2. Виды наноматериалов.
В общем случае существуют следующие виды наноматериалов:
Современная наука классифицирует следующие виды наноматериалов: наночастицы, фуллерены, нанотрубки и нановолокна, нанопористые структуры, нанодисперсии, наноструктурированные поверхности и пленки, нанокристаллические материалы.
Наночастица — изолированный твёрдофазный объект, имеющий отчётливо выраженную границу с окружающей средой, размеры которого во всех трех измерениях составляют от 1 до 100 нм.
Фуллере́н — молекулярное соединение, представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода.
Углеродные нанотрубки — это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров.
Нанодисперсия, наноэмульсия или наножидкость — это жидкость, содержащая частицы и агломераты частиц с характерным размером 0,1—100 нм. Такие жидкости представляют собой коллоидные растворы наночастиц в жидком растворителе.
Нанокристаллическими называют материалы с размерами кристаллов менее 100 нанометров. По комплексу свойств они существенно отличаются от обычных материалов такого же химического состава, даже если структура последних является мелкозернистой с размером зерен в поперечном направлении не более 5-10мкм.
Свойства нанокристаллических материалов определяются размерами отдельных зерен, свойствами граничного слоя, взаимодействием основных составляющих структуры с поверхностными слоями частиц.
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
«Смоленская государственная сельскохозяйственная академия»
Кафедра механизации
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
по дисциплине «Наноматериалы»
Направление: 110800.62 «Агроинженерия»
Профиль: «Технические системы в агробизнесе», «Технический сервис в агропромышленном комплексе»
Разработал доцент кафедры механизации кандидат технических наук доцент
ЦАРЕГОРОДЦЕВ ЕВГЕНИЙ ЛЕОНИДОВИЧ
(3 курс )
2013
Модуль 1. Наноматериалы
Тема: Наноинженерия поверхности деталей
Вопросы: 1.Эффект безызносности и образование сервовитной пленки.
2. Финишная антифрикционная безабразивная обработка деталей.
3. Наноориентированные технологии обработки поверхности.
4. Свойства пленочных ноноструктур.
Эффект безизностности и образование сервовитной пленки
Наноинженерия - научно-практическая деятельность по конструированию, изготовлению и применению наноразмерных объектов или структур. Наноинженерия поверхностей относится к наиболее востребованной в машиностроении нанотехнологии, являясь доступным и прогрессивным методом получения перспективных наноматериалов.
Под наноинженерией поверхностей понимаются методы и технологии формирования полифункциональных покрытий поверхностей деталей с заданными прочностными, трибологическими и другими конструкционными или эксплуатационными свойствами.
Трибология - наука об изучении явлений и механизмов трения, смазки и износа поверхностей движущихся тел.
Любой трибологический узел это три компоненты, две из которых - сопряженные поверхности трения, третья - пленка масла, разделяющая эти поверхности.
Современные смазочные материалы определяют свойства только третьего компонента - масляной пленки, практически не влияя на свойства двух других.
Избирательный перенос — вид трения, который обусловлен самопроизвольным образованием в зоне контакта тонкой не окисляющейся металлической пленки с низким сопротивлением сдвигу и не способной накапливать при деформации дислокации.
Избирательный перенос при трении (эффект безызносности) — явление, по своему характеру противоположное изнашиванию: если при изнашивании во время трения все процессы в зоне контакта сводятся к разрушению поверхности, то при избирательном переносе трение может сопровождаться эволюционными процессами, в результате которых разрушение поверхностей становится второстепенным. Главным выступает созидательный характер трения, который обусловлен обменом узла трения с внешней средой энергией и веществом, а также коллективным поведением ионов металла, из которых формируется тонкая пленка, защищающая поверхности трения от изнашивания.
Металлическую пленку, образующуюся в процессе трения, называют "сервовитной " (от лат. servo-witte — спасать жизнь). Она представляет собой вещество (в данном случае металл), образованное потоком энергии и существующее в процессе трения. Трение не может уничтожить пленку, оно ее создает. Образование защитной пленки относится к новому классу самоорганизующихся явлений неживой природы.
