Характеристики некоторых слоистых добавок

 

Препарат	Производитель, страна	Назначение	Состав, комментарий
Ceramic Engine Protector	Petromark Automotive Chemicals BV (торговая марка P.M.Xeramic), Голландия	Уменьшает шероховатость трущих­ся поверхностей, снижает износ деталей двигателя, работает при температуре до 1200 °С, увеличи­вает ресурс	Керамическая антифрикционная добавка к моторному маслу на основе нитрида бора, работающая более 50 тыс. км пробега
MoX-G	SWFs.a,/n.v. (торговая марка Xenum), Бельгия	Улучшает работу моторных масел. Устраняет контакт металл по ме­таллу и улучшает режим гидроди­намической смазки	Синтетическая присадка в масло с графитом и молибденом
ZENOX	NV. Marly SA., Бельгия	Рекомендуется для всех двигате­лей, в том числе оснащенных пря­мым впрыском, турбонаддувом, каталитическим нейтрализатором и т. д.	Микрокерамические частицы и поляризованное синтетическое масло. Образует стойкую защитную пленку. Не использовать в период обкатки
MX Synthetic Motor O\ Additive	NV. Marly SA., Бельгия	Снижает трение, износ, расход топлива и увеличивает мощность всех четырехтактных дизельных и бензиновых двигателей	Синтетическая добавка в масло. Содержит графит и высококачест­венные синтетические соединения
Oil Additiv	Liqui Moly GmbH, Германия	Уменьшает износ и потери на тре­ние в двигателе, снижает потреб­ление топлива и масла	Антифрикционная добавка с дисуль­фидом молибдена, образующим пленку на поверхностях трения
CeraTec	Liqui Moly GmbH, Германия	Сглаживает микронеровности и упрочняет поверхностные слои трущихся деталей, снижает износ, потребление топлива и масла	Присадка в моторное масло на осно­ве синтетического молибдено-орга-нического комплекса и микрочастиц гексагональных борнитридов

содержания в них графита или дисульфида молибдена — это вполне может являться их отличительной особен­ностью. В то же время использование таких масел ви­зуально «маскирует» (не позволяет правильно оценить) качество очистки систем двигателя перед сменой масла и интенсивность старения моторного масла.

5.Как уже отмечалось, применение дополнительных
ремонтно-восстановительных препаратов наиболее целе­
сообразно для двигателей, имеющих большой пробег и
сниженные технико-экономические показатели. Однако
именно в этих случаях возможно попадание в моторное
масло топлива и прорыв отработанных газов в картер
через изношенную или закоксованную цилиндропорш-
невую группу, что приводит к интенсивному окислению
масла и резкому нарушению стабильности базового паке­
та присадок.

6.Как известно, при эксплуатации автомобиля в зим­
ний период или при длительном простое наблюдается
скапливание водяного конденсата в топливном баке
(особенно если оставить его на зимовку полупустым), а
также в цилиндрах двигателя. Под воздействием кисло­
рода происходит распад дисульфида, а попадающая влага
способствует образованию серной кислоты и возникно­
вению «стоп-эффекта», описанного в середине прошлого
века проф. И. В. Крагельским.

7.При разрушении (разрыве) пыльника на шарнире
равных угловых скоростей шарнир выходит из строя не
только вследствие попадания абразива (грязи) внутрь
узла трения, но и поскольку продукты окисления дисуль­
фида молибдена состоят из оксида молибдена, обладаю­
щего высокой абразивной способностью, и серы — кор-
розионно-активного компонента.

Применение смазочных материалов на основе ди­
сульфида молибдена, графита и других слоистых моди­
фикаторов достаточно эффективно и наиболее целесооб­
разно в трансмиссионных маслах и консистентных смаз­
ках, где опасность деструкции (разложения), выпадения
в осадок и засорения фильтров не столь актуальна.

Нанопрепяряты

(алмазы, фуллерены, рекондиционеры)

В отдельную специфическую группу следует вынести препараты, содержащие в своем составе наночастицы: алмазы, фуллерены и рекондиционеры.

