Новости

2 августа, 2021 16:44

В глубины поверхности. На проблемы трения посмотрят свежим взглядом

«Всем нам случалось выходить в гололедицу, – писал французский физик Гильом. – Сколько усилий стоило нам удерживаться от падения, сколько смешных движений приходилось нам проделывать, чтобы устоять! Это заставляет нас признать, что обычная земля, по которой мы ходим, обладает драгоценным свойством, благодаря которому мы сохраняем равновесие без особых усилий. Изучая подобные явления, мы приходим к открытию тех следствий, к которым приводит трение».
Фото: Depositphotos

Оно же, добавим, порождает массу проблем, которые на протяжении веков пытаются решить исследователи. Наука о контактном взаимодействии твердых тел называется трибологией. Она охватывает комплекс вопросов о трении, износе трущихся элементов и смазке между ними. Результаты поиска в этой области помогают решать актуальные проблемы экономии энергии и материалов, повышения надежности и безопасности механических систем, даже экологии. Достижения ученых-трибологов обеспечивают снижение затрат труда на техническое облуживание машин, стоимость капитальных ремонтов, уменьшение расхода запасных частей и горюче-смазочных материалов, уменьшение расхода металла на изготовление конструкций узлов трения.

Однако задачи, решаемые трибологией, можно назвать «вечными»: видоизменяясь, они возникают снова и снова, поскольку стремление к техническому прогрессу непреодолимо.

Так, сегодня по технологическим и экономическим причинам практически исчерпали себя возможности повышения ресурса деталей за счет использования высокопрочных, высоколегированных и износостойких материалов. Нужны новые подходы, идеи, направления. В последнее время они рождаются в ходе масштабных исследований, которые ведут при поддержке РНФ ученые Ростовского государственного университета путей сообщения (РГУПС). Проект называется «Создание триботехнических материалов и покрытий нового поколения на основе интеллектуальной (цифровой) технологии синтеза».

Современная модификация

Под современным углом зрения «вечная» проблема видится следующим образом: есть два соприкасающихся тела, под воздействием сил трения в поверхностном слое каждого из них происходят физические, химические, молекулярные изменения. С каждым требуется детально разобраться, чтобы придумать, как этими процессами управлять. «В первую очередь нужно разработать теоретические основы и научные принципы технологического управления состоянием поверхности трибосопряжений, – говорит руководитель проекта, президент РГУПС, академик РАН Владимир Колесников. – Это одна из важнейших задач проекта. Решив ее, мы сможем модифицировать (менять) поверхностный слой, создавать многофункциональные покрытия, обладающие ко всему прочему эффектом памяти формы».

Одно из перспективных направлений, по мнению ученого, – создание на поверхностях трибосопряжений саморегулирующихся структур. Трибология начала интенсивно развиваться во второй половине прошлого века благодаря исследованиям советских ученых, базируясь на отечественных научных открытиях безызносного трения и водородного изнашивания металлов. На современном этапе к созданию саморегулирующихся структур ученые подключили искусственный интеллект, взяли на вооружение интеллектуальные (цифровые) технологии синтеза.

Стоит отметить, что подход к направленному перестраиванию структуры, а значит, и свойств поверхностного слоя принципиально отличен для металлополимерных и металлических трибосистем. Для первых раскрытие механизма и кинетики образования вторичных структур на поверхности – это путь к созданию новых высокоэффективных самосмазывающихся полимерных композиций. Для вторых – металлических узлов трения – основой поиска является создание материалов, технологии и режимов модифицирования металлической поверхности с помощью физических методов обработки поверхности и использования алмазоподобных покрытий. «Например, нам нужно создать узел трения, состоящий из композита и металла, – говорит руководитель проекта. – Берем фенилон С-2 – хорошо известный, достаточно прочный и термостойкий полимер. Вводим его в матрицу фтор-полимер 4МБ. Получаем композит, из которого изготавливаем деталь, которая будет работать в узле трения. Вторым компонентом, так сказать, «напарником», выступает металл. Под действием сил трения композит начинает разрушаться. Продукты фенилона за счет высокой адгезии (прилипания) удерживаются на поверхности металлического «напарника». Фенилон имеет положительный заряд. А вот продукты фторопласта – отрицательный. За счет электрических сил они удерживаются на фенилоне, а на металле образуется пленка переноса, которая увеличивает износостойкость, снижает коэффициент трения. На практике процесс гораздо сложнее: помимо фторполимера в матрицу фенилона вводятся и другие наполнители – волокна аримида-Т, наноразмерные добавки (шпинели), которые изменяют физико-механические свойства полимерного композита: твердость, модуль упругости, индекс пластичности и другие».

Предмет нынешнего исследования для металлических поверхностей – наиболее перспективные ионно-плазменные покрытия: металлокерамические, алмазоподобные, нанокомпозитные, высокоэнтропийные. Их можно использовать в различных областях, в широком интервале баротермических условий трения, включая области высоких и криогенных температур. Результаты проекта могут стать основой получения изделий, способных работать как на Крайнем Севере, который наша страна активно осваивает, так и в космосе. Иными словами, в самых экстремальных условиях.

Решить обозначенные задачи невозможно на каком-то одном научном направлении. Проект потребовал интеграции методов нескольких взаимодополняющих дисциплин: трибологии, инженерии поверхности, материаловедения, многомасштабного моделирования, в том числе квантово-химического, методов молекулярной динамики, анализа данных с помощью искусственного интеллекта.

