СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ……………………………. 5
ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………………………………. 6
Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР …………………………………………………………………. 14
1.1 Трибохимические сопряжения в узлах трения и механизм трибохимических
реакций …………………………………………………………………………………………………………… 14
1.1.1 Явление трения. Виды трения. Виды трибохимических реакций ……………… 14

1.1.2 Факторы, влияющие на химический состав трущихся поверхностей и
величину коэффициента трения ………………………………………………………………………. 17

1.2 Традиционные антифрикционные материалы и трибохимические процессы с
их участием …………………………………………………………………………………………………….. 18
1.2.1 Графит ……………………………………………………………………………………………………. 18

1.2.2 Дисульфид молибдена …………………………………………………………………………….. 20

1.2.3 Серпентинит……………………………………………………………………………………………. 21

1.3 Наноразмерные антифрикционные материалы и особенности их поведения в
трибохимических системах ……………………………………………………………………………… 23
1.3.1 Наноуглеродные материалы…………………………………………………………………….. 23

1.3.2 Наноразмерные сульфиды и селениды …………………………………………………….. 27

1.3.3 Простые и сложные оксиды …………………………………………………………………….. 29

1.3.4 Нанопорошки металлов …………………………………………………………………………… 30

1.4 Слоистые титанаты калия и их модификации……………………………………………… 31
1.4.1 Синтез и структура титанатов калия ………………………………………………………… 31

1.4.2 Синтез и трибологические свойства слоистых титанатов калия и их
производных, модифицированных соединениями переходных металлов ………….. 34

1.5 Слоистые двойные гидроксиды ………………………………………………………………….. 37
1.5.1 Синтез, строение и свойства слоистых двойных гидроксидов ………………….. 37

1.5.2 Трибологические и трибохимические свойства СДГ ………………………………… 44
1.6 Выводы по главе. Рабочая гипотеза ……………………………………………………………. 47
Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ И ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ ………………………………………………………………………………………………… 51
2.1 Реактивы и материалы ……………………………………………………………………………….. 51
2.2 Методы исследований физико-химических свойств ……………………………………. 51
2.3 Синтез базового полититаната калия ………………………………………………………….. 53
2.4 Синтез слоистых двойных гидроксидов ……………………………………………………… 54
2.5 Синтез нанокомпозитных материалов в системе полититанат калия – слоистые
двойные гидроксиды ……………………………………………………………………………………….. 55
2.6 Методика приготовления смазочных композиций ………………………………………. 56
2.7 Методика исследования трибохимических свойств исследуемых порошков .. 57
2.8 Методика измерения микротвердости поверхностей трения ……………………….. 58
2.9 Методика оценки триботехнических характеристик смазок на основе
исследуемых высокодисперсных порошков …………………………………………………….. 58
Глава 3. СОСТАВ, СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 60
3.1 Состав, строение и физико-химические свойства синтезированных слоистых
двойных гидроксидов ……………………………………………………………………………………… 60
3.2 Состав, строение и свойства базового полититаната калия …………………………. 70
3.3 Исследование нанокомпозитных материалов системы ПТК-СДГ ……………….. 71
3.3.1 Определение оптимального соотношения ПТК/СДГ, позволяющего
синтезировать нанокомпозитный материал ……………………………………………………… 71
3.3.2 Состав, строение и свойства нанокомпозитных материалов системы ПТК-
СДГ …………………………………………………………………………………………………………. 74
3.4 Выводы по главе ………………………………………………………………………………………… 83
Глава 4. ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ И ТРИБОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
СЛОИСТЫХ ДВОЙНЫХ ГИДРОКСИДОВ РАЗЛИЧНОГО СОСТАВА И
НАНОКОМПОЗИТОВ НА ИХ ОСНОВЕ ………………………………………………………… 85
4.1 Трибохимические свойства слоистых двойных гидроксидов ………………………. 85
4.2 Трибохимические свойства нанокомпозитных материалов в системе
ПТК-СДГ ………………………………………………………………………………………………………… 97
4.2.1 Трибохимические свойства базового ПТК ……………………………………………….. 97
4.2.2 Трибологические свойства нанокомпозитных материалов и компаундов,
синтезированных в системе ПТК-СДГ …………………………………………………………… 102
4.2.3 Трибохимические свойства нанокомпозитов системы ПТК-СДГ ……………. 103
4.2.4 Механизм внедрения компонентов системы ПТК-СДГ в структуру трущихся
поверхностей…………………………………………………………………………………………………. 115
4.2.5 Влияние длительности фрикционного контакта смазочных композиций на
основе нанокомпозитов системы ПТК-СДГ на фракционный состав и морфологию
частиц добавки………………………………………………………………………………………………. 119
4.3 Выводы по главе ………………………………………………………………………………………. 122
Глава 5. ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ СМАЗОЧНЫХ КОМПОЗИЦИЙ С ДОБАВКАМИ
СИНТЕЗИРОВАННЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ …………………………………………….. 125
5.1 Трибологические свойства нанокомпозитных порошков в составе пластичных
смазок …………………………………………………………………………………………………………… 125
5.2 Выводы по главе ………………………………………………………………………………………. 130
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………………………………. 135
Приложение А. Справка о практическом применении результатов
диссертационной работы ……………………………………………………………………………….. 155
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ПТК – полититанат калия;
СДГ – слоистый двойной гидроксид;
СДГ(Me(II)/Me(III)-СО3) – карбонатная форма слоистого двойного
гидроксида соответствующих двух- и трехвалентного металлов;
ПТК-СДГ(Me(II)/Me(III)-СО3) – нанокомпозит представляющий собой
полититанат калия, частицы которого декорированы наночастицами
карбонатной формы слоистого двойного гидроксида соответствующих
двух- и трехвалентного металлов;
ЭДС – энергодисперсионная спектроскопия;
СЭМ – сканирующая электронная микроскопия;
ПЭМ – просвечивающая электронная микроскопия
ИК (ИКС)– Инфракрасный (инфракрасная спектроскопия)
РФА – рентгеновский фазовый анализ;
СМ – смазочный материал;
СК – смазочная композиция;
УНТ – углеродные нанотрубки.

