Нанотехнологии. Правда и вымысел

Цель работ в этом направлении – создание специальных добавок в топливно-смазочные материалы на базе металлокерамических соединений, которые смогли бы вступать во взаимодействие с контактируемыми (трущимися) участками деталей и формировать на них металлокерамический слой, частично восстанавливающий дефекты поверхностей трения. Подобные добавки должны также обладать высокими антифрикционными и противоизносными свойствами.

Геомодификаторы

Препараты автохимии на основе минералов естественного и искусственного происхождения (нано– и микроуровня) называются «геомодификаторами», «геоактиваторами», «ремонтновосстановительными составами» (РВС-технология) или «ревитализантами». Попадая на поверхности трения вместе с маслом или в составе пластичной смазки, они инициируют процесс формирования на трущихся поверхностях металлокерамической наноразмерной структуры с высокой износостойкостью и малым коэффициентом трения.

Началом исследований в данном направлении стало необычное явление, обнаруженное при бурении сверхглубокой скважины на Кольском полуострове. Было выявлено, что при прохождении буровым инструментом (долотом) горных пород, богатых серпентинитом (змеевиком), ресурс режущих кромок инструмента резко увеличивался.

Серпентины – группа природных минералов. Встречаются они в нескольких видах. Все серпентины – зеленые минералы, слагающие жирные на ощупь массивные агрегаты со слоистой структурой, отдаленно напоминающей графит, которые различимы лишь под электронным микроскопом.

Формула серпентина – Mg6[Si4O10](OH)8, или зMg02Si022H20, или (Мg0Н)6Si40llН20. Компонентный состав серпентина:

МgО – 43 %, SiO2 – 44 %, Н2О – 12,1-12,9 % (в серпентине содержится около 13 % конституционной воды; конституционная вода представлена в минералах ионами гидроксила (ОН)- и в единичных случаях ионами Н+, располагающимися в узлах кристаллической решетки). Эта вода прочно удерживается минералами при комнатной температуре, но выделяется при нагревании в температурном интервале 300-1300 °C. Выделение воды сопровождается разрушением кристаллической решетки минерала.

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.