Нанотехнологии. Правда и вымысел - Виктор Балабанов

Кристаллизационная (или кристаллогидратная) вода содержится в минералах (например, в гипсе – Ca(SO)42H2O) в виде молекулы Н2О, которая входит в структуру минерала. Серпентин (хризотил, лизардит или антигорит) не содержит кристаллизационной воды, поэтому объяснение, согласно которому противо-износный 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 и 75–80 % хризотила.

Все слоистые силикаты состоят из двух сеток [Si2O5]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 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^^. 2 5

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

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 химически (катализ) и физически (суперфиниш) подготавливают поверхности трения, очищая их 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.

Кондиционеры (рекондиционеры)

В отдельную группу РВП выделяются кондиционеры металла (поверхности). К этой группе вообще следует отнести целый спектр различных препаратов автохимии на базе поверхностно-и химически активных веществ, в том числе традиционно применяемых в смазочных материалах, но официально не именуемых «кондиционерами».

Собственно, смысл словосочетания «кондиционер поверхности» применительно к автохимии можно интерпретировать как препарат и механизм воздействия на процессы трения и изнашивания, позволяющий восстановить антифрикционные и противоизносные свойства, а также химический состав (состояние) поверхностей трения, доставляя необходимые компоненты (среды или энергии) за счет введения химически активных веществ.

По имеющимся данным, один из главных компонентов автомобильных кондиционеров поверхности – галогенированные производные углеводородов. Эти химически активные углеводороды являются соединениями, полученными замещением в структурной формуле углеводорода одного или более атомов галогена (хлора, фтора, брома, йода) равным числом атомов водорода. К активным компонентам таких присадок следует отнести также ряд соединений серы и фосфора.

Наиболее часто в кондиционерах металла применяются хлоропарафины, отвечающие по составу предельным углеводородам или парафинам СпН х (2n + 2), в которых один или несколько атомов водорода замещены хлором. Из химических свойств хлоропарафинов наиболее важным и характерным для них является чрезвычайная подвижность атомов хлора, вследствие чего при действии соответствующих агентов они способны обменивать хлор на водород или другие атомы и группы. Способность эта обусловливает широкое применение хлоро-парафинов для разнообразнейших синтезов, в том числе для препаратов автохимии. Они используются в моторных маслах как компонент полифункциональных присадок для обеспечения синергизма триботехнического действия различных присадок.

Все эти вещества входят (или могут входить) в состав РВП группы кондиционеров металла. На основании проведенного анализа компонентного состава кондиционеров металла следует сделать вывод, что механизм их действия основан на физической адсорбции, хемосорбции и химическом взаимодействии ПАВ с поверхностями трения.

Механизм физической адсорбции заключается в том, что полярные молекулы кондиционера удерживаются на трущихся поверхностях силами Ван-дер-Ваальса, образуя достаточно прочные перпендикулярно расположенные к трущимся поверхностям слои, способные выдерживать высокие нормальные нагрузки и имеющие низкое сопротивление к действию касательных напряжений.

Хемосорбция основана на удержании на поверхности металла молекул кондиционера химическими связями, при этом атомы металла не покидают свою кристаллическую решетку и не вступают в химические реакции. В результате на поверхностях трения образуются молекулярные пленки физического (адсорбция), химического (хемосорбция) строения, а также ряд химических соединений.

Физическая адсорбция и хемосорбция протекают практически одновременно. Например, адсорбция жирных кислот при нормальных температурах носит физический характер, а при высоких температурах – химический. Поэтому, с одной стороны, за счет физической адсорбции кондиционеры поверхности способны образовывать достаточно прочные слои ориентированных молекул смазочного материала, работающих при низких температурах. С другой стороны, в результате хемосорбции, за счет образования в смазочном материале, например, активных ионов хлора (при применении хлоропарафинов), на поверхностях трения образуются устойчивые пленки, а в смазочном материале – маслорастворимые или твердые химические соединения, состоящие из хлоридов, фосфатов, иодидов, сульфидов и т. д.

FeO + 2HCl = FeCl2 + H2O;

Fe2O3 + 6HCl = 2FeCl3 + 3H2O.

Большая скорость их образования обеспечивает быстрое восстановление таких пленок в местах разрушения граничного слоя базового смазочного материала, обеспечивая защитный режим трения во фрикционном контакте вплоть до температуры плавления.

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

Образовавшиеся хемосорбированные структуры и химические соединения на поверхностях трения, обладающие относительно высокой прочностью и стойкостью, защищают поверхности от непосредственного механического и теплового контакта и препятствуют взаимной адгезии.

Наиболее известным представителем этой группы РВП является антифрикционный кондиционер металла Energy release, разработанный американской компанией Entech Corp. в рамках абсолютно закрытой программы по созданию самолета-невидимки Stealth. Он был создан специально для турбин реактивных двигателей и других узлов и механизмов, работающих в сверхтяжелых условиях, когда обычные СМ не обеспечивали необходимых свойств.

В последнее время на смену кондиционеру металла Energy release пришла новая американская разработка – синтетический кондиционер металла SMT-2, обладающий, по данным фирмы-производителя, более высокими антифрикционными свойствами.

Научно-производственная компания «Лаборатория трибо-технологии» разработала и выпустила аналог данного препарата, рекондиционер металла Fenom, который в настоящее время входит в целую группу различных продуктов для автохимии (рис. 68).