Приставка «нано» («нанос» по-гречески — карлик) служит для обозначения одной миллиардной доли едини­цы (н). На расстоянии I нм (10~⁹ м) вплотную можно рас­положить примерно десять атомов.

Реально диапазон рассматриваемых объектов гораздо шире — от отдельных атомов (размером менее 0,1 нм) до их конгломератов и органических молекул, содержащих свыше 10⁹ атомов и имеющих размеры более 1 мкм в од­ном или двух измерениях. Принципиально важно, что нанопрепараты состоят из небольшого числа атомов, и, следовательно, в них уже в значительной степени прояв­ляется дискретная атомно-молекулярная структура веще­ства, квантовые эффекты, энергетика развитой поверх­ности наноструктур.

Наноструктуры обладают сочетанием ряда парамет­ров и физических явлений, несвойственных традицион­ным моно- и поликристаллическим состояниям материа­лов. Уменьшение размера кристаллов (в первую очередь, в металлах и сплавах) может приводить к существенному изменению свойств материалов. Установлено, что эти из­менения проявляются, когда средний размер кристалли­ческих зерен не превышает 100 нм, а наиболее ярко вы­ражены и эффективны при размере зерен менее 10 нм. При этом частицы могут иметь сферическую (равнораз-мерную) форму, быть вытянуты в виде нанопроволоки или нановолокна либо представлять собой наночешуйки (пластинки). Главное, чтобы одно из измерений (диаметр шариков или толщина чешуек) не превышало 100 нм.

В промышленность очень активно проникает новое направление в науке, основанное на так называемых на-нотехнологиях (процессах разделения, сборки и измене­ния свойств материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой вещества). Нанотехнология, возникшая на рубеже XX и XXI веков, стала символом третьей научно-технической революции. Результаты и перспективы работ в области нанотехноло-гий привели к тому, что в разных странах на уровне пра­вительств и крупнейших фирм созданы и активно ведутся работы в этом направлении. Изделия нанотехнологии, созданные на основе оптимальной сборки атомов и мо­лекул, в перспективе позволят реализовать их предельно возможные характеристики, по сравнению с которыми традиционные изделия не будут конкурентоспособны.

Правительства экономически развитых государств и частные фирмы все больше осознают нанонауку как ис­точник новых технологий и процветания. Поэтому сфера наноматериалов получает огромные фонды от частных предприятий и правительств. В Японии, например, про­грамма работ по нанотехнологии заработала высший го­сударственный приоритет «Огато». Данный проект спон­сирует не только государство, но и дополнительно около 60 частных фирм. Кроме данного проекта, в Японии фи­нансировалось около дюжины проектов, посвященных различным аспектам нанотехнологии. Внимание, уделяе­мое государством, выражалось, в частности, в том, что еще 10 лет назад в стране присуждались золотые медали за лучшие достижения в области нанотехнологии. Основ­ные разработки проводились в центре перспективных технологий «Цукуба».

Не случайно наибольшего прогресса в этом направле­нии достигли именно японские ученые, создавшие «мик­роскопический подшипник», в котором потери на трение близки к нулю. «Они настолько незначительны, что даже самые точные современные приборы не способны их за­регистрировать», — сообщили участвовавшие в экспери­ментах специалисты университетов Айти и Сэйкэй. Силу трения измеряли при помощи так называемого туннель­ного микроскопа, который дает возможность не только видеть составные части молекул, но и манипулировать ими, поскольку вместо оптики используется наноскопический зонд — игла толщиной в атом. Силу трения в результате зафиксировать не удалось, так как она была меньше триллионной доли Ньютона (единица измерения силы), а это пока науке недоступно. Материалом для «вечного» микроподшипника послужили синтетические молекулы-фуллерены.

В России в конце 2007 года для поддержки и развития практических работ в области нанотехнологий создана Государственная корпорация «Роснанотех».

Самым простым наноматериалом могут служить фрагменты вещества, измельченные до наноразмерного состояния или полученные другим физическим или хи­мическим способом. Хотя бы в одном измерении они имеют протяженность не более 100 нм и проявляют каче­ственно новые свойства (физико-химические, функцио­нальные, эксплуатационные и др.).