Во введении дано обоснование актуальности темы исследования, указаны цель и задачи работы, сформулированы научная новизна и практическая значимость результатов работы, приведены положения, выносимые на защиту, а также сведения об апробации, объеме и структуре диссертационной работы.
В первой главе представлен аналитический обзор современных смазочных добавок и процессов, протекающих с их участием в условиях трибологического контакта. Рассматриваются механизмы снижения трения и износа смазочных материалов при использовании в их составе традиционных добавок, таких как дисульфид молибдена, графит, серпентинит, а также наноразмерных антифрикционных материалов. Отмечено влияние морфологии и химического состава рассматриваемых добавок на трибологические свойства смазочных композиций на их основе.
Приведен анализ методов получения титанатов щелочных металлов и способов получения слоистых двойных гидроксидов различного химического состава. Особое внимание уделяется рассмотрению трибологических свойств полититаната калия и слоистых двойных гидроксидов. Дано обоснование выбора направления и объектов исследования.
Во второй главе перечислены материалы, реактивы и оборудование, используемые при выполнении работы. Описаны методы синтеза нанокомпозитных материалов, являющихся объектами исследования в данной работе.
Описаны методы исследования состава, структуры и свойств объектов исследования: рентгеновский фазовый анализ, инфракрасная спектроскопия, просвечивающая электронная микроскопия, сканирующая электронная микроскопия, метод лазерной дифракции. Также описана методика приготовления смазочных композиций на основе базовых смазочных материалов и нанокомпозитных порошков.
Представлены методики исследования и оценки трибологических и трибохимических свойств нанокомпозитов в составе смазочных композиций: метод испытаний смазочных материалов на четырехшариковой машине трения; метод испытания на машине трения типа ролик-обойма.
В третьей главе приведены результаты исследования строения порошков синтезированных видов СДГ и нанокомпозитных материалов системы ПТК-СДГ.
Установлено влияние мольного соотношения Me2+/Me3+ на фазовый состав продуктов соосаждения карбонатных форм СДГ(Zn/Al, Zn/Cr, Cu/Cr, Cu/Zn/Al). Установлены мольные соотношения солей, позволяющие при синтезе получить монофазный продукт: Cu2+ : Zn2+ : Al3+ = 1:1:1, Zn2+: Cr3+ = 2:1, Zn2+ : Al3+ = 3:1, Cu2+ : Cr3+ = 3:1. Методом ИК-спектроскопии подтверждается, что синтезированные СДГ представлены именно карбонатными формами, в которых свободные СО 2- ионы
3 расположены в межслоевом пространстве, и в них отсутствуют нитрат-ионы,
присутствовавшие в реакционных системах (рис. 1).
Рис. 1 – ИК-спектры пропускания, синтезированных СДГ(Cu/Cr-СО3) (1); СДГ(Cu/Zn/A-СО3) (2); СДГ(Zn/Al-СО3) (3) и СДГ(Zn/Cr-СО3) (4)
Рис. 2 – Распределение частиц СДГ по размеру
(на примере СДГ(Сu/Zn/Al– СО3)
Методами ПЭМ, СЭМ и лазерной дифракции исследованы морфология и фракционный состав порошков СДГ. Показано, что все синтезированные образцы СДГ состоят из чешуйчатых наноразмерных частиц (табл. 1), формирующих агломераты со средним размером 1,0-1,2 мкм, которые, в свою очередь, формируют агрегаты со средним размером 10-12 мкм (рис.2).
