CC BY
47
СОЗДАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ТЕРМОХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НАНОПОРОШКОВ МЕТАЛЛОВ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ СВОЙСТВ ТОПЛИВО-СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Геннадий Владимирович Шувалов
ФГБОУ ВПО «СГГА», 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доцент кафедры метрологии, стандартизации и сертификации, тел. (383) 210-17-26, e-mail:
Иван Владимирович Клековкин
ФГУП «СНИИМ», 630004, Россия, г. Новосибирск, пр. Димитрова,4, зам. начальника лаборатории, (383) 210-12-65, e-mail: [email protected]
Александр Петрович Ильин
ФГБОУ ВПО НИ ТПУ, 634050, Россия, г. Томск, проспект Ленина, д. 30, зав. кафедрой общей и неорганической химиии, тел.(3822) 56-34-74, e-mail: [email protected]
Ольга Александровна Ясырова
Омский институт водного транспорта ФГБОУ ВПО «НГАВТ», Россия, г. Омск, ул. Ивана Алексеева, д. 2, доцент кафедры физики, тел.(3812) 31-89-29, e-mail: [email protected]
В статье рассмотрены вопросы создания метрологического обеспечения измерений термохимических параметров нанопорошков металлов для улучшения свойств топливосмазочных материалов.
Ключевые слова: метрологическое обеспечение, термохимические параметры, нанопорошки металлов.
CREATION OF METROLOGICAL ENSURING MEASUREMENTS OF
THERMOCHEMICAL PARAMETERS OF NANOPOWDERS OF METALS
FOR IMPROVEMENT OF TOPLIVO-SMAZOCHNYH MATERIALOV PROPERTIES
Gennady V. Shuvalov
FGBOU of VPO «SGGA», 630108, Russia, Novosibirsk, Plakhotnogo St., 10, associate professor of metrology, standardization and certification, ph. (383) 210-17-26, e-mail:
Ivan V. Klekovkin
Federal State Unitary Enterprise SNIIM, 630004, Russia, Novosibirsk, Dimitrov Ave., 4, deputy chief of laboratory, (383) 210-12-65, e-mail: [email protected]
Alexander P. Ilyin
FGBOU VPO TPU, 634050, Russia, Tomsk, Lenin Avenue, 30, department chair of the general and inorganic chemistry, ph. (3822) 56-34-74, e-mail: [email protected]
Olga A. Yasyrova
Omsk инситут water transport of FGBOU VPO of «NGAVT», Russia, Omsk, Ivan Alekseev St. St., 2, associate professor of physics, ph. (3812) 31-89-29, e-mail: [email protected]
In article questions of creation of metrological ensuring measurements of thermochemical parameters of nanopowders of metals for improvement of properties fuel-lubricants are considered.
Нанотехнологии открывают перспективы для разработки и применения новых материалов для топливо-энергетического комплекса. Кроме применения нанопорошков металлов в традиционных областях материаловедения, в последнее время возрос интерес к их использованию для повышения срока службы машин и механизмов в виде, так называемых, металлоплакирующих смазочных материалов. При использовании металлоплакирующих смазочных материалов на поверхностях пар трения образуются тонкие пленки металлов (сер-вовитные пленки) [1]. Среди металлоплакирующих смазочных составов большой интерес представляют суспензии порошков металлов в маслах [2].
В НИИ физики высоких технологий ТПУ на основе нанопорошков железа была разработана и успешно использовалась металлоплакирующая присадка «Старт» для двигателей внутреннего сгорания, содержащая растворимую и нерастворимую в масле составляющие [3-8]. В настоящее время ООО НПП «НаноКОР - Восток» (г. Томск) успешно освоен выпуск аналогичной присадки «Нанокор».
При исследовании металлоплакирующих смазочных составов [9] было установлено, что важную роль играют структурно-энергетические характеристики нанопорошков металлов, получившие название термохимических параметров. К ним относятся такие параметры как: тепловой эффект реакций, температура начала окисления, степень окисленности, скорость окисления. Учитывая большую реакционную способность нанопорошков металлов и их способность к горению, в практике применения нанопорошков металлов важно знать не только совокупность их структурно-энергетических характеристик, но и тепловой поток при горении нанопорошков металлов.