На рис. 13 показаны сферические наноразмерные струк­туры кремния. В них 84% частиц имеют диаметр 44 нм и 16% — 14 нм. Этот наноразмерный кремний получен

Рис. 13. Наноразмерные частицы кремния диаметром 14-50 нм (407 нм — ориентировочная шкала размеров)

при разложении газообразного моносилана (кремневодо-рода) SiH₄, из которого получают чистый полупроводни­ковый кремний в инертной среде при резонансном по­глощении лазерного излучения.

Одни из главных химических элементов, которыми интересуются ученые в области нанотехнологий, — угле­род и его аллотропные формы. До недавнего времени было известно, что углерод образует четыре аллотропные формы: алмаз, графит, карбин (получен искусственно) и лонсдейлит (впервые обнаружен в метеоритах, затем полу­чен искусственно). Установлены и другие формы углеро­да, например аморфный углерод, белый углерод (чароит) и др. Все они являются композитами, то есть смесью ма­лых фрагментов графита и алмаза.

Рассмотрим структуру еще двух аллотропных форм углерода: алмаза и фуллерена.

В структуре алмаза (рис. 14а) каждый атом углерода расположен в центре тетраэдра, вершины которого — че­тыре ближайших атома. Соседние атомы связаны между собой ковалентными связями. Такая структура определя­ет свойства алмаза как минерала с самой высокой твердо­стью из всех известных в природе материалов, при этом самый крупный из найденных алмазов, «Звезда Африки», имел массу более 600 г.

В настоящее время стала известна еще одна аллотроп­ная форма углерода — так называемый фуллерен, пред­ставляющий собой многоатомные молекулы углерода С_п. Молекула фуллерена С₆₀ была обнаружена в 1985 году при исследовании масс-спектров паров графита после лазер­ного облучения твердого образца. Название дано в честь известного американского архитектора-авангардиста, фи­лософа, поэта и инженера Ричарда Бакминстера Фуллера, разработавшего дизайн строительных конструкций, фор­ма которых аналогична форме молекулы фуллерена С₆₀ (рис. 146).

Фуллерен — это новая форма углерода. Молекула С₆₀ содержит фрагменты с пятикратной симметрией, несвой­ственной неорганическим соединениям в природе. По­этому признано, что молекула фуллерена — органическая молекула, а кристалл, образованный такими молекулами (фуллерит), — это молекулярный кристалл, являющийся связующим звеном между органическим и неорганиче­ским веществом.

Из правильных шестиугольников легко выложить плос­кость, однако нельзя сформировать замкнутую поверх­ность. Для этого необходимо разрезать часть шестиуголь­ных колец и из разрезанных частей сформировать пяти­угольники. В фуллерене плоская сетка шестиугольников (графитовая сетка) свернута и сшита в замкнутую сферу. При этом часть шестиугольников трансформируются в пя­тиугольники. Образуется усеченный икосаэдр — структу­ра, имеющая десять осей симметрии третьего порядка и шесть осей симметрии пятого порядка. У каждой вершины этой фигуры три ближайших «соседа». Каждый шести­угольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками, а пятиугольник — только с шести­угольниками. Каждый атом углерода в молекуле С₆₀ нахо­дится в вершинах двух шестиугольников и одного пяти­угольника и принципиально неотличим от других атомов углерода. Атомы углерода, образующие сферу, связаны между собой сильной ковалентной связью. Толщина сферической оболочки составляет 0,1 нм, радиус молекулы С₆₀ — 0,357 нм. Длина связи С—С в пятиугольнике — 0,143 нм, в шестиугольнике — 0,139 нм.

Молекулы высших фуллеренов С₇о, С₇₄, С₇₆, С₈₄, С₁₆₄, С₁₉2 и C₂i6 также имеют форму замкнутой поверхности. Фуллерены с п < 60 оказались неустойчивыми, хотя из чисто топологических соображений наименьшим из воз­можных фуллеренов является правильный додекаэдр С₂₀.

