Исследование механизма формирования и функционирования поверхностных наноструктур на трибоконтакте для создания антифрикционного слоя с заданными трибофизическими характеристиками

Современный этап развития машиностроения характеризуется ужесточением требований к используемым триботехническим материалам. Повышение работоспособности поверхностей трения деталей машин традиционно связано с формированием модифицированных поверхностных слоев или защитных покрытий, обладающих особыми свойствами: низким коэффициентом трения, анизотропией механических свойств, повышенной износостойкостью, способностью выдерживать высокие удельные давления. Основной задачей инженерии поверхности является синтез достижений в области использования новых материалов и разработки технологических процессов создания поверхностных слоев с заданными трибологическими свойствами. Основным подходом к решению поставленной задачи является целенаправленное формирование многоуровневых структур и их классификация в поверхностных слоях исследуемых материалов с разделением механизмов их влияния на физические и трибологические свойства поверхностных слоев.К числу наиболее перспективных направлений создания композиционных материалов на полимерных и совмещенных матрицах для изготовления широкой номенклатуры деталей конструкционного и триботехнического. назначения относится функциональное модифицирование базовых матриц компонентами различного состава, дисперсности, габитуса и активности. Данное направление, традиционно развиваемое в ведущих центрах по разработке антифрикционных композитов, в последнее десятилетие приобрело особую актуальность в связи с развитием наноматериаловедения и нанотехнологий. Уникальность проблемы создания высокоэффективных материалов триботехнического назначения состоит в противоречивости, а подчас диаметральной противоположности, требований, предъявляемых к структуре и свойствам поверхностного слоя и объема. Повышение работоспособности поверхностей трения деталей машин, наряду с традиционными методами упрочнения, неразрывно связано с формированием специальных защитных слоев (покрытий), обладающих особыми свойствами: низким коэффициентом трения, повышенной износостойкостью и выдерживающих высокие удельные давления. В рамках сформулированной глобальной проблемы авторы проекта стремятся сфокусировать свои усилия на решении задачи повышения живучести поверхностного слоя в условиях высоких степеней деформации при длительном процессе трения. Выбор способа модифицирования поверхностного слоя − наиболее сложный вопрос при разработке технологического процесса, обеспечивающего достижение функциональных свойств и показателей ресурса, так как только на финишных операциях обработки деталей может быть достигнуто такое состояние поверхностного слоя материала, при котором станет возможным его приспосабливаемость к условиям эксплуатации. Причем возможность выбора технологий и материалов ограничена экономическими соображениями, поэтому перспективным является внедрение инновационных оригинальных наноструктурированных и нанокомпозитных материалов, передовых технологий и способов управления процессом формирования поверхности трибоконтакта. Основные различия в поведении наноструктурных и обычных материалов связаны с тем, что в первом случае значительную роль играет сильное увеличение объемной доли границ раздела. Это приводит к новым физическим явлениям и уникальным свойствам, присущим наномасштабу. Настоящий проект основан на развитии работ по тематике фундаментальных исследований и базируется на совершенствовании механизма формирования поверхности трибоконтакта в результате выработанных инновационных решений модификации свойств полимерных нанокомпозитов. Введение в состав нанокомпозитов разработанных в процессе реализации программы проекта высокоэффективных биоразлагаемых смазочных материалов, содержащих наноразмерные частицы природных соединений класса силикатов, алюминатов, мезогенных веществ, обусловливает формирование на трибоконтакте поверхностной наноструктуры, значительно повышающей параметры деформационно-прочностных и триботехнических характеристик. Принципиально новым подходом служит конструирование полимерной матрицы путем ее наполнения, исходя из возможности реализации комплекса ее новых свойств, расширения областей применения. Для формирования многоуровневых структур на поверхности трибосопряжения с учетом полученных в проекте 2014-16 г.г. результатов в данном исследовании предложены два направления:•микрокапсулирование – введение микрочастиц (смазочных материалов с наноприсадками) в оболочках из полимерных материалов в матрицу разработанных нанокомпозитов.;•создание многофункциональных, универсальных ингибиторов изнашивания трибосистем – маслонаполненных полимеров – «маслянитов».