В этой связи в работе рассмотрены некоторые вопросы создания метрологического обеспечения измерений термохимических параметров нанопорошков металлов.
Для исследования устойчивости нанопорошков (НП) и их смесей к окислению и к химическому взаимодействию использовался дифференциальный термический анализ (ДТА). Дифференциально-термический анализ позволяет исследовать фазовые превращения, химические реакции, протекающие в веществе при нагревании и охлаждении по наличию термических эффектов и изменению массы. Метод ДТА основан на сравнении термических свойств образца исследуемого вещества и инертного эталона. Регистрируемым параметром является разность температур вещества и эталона, измеряемая при нагревании или охлаждении образца с постоянной скоростью. Так как теплота реакции пропорциональна количеству реагирующего вещества, поэтому с помощью ДТА можно количественно оценить массу присутствующего вещества, в том числе и содержание окисленного металла по количеству связанного кислорода (по кривой ТГ) и содержание остаточного металла по пику плавления (по кривой ДТА). Зависимость, связывающая теплоту реакции и массу реагирующего образца, имеет вид:
АН т = К А
(1)
где АН - теплота превращения или реакции; т - масса реагирующего образца; К - калибровочный коэффициент; А - площадь пика под кривой.
Для относительной (сравнительной) оценки тепловых эффектов в работе использован приведенный тепловой эффект: отношение площади пика под кривой ДТА (Б в мм) к увеличению массы анализируемого образца ( Ат в миллиграммах):
опт = ЗдГА /^Щ'Г . (2)
Результаты дериватографического анализа представлены тремя зависимостями - Т, ТГ, ДТА. Наибольшую сложность при проведении дифференциально-термического анализа НП представляет изучение быстропротекающих процессов и отдельных стадий окисления.
На основе данных ДТА определяют четыре параметра химической активности [10] исходных НП и их смесей: температуру начала окисления (Тн о, °С), степень окисленности (а, %), максимальную скорость окисления (Утах, %мас./с) и удельный тепловой эффект (АН/Ат,отн. ед.), которые являются удобным тестом для входного контроля сырья в производстве нитридсодержащих КМ, исходными данными для осуществления процесса синтеза. Для оценки безопасности обращения с НП их наиболее значимой характеристикой является Тно, затем Утах и т. д. Параметры активности определяют технологические возможности для НП и называются термохимическими параметрами нанопорошков металлов.
Для экспериментального определения термохимических свойств нанопорошков металлов был создан метрологический комплекс обеспечения единства измерений термохимических свойств нанопорошков металлов для определения:
- распределения размеров наночастиц по диаметру (фракционный состав);
- температуры начала окисления;
- скорости окисления;
- теплового эффекта при окислении нанопорошков.
Созданный метрологический комплекс обеспечивает:
- измерение количества сорбированных газов и паров воды в нанопорошках - до 10 % масс;
- измерение распределения размеров наночастиц по диаметру (фракционный состав) - 50-500 нм;
- измерение температуры начала окисления - до 1500 °С;
- скорости окисления - до 0,5 мг/мин;
- измерение теплового эффекта при окислении нанопорошков - до 5500 кДж/кг.
Рис. 1. Термограмма нанопорошка алюминия
В работе использовали термоанализатор БЭТ Р600, анализ проводили в режиме линейного нагрева в интервале 20.. .1000 °С со скоростью нагрева 10 град./мин в атмосфере воздуха [11]. Типичная термограмма нанопорошка алюминия, который были получен с помощью электрического взрыва проводников в среде аргона, приведена на рис. 1.
При нагревании в воздухе согласно ДТА (рис. 1) НП алюминия проявляет высокую активность в сравнении с другими, используемыми в данной работе, порошками. Температура начала окисления (?но.) нанопорошка алюминия составляла 400 °С.
По аналогичной методике были исследованы термохимические параметры еще 7 нанопорошков металлов, которые приведены в таблице 1.
