Исследование и разработка композиционных материалов, наноструктурированных элементоорганическими соединениями, для узлов трения машин Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 631.3.004.5:621.793

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ЭЛЕМЕНТООРГАНИЧЕСКИМИ СОЕДИНЕНИЯМИ, ДЛЯ УЗЛОВ ТРЕНИЯ МАШИН

© 2009 г. академик РАСХНМ.Н. Ерохин, д-р техн. наук С.П. Казанцев,

канд. техн. наук Л.В. Козырева

ФГОУ ВПО «Московский государственный Moscow State Agro University

агроинженерный университет им. В.П. Горячкина»

В статье рассмотрены вопросы создания композиционных материалов для деталей трибосопряжений машин с применением нанотехнологий. Отмечена возможность оптимизации свойств элементов армирующей фазы посредством нанесения металлических пленок методом химического осаждения из газовой фазы элементоорганических соединений.

Ключевые слова: композиционные материалы, нанокристаллические пленки,

химическое осаждение из газовой фазы.

These are considered some questions of composite material creation for details of tribe interface machines with nano-technologies’ application. It is stated a possibility of optimization of element properties in arming phase with the help of metal films’ application by chemical precipitation method from element organic compounds’ gas phase.

Key words: composite materials, nano-crystal films, chemical precipitation from gas phase.

Сложное финансовое положение большинства предприятий народного хозяйства не позволяет им приобретать новую технику в необходимом объеме. Продление ресурса имеющихся машин требует дополнительного количества запасных частей, расширения их номенклатуры. В связи с этим, для совершенствования современных и разработки принципиально новых подходов к упрочнению и ремонту деталей особую актуальность приобретают вопросы создания прогрессивных конструкционных материалов, в том числе композитов, широко применяющихся, в частности, при изготовлении деталей узлов трения машин.

Перспективным представляется

подход, основанный на совершенствовании физико-механических свойств

традиционных материалов посредством нанотехнологий. Положительный эффект достигается за счет того, что в нанометровом диапазоне измерений

(1...100 нм) наблюдаются уникальные эффекты, чувствительные как к отдельным атомно-молекулярным уровням, так и к коллективным свойствам тел. Одним из вариантов реализации вышеобозначенного подхода является введение наноструктур на уровне армирующей фазы. В настоящее время большой интерес исследователей вызывает создание композиционных материалов на основе полимерных матриц, в которых наноразмерные пленки металла (никель, медь, молибден, хром, полиметаллический комплекс) локализованы на поверхности элементов наполнителя - порошках или волокнах [1].

Технологические процессы

получения металлических

нанокристаллических плёнок на подложках различной химической природы осуществляются с целью получения модифицированных элементов

армирующей фазы, которые обладают оптимальной степенью смачиваемости в

полимерной матрице и сниженной реакционной способностью поверхностных образований, что способствует улучшению важнейших эксплуатационных

характеристик композиции, таких как износостойкость, коэффициент трения, теплопроводность, устойчивость к действию агрессивных сред по сравнению с традиционными материалами.

Основные требования к методам получения нанопленок заключаются в возможности контроля и управления параметрами процесса, узком

распределении структур по размерам, воспроизводимости получения пленок контролируемого химического и фазового состава. Этим требованиям удовлетворяет ряд химических методов, в частности, химическое осаждение из газовой фазы элементоорганических соединений (ЭОС).

Сущность данного метода состоит в том, что исходный реагент, переведенный путем испарения или возгонки в газообразное состояние, осаждается в нужной пропорции на выбранную подложку. При термораспаде ЭОС атомы элемента располагаются вплотную друг к другу, обеспечивая практически

теоретическую плотность и чистоту нанокристаллического покрытия. При этом существует возможность задавать состав, структуру и функциональные

характеристики получаемого объекта на микро - и наноуровнях посредством варьирования температурного и

скоростного режимов ведения процесса осаждения, а также используя в качестве исходных соединений, катализаторов, ингибиторов и стабилизирующих добавок различные сочетания ЭОС [2, 3].

При химическом осаждении из газовой фазы ЭОС образование зародышей кластеров происходит непосредственно на поверхности подложки, а не в объеме инертного газа вблизи охлажденной стенки.

Однако физические свойства металлических плёнок существенно изменяются при переходе к ультратонким слоям толщиной 10...50 нм. Нижнее ограничение этого интервала связано с тем,

что при 10.15 нм плёнка теряет свою сплошность и представляет собой отдельные разорванные участки с дестабилизированными свойствами.

Уменьшение структурообразующих частиц плёнки до нанометрового размера изменяет исходные свойства вещества не более чем на 20.30%. Кроме того, при получении изделий из наноматериала трудно сохранить малый размер наноструктур и, соответственно, достигнутый положительный эффект.

Это предопределяет необходимость поиска комплексного подхода к решению поставленной задачи, который можно реализовать разработкой композитов, где наряду с нанокристаллическими пленками, получаемыми на традиционных

наполнителях, дополнительно вводятся отдельные наноструктуры (наночастицы металлов, углеродные нанотрубки).

Это позволит получать сравнительно недорогие композиционные материалы на основе полимерных матриц, обладающие значительно более высокими по сравнению с традиционными стекло- и

углепластиками показателями жесткости, упругости, прочности, износостойкости и устойчивости к действию агрессивных сред в сочетании с низкими значениями коэффициента трения. Также

предполагается, что применением данных материалов удастся добиться ускорения приработки деталей и оптимальной теплопередачи между поверхностями трения.

Разрабатываемые композиционные материалы планируется применять в процессах изготовления, восстановления и упрочнения подшипников скольжения навозоуборочных транспортеров,

транспортеров минеральных удобрений; шестерённых насосов,

почвообрабатывающих машин (сошники сеялок, катки), подшипников механизма подъема груза и направляющих опор перемещения секций стрелы

грузоподъёмных машин (телескопические вышки, краны), оборудования льнозаводов (сопряжений прядильное кольцо-бегунок, веретено, цепные муфты) и т.п.

Выводы:

1. Композиционные материалы,

наноструктурированные элементоорганическими соединениями, характеризуются чрезвычайно развитыми межфазными поверхностями и обладают избыточной по сравнению с

традиционными материалами энергией, вследствие чего они являются

энергнонасыщенными системами.

2. При нанесении на элементы армирующей фазы нанокристаллической

пленки металла можно добиться оптимального сочетания степени смачиваемости наполнителя в полимерной матрице и снижения реакционной способности его поверхностных образований, что способствует повышению эксплуатационных характеристик композиции и предопределяет эффективность применения данных материалов в целях увеличения ресурса трибосопряжений машин.

ЛИТЕРАТУРА

1. Нанотехнология в ближайшем десятилетии: Прогноз направления исследований. / под ред. М.К. Роно, Р.С. Уильямса, П. Аливисатоса. - М.: Мир, 2002. - 292 с.

2. Разуваев Г.А., Грибов Б.Г., Домрачев Г.А., Соломатин Б.А. Металлоорганические соединения в электронике. М.: Наука, 1972. - 480 с.

3. Сыркин В.Г. CVD-метод. Химическое парофазное осаждение. - М.: Наука, 2000. -

496 с.