Установлено, что проведение реакции соосаждения СДГ в водной дисперсии порошков ПТК позволяет получить нанокомпозитные материалы системы ПТК-СДГ. При этом оптимальным является использование реакционных смесей, для которых величина α = ([Me2+]+[Me3+])/ПТК = 0,003 (моль/г). В данном случае происходит формирование нанокомпозитов, в которых поверхность пластин ПТК равномерно покрыта наночастицами СДГ. При снижении величины α полученные нанокомпозиты также состоят из пластинчатых частиц ПТК, декорированных наночастицами СДГ, однако бо́льшая часть поверхности частиц ПТК остается свободной, а увеличение соотношения α приводит к образованию избыточного количества фазы СДГ, которая присутствует в материале не только в виде частиц, декорирующих пластины ПТК, но и в виде самостоятельно формирующихся агломератов.
На рентгеновских дифрактограммах полученных продуктов присутствуют широкие рефлексы малой интенсивности, соответствующие квазиаморфному полититанату калия, а также рефлексы, соответствующие кристаллической фазе СДГ. При этом для Zn-содержащих составов ПТК-СДГ(Zn/Al-СО3) и ПТК-СДГ(Cu/Zn/Al- СО3) рефлексы СДГ узкие и имеют высокую интенсивность, свидетельствующие о высокой степени кристалличности их частиц. В то же время на рентгеновских дифрактограммах систем хром- и медьсодержащих нанокомпозитов (рис. 3) рефлексы, соответствующие кристаллической фазе СДГ, либо отсутствуют (система ПТК/СДГ(Cu/Cr)), либо имеют большую полуширину и низкую интенсивность. Данный факт можно объяснить тем, что частицы хромсодержащих СДГ(Zn/Cr-СО3) иСДГ(Cu/Cr-СО3) имеют очень малый (до 10 нм) размер отдельных частиц. На дифрактограмме продукта, полученного при обработке ПТК в водном растворе смеси солей Cu и Al, рефлексы СДГ – крайне слабые, однако наблюдаются достаточно интенсивные, хотя и широкие, рефлексы оксида меди. Данный материал можно рассматривать как ПТК, декорированный частицами CuO, с незначительным присутствием СДГ.
Таблица 1 – Размеры (по Шерреру) частиц СДГ различного типа
Вид СДГ
Zn4Al2(OH)12(CO3)∙nH2O Zn2Cu2Al2(OH)12(CO3)∙nH2O Cu4Cr2(OH)12(CO3)∙nH2O / CuO Zn4Cr2(OH)12(CO3)∙nH2O
Средний размер, нм 20,9
20,4 9,1 менее 9 нм
Рис. 3 – Дифрактограммы нанокомпозитов системы ПТК-СДГ (1 – ПТК, 2 – СДГ, 3 – CuO)
Результаты сравнительных исследований морфологии частиц базового ПТК и композитов ПТК-СДГ методами ПЭМ, СЭМ (рис. 4) и лазерной дифракции показали, что структура порошков нанокомпозитов сформирована чешуйчатыми частицами ПТК диаметром 100-1000 нм, которые образуют агломераты со средним размером 1,0-1,2 мкм и их агрегаты со средним размером 10-11 мкм. При этом в отличие от других синтезированных материалов, на поверхности частиц образца ПТК- СДГ(Cu/Al-CO3) поверхность частиц ПТК декорирована преимущественно частицами, которые, согласно данным энергодисперсионного анализа, являются частицами CuO.
Zn4Cr2(OH)12(CO3)∙nH2O
Zn4Al2(OH)12(CO3)∙nH2O
100 нм
50 нм
Рис. 5 – Распределение по размеру частиц нанокомпозитов системы ПТК-СДГ
(на примере системы ПТК-СДГ(Cu/Zn/Al-CO3)
ПТК-CДГ(Zn/Cr-CO3)
ПТК-CДГ(Zn/Al-CO3)
Рис.4 – Электронные фотографии (ПЭМ) частиц СДГ и нанокомпозитов ПТК-СДГ
По сравнению с порошком исходного ПТК композиты ПТК-СДГ содержат большее количество мелких частиц (фракция менее 1 мкм), но при этом формируются более крупные агломераты (до 11-12 мкм) и агрегаты (максимальный размер агрегатов увеличивается от 20 мкм до 50-80 мкм) (рис. 5). Данные ИКС также подтверждают формирование структуры СДГ в составе нанокомпозитов, на что указывает появление полос поглощения свободных карбонат-ионов при частоте 1380 см-1.