Решение ряда существующих технологических проблем, связанных с равномерностью распределения модификаторов в полимерной матрице, роста адгезионного взаимодействия матрицы с металлом при сохранении заданного количества модификатора (микрокапсул или масла), выполняющих роль пластификатора матрицы с учетом сегрегационных эффектов в трибоконтакте позволит проводить конструирование материалов с заданными эксплуатационными свойствами. Углубление и расширение фундаментальных знаний о концептуальных принципах создания маслонаполненных полимерных композитов с адаптивными эксплуатационными свойствами обеспечит получение целевых продуктов нового класса умных материалов триботехнического назначения. Они будут работоспособны в интервале температур конструкционных сплавов, обладая при этом сниженным коэффициентом трения, стабильным в широком диапазоне нагрузок. Переход к новой парадигме развития области триботехнического материаловедения в результате конструирования на молекулярном уровне состава умных полимерных материалов, как безальтернативной формы энерго- и материалосбережения обеспечит функционирование наиболее ответственных объектов современного машиностроения.Разрабатываемые антифрикционные наноматериалы способны создавать ориентированное смазочное покрытие на поверхностях трения. Благодаря этому обеспечивается лучшая защита контактирующих поверхностей от таких видов изнашивания, как адгезионное (за счет пассивации поверхности трения созданием защитного слоя твердой смазки) и коррозионно-механическое (создавая потенциальный барьер для проникновения в поверхностный слой коррозионно-активных сред). Эти материалы имеют низкую чувствительность по зависимости физико-химических свойств от перепада температур, влажности и запыленности окружающего воздуха. Они способны наносить смазку в определенную область трения, осуществлять лубрикацию порционно именно в той зоне контакта тел, где это необходимо. Это приведет к экономии смазочного материала. Порционное поступление смазочного материала обеспечит более стабильный режим работы узла трения ввиду того, что лубрикация производится порциями нового неотработанного смазочного материала. Использование нанокомпозита в негерметичных узлах трения, не приводит к разбрызгиванию смазочного материала и попаданию в окружающую среду. Применение полимерных композитов, наполненных пропитанными биоразлагаемым смазочным материаломи и наноразмерными частицами, в силу их пролонгированной зарядовой активности, можно рассматривать как перспективные материалы с точки зрения их экологической безопасности. Все это предопределяет их более высокую эксплуатационную применимость.Разработка нетрадиционных антифрикционных полимерных материалов с адаптивными функциями играет стратегическую роль в решении глобальной проблемы сокращения энергоемкости и сохранения металлофонда промышленности России. Их применение минимизирует фрикционные потери и износ ответственных деталей дорогостоящего оборудования. В тяжелом машиностроении это замена деталей из конструкционных сплавов, эксплуатирующихся в химически агрессивных средах, в добывающем секторе (горно-нефте-газодобывающая промышленность) это узлы трения затворов, опорно-ходовых устройств гидросооружений и трубопроводных магистралей, центробежные, поршневые насосные агрегаты.Данный тип полимеров представляет собой новую веху наукоемкой продукции, развивающуюся на базе фундаментальных достижений технологии полимеров, трибохимии, трибофизики, физической мезомеханики с решением фундаментальной задачи материаловедения, заключающейся в поиске биоразлагаемых ингибиторов изнашивания. Это позволяет расширить спектр практического использования данных материалов в инженерной экологии, биотехнологии с представлением таксономии вариативных форм их функциональных возможностей. Разработанные методы и подходы позволят реализовать технологию получения и обработки функциональных наноматериалов, отвечающую мировым тенденциям в области молекулярного конструирования материалов с заданными свойствами. Применение функциональных наноматериалов позволит увеличить объем импортозамещения на промышленных предприятия РФ с переводом их на дешевое, эффективное отечественное сырье и материалы. Перечисленные перспективы реализации результатов научно-прикладных исследований свидетельствуют о востребованности данных работ как неотъемлемой части движущей силы научно технического прогресса в масштабах машиностроительного комплекса России.