.: Мир, 2001. - 518 с.
2. Методы получения и свойства нанообъектов: учеб. пособие / Н. И. Минько, В. В. Строкова,
И. В. Жерновский, В. М. Нарцев. - М.: Флинта: Наука, 2009. - 168 с.
3. Кудинов В. В., Бобров Г. В. Нанесение покрытий напылением. - М.: Металлургия, 1992. - 192 с.
4. Бакли Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном взаимодействии. - М.: Машиностроение, 1986. - 359 с.
5. Борисов Ю. С. Газотермические покрытия из порошковых материалов. - Киев: Наук. думка, 1987. - 565 с.
6. Погадаев Л. И., Хмелевская В. Б. Изнашивание плазменных покрытий при трении скольжения // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 1991. - № 4. - 112 с.
Статья поступила в редакцию 20.02.2009
USING NANOMATERIALS IN SHIP REPAIRING PROCESS
R. A. Lidzhi-Goryaev
The use of nanopowder in ship repairing processes with the purpose of increasing plasma surface durability is considered. The results of research of properties of mating friction pairs, received by plasma covering with application of nanomaterial - fullerene are given. These results show that coefficient of friction and wearing are decreasing especially with application of fullerene on both surfaces; while prolonged testing fullerenes are taken out of surface with law roughness; with application of fullerene on the surface of plasma covering with 10 % porosity the durability of friction unit is increasing.
Key words: ship repairing process, nanomaterials, the increasing of durability, plasma surfaces.