Таблица 1
Термохимические параметры нанопорошков металлов
№ п/п Нанопорошок АН кДж/г Тно, °С а,% Макс. тепловой поток (Вт/м ) Термическая опасность, Р
1 алюминий 31 420 97,8 22,6 0,96
2 титан 19,6 120 98,8 26,3 0,72
3 молибден 7,9 175 96,5 4,5 0,46
4 железо 7,3 160 93,2 4,6 0,46
5 никель 5,2 165 91,4 4,8 0,45
6 нихром 5,2 165 91,9 4,8 0,45
7 медь 2,4 165 89,3 2 0,41
8 вольфрам 4,5 110 98,7 6 0,41
Кроме того, для исследований процессов горения и окисления нанопорошков металлов при оперативном контроле их качества, была разработана установка «Термомет-1», предназначенная для измерения плотности теплового потока при горении нанопорошков металлов и их смесей.
Учитывая термохимические параметры нанопорошков металлов и их излу-чательные энергетические характеристики в виде плотности теплового потока можно построить шкалу термической безопасности нанопорошков металлов.
Расчет термической безопасности нанопорошков металлов можно провести по формуле, учитывающей все термохимические параметры нанопорошков металлов:
АЯ,
у&Н тах
Т
а„
Тт
Р
(3)
тах /
Результаты определения термической безопасности нанопорошков металлов приведены в таблице 1.
Таким образом, в результате проведенных исследований были определены термохимические параметры нанопорошка, которые необходимо учитывать при разработке металлоплакирующих смазочных материалов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гаркунов Д.Н. Триботехника. - М.: Машиностроение, 1989. - 328 с.
2. Долговечность трущихся деталей машин / Под ред. Д.Н. Гаркунова. - М.: Машиностроение, 1988. - Вып. 3. - С. 96-143.
3. Патент № 1730842. Ильин А.П., Краснятов Ю.А., Елизаров А.В., Чернов М.Г. Смазочный состав. Приор. от 14.02.1990.
4. Патент № 2132363. Ильин А.П., Петрунин В.Ф. Металлоплакирующий смазочный состав. Приор. от 24.04.1997.
5. Ильин А.П. Применение электровзрывных ультрадисперсных порошков в качестве добавок к маслам / А.П. Ильин, Ю.А. Краснятов, С.А. Ларионов // Получение, свойства и применение энергонасыщенных порошков металлов и их соединений: тез. докл. Рос. конф. Томск: НИИ ВН при ТПУ, 1993. - С. 83.
6. Ильин А.П. Динамические эффекты в процессе трения при плакировании ультрадис-персными порошками / А.П. Ильин, Г.А. Медведев, В.Ф. Петрунин // Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем: Тез. докл. VI Всерос. конф. - М.: МИФИ, 2002. - С. 397.
7. Назаренко О.Б. Особенности формирования продуктов электрического взрыва проводников в конденсированных средах: диссертация. - Томск, 1996. - 129 с.
8. Ильин А.П. Модифицирование минеральных масел электрическим взрывом проводников / А.П. Ильин, О.Б. Назаренко // Высоковольтные техника и электротехнология: Меж-вуз. сб. науч. тр. - Иваново, 1997. - Вып. 1. - С. 71-73.
9. Ильин А.П. Влияние суспензии «моторное масло + смесь нанопорошков меди и никеля» на трибологические свойства пары трения «углеродистая сталь - низколегированная сталь» / А.П. Ильин, О.Б. Назаренко, С.В. Рихерт // Изв. ТПУ, 2004. - Т. 307, № 3. - С. 77-79.
10. Ильин А.П. Об активности порошков алюминия / А.П. Ильин, Г.В. Яблуновский, А.А. Громов // Физика горения и взрыва. - 2001. - Т. 37. - № 4. - С. 58-62.
11. Шувалов Г.В. Метрологическое обеспечение измерений термохимических параметров нанопорошков металлов / Г.В. Шувалов, А.П. Ильин, И.В. Клековкин // Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии: сб. материалов Международной научной конференции «ИНТЕРЭКСПО ГЕО-СИБИРЬ-2012»/ -Новосибирск, 2012. - Т. 2. - С. 191-194.
© Г.В. Шувалов, И.В. Клековкин, А.П. Ильин, О.А. Ясырова, 2013