В четвертой главе представлены результаты исследований трибологических и трибохимических свойств синтезированных порошков СДГ, ПТК и нанокомпозитов системы ПТК-СДГ в составе модельных смазочных композиций на основе базового универсального масла И-20а. Исследованы трибологические параметры (коэффициент трения, температура саморазогрева смазочной композиции при трении, износостойкость и нагрузка сваривания трущихся поверхностей подшипниковой стали) в зависимости от химического состава синтезированных порошков. Приведено обсуждение трибохимических процессов, протекающих на поверхности стали вприсутствии частиц ПТК, СДГ и нанокомпозитов ПТК-СДГ, основанное на исследовании морфологии, химического состава и микротвердости поверхностей трения в сопоставлении с трибологическими характеристиками смазок на основе синтезированных материалов.
На примере исследования трибологического поведения продуктов соосаждения СДГ(Zn/Al-СО3) в водных дисперсиях ПТК доказано (рис. 6А), что добавки нанокомпозитных материалов, полученных при использовании реакционных смесей, соответствующих α = ([Me2+]+[Me3+]/ПТК) = 0,003 моль/г (продукт – частицы нанокомпозита ПТК/СДГ(Zn/Al-СО3), в котором пластины ПТК равномерно декорированы наночастицами СДГ), придают полученным модельным смазочным композициям комплекс трибологических свойств, значения которых превышают характеристики, полученные при использовании реакционных смесей при α < 0,003 моль/г (продукт, содержащий нанокомпозит ПТК/СДГ(Zn/Al-СО3), пластины которого лишь частично декорированы наночастицами СДГ) и α > 0,003 моль/г (частицы нанокомпозита присутствуют в продукте совместно с агломератами наночастиц СДГ).
А
Б
Рис. 6 – Влияние параметра α (А), а также доли СДГ в механических смесях порошков ПТК и СДГ (Б) на величину коэффициента трения и диаметр пятна износа
при испытаниях модельной смазки на основе Литол-24 и полученных продуктов
При этом добавки нанокомпозитных порошков системы ПТК-СДГ придают смазочным материалам более высокие трибологические свойства в сравнении смеханическими смесями порошков ПТК и СДГ, взятых в тех же пропорциях (рис. 6Б). Полученные результаты позволили далее сосредоточиться на исследовании трибологического и трибохимического поведения только порошков нанокомпозитных материалов ПТК/СДГ, синтезированных при α = 0,003 моль/г.
Проанализированы результаты исследования влияния химического состава СДГ на трибологические параметры модельных смазочных композиций. Наибольшее снижение трения достигается при введении добавки порошка СДГ(Zn/Cr–СО3),
имеющего наименьший (<9 нм) размер частиц, однако данная антифрикционная добавка эффективна только при относительно невысоких нагрузках (рис. 7). Показано, что снижение коэффициента трения достигается при использовании в составе смазочной композиции добавок всех синтезированных видов СДГ. Однако антифрикционное действие добавок медьсодержащих СДГ менее выражено. Результаты исследований влияния нагрузки на величину коэффициента трения показывают (рис. 7), что введение добавок всех исследованных видов СДГ и ПТК- СДГ существенно снижает эффект роста коэффициента трения при увеличении нагрузки. При этом высокие антифрикционные свойства при увеличении нагрузки лучше всего сохраняются в модельных смазках на основе добавок медьсодержащих порошков СДГ(Cu/Zn/Al-СО3) и СДГ(Cu/Cr-СО3), а наибольшее увеличение нагрузки сваривания трущихся поверхностей достигается для композиций с использованием