Определено, что металлами, которые могут формировать сервовитные пленки являются медь, никель, палладий и платина. Для машиностроения имеют значение в основном медь и никель. При этом нужно учесть, что получение сервовитных пленок на железоуглеродистых сплавах возможно только на основе меди.
При деформировании сервовитная пленка не разрушается и не подвергается усталостному разрушению. Она воспринимает все нагрузки, покрывая шероховатость поверхностей стальных деталей, которые практически не участвуют в процессе трения.
Структура пленки отличается от структуры обычной меди; она квазижидкая — имеет много вакансий и мало дислокаций, так как образовалась в процессе трения (в стесненных условиях). При трении сдвиг поверхностей трения происходит внутри образующихся пленок по диффузионно-вакансионному механизму.
Анализ физических процессов при ИП проводился в сравнении с процессами, происходящими при граничном трении наиболее изученном и широко распространенном в узлах трения машин и механизмов.
При граничном трении основными факторами, определяющими износ поверхностей трения, являются:
— пластические деформации, приводящие к наклепу поверхностей и разрушению микронеровностей;
— окислительные процессы: образующиеся при трении окисные пленки, хотя и препятствуют схватыванию и глубинному вырыванию, хрупки и быстро разрушаются, составляя часть расхода металлов на износ;
— внедрение отдельных участков поверхности одной детали в сопряженную поверхность другой, что при скольжении вызывает образование неровностей поверхностей и при многократном воздействии их разрушение (усталостное изнашивание);
— адгезионное схватывание, приводящее к переносу материала одной детали на другую и усиление изнашивания;
— наводороживание поверхностей трения деталей, что ускоряет изнашивание в зависимости от условий работы трущихся деталей более чем на порядок.
Следовательно защита от износа должна быть многофакторной, в соответствии с перечисленными выше явлениями. Применение для защиты от изнашивания только смазки хотя и предохраняет от схватывания (не весьма надежно), но не спасает от взаимного внедрения неровностей, пластического деформирования, окисления и разрушения окисных пленок и других необратимых процессов.
При избирательном переносе защитные системы построены по принципу избыточности, так как сервовитная пленка поглощает деформацию, а внедрение неровностей практически отсутствует. Впадины между выступами шероховатостей поверхности заполнены веществом, обладающим свойствами смазки и способностью нести нагрузку, — сервовитной пленкой. Кроме того, это вещество не уносится из зоны трения, а лишь поступает туда и удерживается там, т.е. обладает свойствами сохранности. Именно такой многофакторной защитой отличается от граничного трения явление избирательного переноса.
Действительно, сервовитная пленка исключает взаимодействие шероховатостей поверхностей, а электрический заряд частиц износа возвращает частицы в зону контактного взаимодействия поверхностей. Также защита против окисления металлов, в режиме трения при ИП достигается восстановительным характером химических процессов при трении.
Рис. 1. Схема контакта деталей при граничной схеме (а) и ИП (Избирательном переносе)(б)
При Избирательном переносе контакт осуществляется через пластически деформируемый мягкий и тонкий слой металла. В результате площадь фактического контакта возрастает в десятки раз, а материал деталей испытывает лишь упругие деформации.
Толщина сервовитной пленки достигает 1...2 мкм, что соответствует размерам неровностей (или перекрывает их) большинства деталей общего машиностроения.
При граничной смазке взаимодействие неровностей поверхностей вызывает усталостное изнашивание. При ИП трение непрерывное (континуальное), площадки контакта плоские.
Помимо увеличения площади фактического контакта тонкие пленки мягкого металла сами по себе уменьшают трение между твердыми соприкасающимися поверхностями. Имеется оптимальная толщина пленки, обеспечивающая минимум коэффициента трения. Нагрузка воспринимается через пленку, которая не выдавливается и предохраняет поверхности трущихся тел от непосредственного контакта. Срез происходит в мягком металле (в случае схватывания пленки и материала ползуна).
В режиме Избирательного переноса, трение происходит без окисления поверхностей и поэтому не сопровождается образованием окисных пленок.
Защиту поверхностей от окисления выполняют плотные слои положительно заряженных адсорбированных поверхностно-активных веществ, которые образуются в процессе трения и предотвращают поступление кислорода к сервовитной пленке.