Трение – помощник

В ходе реализации проекта, исследуя фрикционные узлы с высоким коэффициентом трения (пример такого узла – колесо подвижного состава и тормозная колодка), исследователи пришли к принципиально важному в трибологии выводу: трение может быть не только разрушительным процессом, что давно признано мировым сообществом ученых и инженеров, но и созидательным. Этот феноменальный результат получен на основе квантово-химических расчетов с применением диффузионно-сегрегационных процессов.

“Возьмем колеса подвижного состава и тормозные колодки, – объясняет Владимир Колесников. – Со времен создания паровоза и до 70-80-х годов прошлого века их лили из чугуна. В 70-е годы советский ученый Шая Билик создал полимерный композит. Колодки, изготовленные из него, прекрасно работали, но в ходе эксплуатации специалисты обратили внимание на быстрый износ поверхности катания колеса. Сначала причину видели в слабой теплопроводности. В колодку стали добавлять компоненты, хорошо уводившие тепло из зоны трения. Не помогло. Целые куски металла с поверхности катания колеса (до двух, трех и более килограммов) отслаивались и прилипали к композиционной колодке. Наши исследования показали, что при эксплуатации из нее выделяется водород, в ионном виде и атомарном (электропассивном). Он проникает в металл, где соединяется с углеродом, создает напряжение и разрушает поверхность катания колеса”.

В трибологии это явление получило название «водородный износ». Для решения проблемы разработан целый комплекс мер. Наиболее эффективным стало изменение знака заряда на колодке с положительного на отрицательный. Это достигалось добавлением в композит специальных элементов, например, политетрафторэтилена (ПТФЭ), с уникальными химическими и антифрикционными свойствами. В результате на колодке возникает отрицательный заряд, и атомарный водород не проникает в поверхность катания колеса.

Самые значимые результаты получены в последние годы. Разработана методика изучения диффузионно-сегрегационных процессов (перемещения и разделения молекул и атомов веществ) происходящих в зоне взаимодействия полимерного композита с металлом. В итоге ученые доказали, что некоторые химические элементы способствуют упрочнению, а некоторые – разупрочнению поверхностей металлического контртела. Так, добавляя в полимерную тормозную колодку упрочняющий химический элемент, который при торможении проникает в поверхность катания колеса, мы тем самым упрочняем ее. Это позволило сделать принципиально важный для трибологии вывод: трение можно использовать как созидательный процесс.

На сегодняшний день разработаны теоретические и практические критерии создания нового класса металлополимерных трибосистем. Еще более интересными и в определенной степени неожиданными для ученых оказались процессы в узлах трения при наличии смазки. Например, в буксе подвижного состава. Вместе с тем, в ходе реализации проекта со всей очевидностью возникла необходимость формулировать обобщающий подход к прогнозированию состава и структурных параметров материалов. По мнению Колесникова, сделать это можно с помощью нейросетевых технологий. Благодаря развитию новых численных методов появилась возможность установить более глубокие взаимосвязи между структурой и свойствами материалов.

И еще на один принципиальный момент в ходе исследований обратили внимание ученые. Несмотря на широкое применение вакуумных методов напыления покрытий, пока не сформулированы фундаментальные основы их получения, учитывающие эволюцию покрытий при изменении условий эксплуатации. Например, при отрицательных температурах. Решение этой задачи особенно актуально в свете современных технологических вызовов, стоящих перед Российской Федерацией.

Уже полученные результаты, а также те, что видятся в перспективе по ходу осуществления проекта, вселяют уверенность в ученых. Новые функциональные материалы с заданными триботехническими и механическими характеристиками под конкретные условия эксплуатации, будут разработаны. Итогом должно стать повышение ресурса узлов трения различных транспортных механизмов – от железнодорожного транспорта до космических аппаратов. Вот один из конкретных результатов: совместно с индустриальными партнерами разработаны предложения по повышению износостойкости и надежности шлицевого соединения вертолетов. Тем самым выполняется одно из требований РНФ.

«В грантовой политике Фонда заложены ключевые факторы: научные идеи, востребованность результатов исследований экономикой, развитие инновационной инфраструктуры и, конечно, подготовка для нее кадров, – говорит Колесников. – То есть выстроена логическая цепочка бизнес – наука – кадры. О взаимодействии с индустриальными партнерами особо сказано. Кроме того, у нас сейчас по проекту защищены две кандидатские диссертации, готовятся к защите две докторские. Это пример грантовых задач РНФ, нацеленных на неразрывное единство развития науки и образования. Совершенно естественно в этой связи участие в реализации нынешнего проекта не только опытных, авторитетных исследователей, но и молодых ученых, даже студентов».

Такой подход должен обеспечить перспективу опережающего развития российской экономики.


27 сентября, 2021
Новосибирские ученые усилили действие антибиотиков для борьбы со стафилококком
Технология подразумевает двойное воздействие на вредоносные микроорганизмы. Болезни, спровоцирован...
27 сентября, 2021
Рощу из самой редкой в России березы нашли в заповеднике «Курильский»
Самые редкие виды лиственных деревьев России произрастают в Сахалинской области на острове Кунашир...