Кристаллический фуллерен, который был назван фул-леритом, имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку пространственной группы с параметром кубиче­ской решетки 1,42 нм, расстоянием между ближайшими соседями 1 нм и числом ближайших соседей в ГЦК-ре-шетке фуллерита, равным 12.

В 1991 году японский ученый С. Иджима на поляр­ном ионном микроскопе впервые наблюдал различные структуры, составленные, как и у графита, из шестичлен-ных колец углерода: нанотрубки (рис. 15), конусы и дру­гие наночастицы.

 

В 1992 году в природном углеродном минерале шун-гите (от названия поселка Шуньга в Карелии) были обна­ружены природные фуллерены. Открытие углеродных «гороховых стручков» — фуллеренов С₆₀ внутри одно-стенных углеродных нанотрубок — расширило границы возможных применений нанотрубок. Фуллерены внутри трубок выстраиваются в упорядоченные одномерные це­почки, формируя новые наноматериалы. В данном случае

Рис. 15. Идеализированная модель однослойной нанотрубки

 

Рис. 16. Схема противоизносного механизма фуллеренов

они состоят из 60 атомов углерода, расположенных в виде правильных пяти- и шестиугольников, которые вместе составляют шар. Эти вращающиеся «шарики» после сложного технологического процесса составили в ряд между двумя удлиненными пластинками из графита. Та­ким образом, был реализован принцип безызносного подшипника — его простейшая схема работы представле­на на рис. 16.

Нынешнее достижение нанотехнологии, по словам уче­ных, планируется внедрить в производство миниатюрных роботов и микромеханизмов, детали которых практически не будут изнашиваться. Наиболее интенсивные исследо­вания направлены на создание нанотрубок, уникальных жесткостью и прочностью, а также экстраординарными электронными свойствами. Углеродные нанотрубки уже сейчас применяются как усиливающие частицы в нано-композитах, но могут иметь много других областей при­менения, в частности, послужить стартом новой эры электронных устройств, более компактных и производи­тельных, чем используемые в настоящее время.

В Европе более чем в сорока лабораториях проводят­ся нанотехнологические исследования и разработки, фи­нансируемые как по государственным, так и по междуна­родным программам. В частности, существует программа НАТО по нанотехнологии.

В последнее время нанотехнологии постепенно при­ходят в автомобилестроение и автохимию. На базе нано-порошков концерн BMW разработал самоочищающиеся автомобильные поверхности, а компания AUDI уже при­меняет такие порошки для создания прочных зеркал и отражателей, стойких к царапинам.

Установлено, что включением наноалмазов в метал­лическое покрытие в количестве не более 1% (масс.) обеспечивается эффект дисперсного упрочнения, кото­рый выражается в уменьшении размера зерна электроли­тического металла. Корпорация General Motors объявила о намерении использовать эти материалы для наружной отделки автомобилей.

Алмазные наночастицы, в зависимости от условий применения, могут выступать либо в виде тончайшего абразива, либо в качестве эффективного модификатора трения. Оказалось, что алмазная шихта (промежуточный продукт получения наноалмазов) чрезвычайно эффек­тивна в виде добавок к моторным и трансмиссионным маслам, консистентным смазкам и смазочно-охлаждаю-щим технологическим средам. Различный набор наноча-стиц алмазной шихты оказывает сильное структурирующее действие как на поверхности трения (внедряясь в поверх­ности деталей и армируя их), так и на смазочный матери­ал, изменяя его характеристики.

Как ни парадоксально, но алмазосодержащая смазоч­ная композиция обладает высокими антифрикционными, противоизносными и противозадирными свойствами, а также высокой коллоидной стабильностью. Содержание наночастиц в рабочей среде в ничтожных количествах (всего 0,01—0,003%) обеспечивает мягкую безабразивную приработку деталей в двигателях и трансмиссии.

На отечественном рынке автохимии наиболее извест­ны приработочные составы Lubrifilm Diamond Run (Швей­цария) и Fenom Nanodiamond Green Run (Россия) на базе наноалмазов, а также антифрикционные препараты для моторных масел «Формула АР» и «Формула АВ» (Украи­на) — их создатели заявляют о введении в состав масел фуллеренов (табл. 11)