порошков СДГ, содержащих алюминий (СДГ(Zn/Al-СО3) и СДГ(Cu/Zn/Al-СО3). АБ Рис. 7 – Влияние величины нагрузки на коэффициент трения модельных смазок с добавками порошков СДГ (А) и ПТК-СДГ (Б)(Δμ=±0,001) Для объяснения наблюдаемых трибологических свойств смазочных композиций с добавками порошков СДГ, ПТК и ПТК/СДГ различных составов было исследовано трибохимическое поведение этих соединений по результатам ЭДС анализа поверхности трения, а также изучения ее морфологии до и после проведения испытаний в присутствии указанных добавок (рис. 8). Показано, что при введении в зону трибоконтакта всех видов добавок СДГ и нанокомпозитов ПТК/СДГ на ЭДС спектрах поверхности трения появляются линии всех химических элементов, входящих в состав этих добавок (Zn, Al, Сu, Ti и O). На основе анализа и сопоставления полученных результатов делается вывод о механизме трибологических и трибохимических процессов, протекающих в зоне трения. Слоистые частицы базового ПТК (носитель наночастиц СДГ) активно заполняют неровности поверхности металла (борозды), образующиеся при трении (зона А, рис. 8), увеличивая площадь трибоконтакта и снижая его механическую нагрузку. Предполагается, что в связи с высокой растворимостью титана в железе (1,86 ат.% при 600о С) при разогреве пятна трения на поверхности стали происходит формирование твердого раствора титана в железе, обладающего высокой микротвердостью и обеспечивающего увеличение износостойкости поверхности трения стали. Частицы ПТК на такой гладкой модифицированной поверхности могут отсутствовать (зона Б, рис. 8). В свою очередь, при введении в зону трения нанокомпозита ПТК-СДГ наночастицы СДГ, декорирующие чешуйки ПТК (рис. 4), 11 в первую очередь вступают в химическое взаимодействие со сталью, способствуя внедрению своих компонентов (Zn, Cu, Al, Cr) в состав ее поверхностного слоя. Благодаря этому содержание этих элементов в модифицированном слое превышает содержание Ti, внедряющегося при последующем взаимодействии с частицами базового ПТК (рис. 8). Б А Рис. 8 – Микрофотографии (СЭМ) (слева) и ЭД спектры поверхности трения стали (справа) после трибологических тестов с использованием в составе СК добавок (3 масс.%) ПТК (вверху) и нанокомпозита ПТК-СДГ(Zn/Cu/Al-CO3) (внизу) Показано, что нанокомпозитные материалы системы ПТК/СДГ сочетают в себе положительные стороны влияния обоих своих компонентов на трибологичские свойства смазочных композиций. При этом эффективность влияния добавок нанокомпозитов системы ПТК-СДГ на трибологические свойства смазок на их основе превышает самостоятельное действие добавок ПТК и СДГ, но укладывается в закономерности, выявленные для индивидуальных порошков СДГ (рис. 9). Нанокомпозит ПТК-СДГ(Zn/Cr-СО3) сохраняет самые высокие антифрикционные свойства, выявленные для СДГ(Zn/Cr-СО3) (снижение коэффициента трения на 37%), дополнительно приобретает более высокую (–8,4% в сравнении с –4,4%) способность к снижению температуры смазки при трении (видимо, за счет высокой теплоемкости ПТК, введенного в состав нанокомпозита) при сохранении умеренно высокой нагрузки сваривания и довольно высокой износостойкости поверхности трения стали. Модификации нанокомпозита состава ПТК-СДГ(Zn/Al-СО3) и ПТК-СДГ(Zn/Cr- СО3), так же как и чистые СДГ соответствующего типа, имеют наилучшие антифрикционные свойства, способствуют максимальному снижению температуры смазки при трении. Однако эти составы характеризуются некоторым (на 60-160 Н) 12 снижением величины нагрузки сваривания. Для медьсодержащих нанокомпозитов ПТК-СДГ(Cu/Zn/Al–СО3), так же как и для частиц СДГ(Cu/Zn/Al-СО3), увеличение нагрузки слабо влияет на значение коэффициента трения (высокая стабильность антифрикционных свойств). Для порошка ПТК-СДГ(Zn/Cr-CO3) наблюдается сохранение наиболее низкого значения коэффициента трения среди всех исследованных материалов даже при высоких нагрузках. Рис. 9 – Трибологические характеристики различных видов, синтезированных СДГ и нанокомпозитов ПТК-СДГ в составе модельных смазок Однако имеется и ряд исключений, так, например, на поверхности трения, формирующейся в присутствии порошка ПТК-СДГ(Cu/Cr–СО3), дополнительное внедрение хрома в поверхностный слой также увеличивает его микротвердость, но формирующаяся керамоподобная защитная пленка, типичная для всех видов нанокомпозитов ПТК/СДГ, в этом случае при увеличении нагрузки может отслаиваться, что приводит к росту коэффициента трения. С использованием диаграмм состояния систем Fe-Me (Me=Zn, Al, Cu, Ti) сделан вывод о том, что металлы, входящие в состав нанокомпозитного материала ПТК/СДГ, при относительно низких температурах (200-600оС), возникающих в трибосопряжении при трении, способны формировать с железом твердые растворы, имеющие более высокие значения микротвердости (α-Fe(Ti), α-Fe(Al)) и коррозионной стойкости (α-Fe(Ti), α-Fe(Al), α-Fe(Zn)), а также более низкие значения модуля деформации сдвига (α-Fe(Cu), α-Fe(Zn)). Отмечено, что, при одновременном введении в состав сплава (α-Fe) алюминия и меди существенно растет растворимость меди в железе за счет расширения области существования твердого раствора α-Fe, что и приводит к более высоким трибологическим свойствам добавок ПТК/СДГ(Zn/Al/Cu-CO3). 13 В пятой главе исследована возможность применения синтезированных нанокомпозитов в качестве добавок к традиционным коммерческим пластичным смазкам, что позволит придать им улучшенные триботехнические характеристики при минимальном увеличении себестоимости. Исследования проводились на четырехшариковой машине трения согласно ГОСТ 9490-75. Базовой смазкой выступала универсальная подшипниковая смазка марки Литол-24. Приведены результаты сравнительных исследований триботехнических характеристик ряда зарубежных коммерческих смазок, содержащих в составе традиционные известные антифрикционные добавки (MoS2) (см. рис. 10). Рис. 10 – Диаграмма антифрикционных и противоизносных свойств экспериментальных и зарубежных коммерческих смазочных композиций Установлено, что смазочные композиции, изготовленные на основе дешевой отечественной универсальной смазки с добавлением 3% масс. синтезированных нанокомпозитных порошков системы ПТК- СДГ, по влиянию на износостойкость поверхности стали не уступают лучшим образцам зарубежных коммерческих смазок, содержащих аналогичные добавки MoS2. Величина диаметра пятна износа для обеих групп смазок варьируется в пределах (0,4-0,5 мм). Однако по своим антифрикционным свойствам (коэффициент экспериментальные смазки нанокомпозитов порошков значительно превосходят образы лучших зарубежных аналогов. Величина коэффициента трения для экспериментальных смазок типа Литол-24/ПТК-СДГ при стандартных испытаниях имеет значение 0,078-0,089 против 0,094-0,117 у зарубежных смазок (то есть на 17-24 % ниже). В Заключении сформулированы основные результаты и выводы:  Исследованы общие закономерности влияния мольного соотношения Me2+/Me3+ на фазовый состав порошков карбонатных форм слоистых двойных гидроксидов (СДГ), составов: Zn/Al, Zn/Cr, Cu/Al, Cu/Cr и Cu/Zn/Al. Показано, что оптимальными являются следующие мольные соотношения: Cu2+/Zn2+/Al3+ – 1:1:1, Zn2+/Cr3+ – 2:1, Zn2+/Al3+ – 3:1, Cu2+/Cr3+– 3:1. При этом для состава СДГ(Cu2+/Cr3+) неизбежно присутствие примеси в виде оксида меди, а синтез образца Cu2+/Al3+ методом соосаждения не приводит к образованию фазы СДГ.  Изучены особенности трибохимического поведения модельных смазочных композиций на основе веретенного масла с добавками синтезированных порошков СДГ в зависимости от их химического состава. Показано, что наибольшее снижение трения при малых нагрузках показывает смазка с добавками СДГ(Zn/Cr-СО3), частицы которого имеют размер менее 10 нм, однако при высоких нагрузках антифрикционные свойства этого вида СДГ снижаются. Нанопорошки СДГ (Cu/Cr- СО3) характеризуются низкоэффективными антифрикционными свойствами, но увеличивают износостойкость поверхности стали. Порошки СДГ(Zn/Al-СО3) и СДГ(Cu/Zn/Al-СО3) характеризуются активным трибохимическим взаимодействием с трения) добавками ПТК-СДГ струщимися поверхностями, в результате которого на поверхности трения образуются защитные пленки с повышенной микротвердостью. При этом использование СДГ(Cu/Zn/Al-СО3) в составе модельных смазок приводит к более значительному увеличению износостойкости.  С использованием метода соосаждения разработана методика синтеза твердофазных нанокомпозитных материалов полититанат калия (ПТК) – слоистые двойные гидроксиды (СДГ). Показано, что в изученной группе составов нанокомпозитные порошки, состоящие из чешуйчатых пластин ПТК, декорированных наночастицами СДГ, могут быть получены с использованием реакционных смесей, для которых величина α = ([Me2+]+[Me3+]/ПТК) < 0,003 моль/г. При этом нанокомпозиты, характеризуемые однородным распределением частиц СДГ по поверхности пластин ПТК, формируются в экспериментальных условиях, соответствующих α ≈ 0,003 моль/г.  Изучено влияние химического и фазового состава твердофазных материалов, синтезированных в системе ПТК-СДГ, на их трибологические свойства в составе модельных (базовых) смазочных композиций. Установлено, что добавки нанокомпозитных материалов, полученных при использовании реакционных смесей, соответствующих α = ([Me2+]+[Me3+]/ПТК) = 0,003 моль/г, придают смазочным композициям наилучшие антифрикционные и противоизносные свойства, которые превосходят свойства смазок на основе индивидуальных порошков ПТК и СДГ. При этом закономерности влияния химического состава СДГ в составе нанокомпозитных порошков на трибологические свойства модельных смазок аналогичны закономерностям, характерным для добавок индивидуальных порошков СДГ. Наилучшие антифрикционные свойства при невысоких нагрузках имеют порошки ПТК-СДГ(Zn/Cr-СО3), порошки ПТК- СДГ(Zn/Al-СО3) и ПТК-СДГ(Cu/Zn/Al-СО3) характеризуются улучшением комплекса всех трибологических характеристик в широком интервале нагрузок. Кроме того, использование добавок ПТК-СДГ(Cu/Zn/Al-СО3) в составе модельных смазок приводит к более значительному улучшению противоизносных свойств.  Установлено, что химические элементы, входящие в состав нанокомпозитов ПТК-СДГ (Ti, Zn, Al, Сu, O), эффективно внедряются в поверхностный слой стали при трении, что способствует увеличению ее микротвердости, износостойкости, снижению коэффициента трения и увеличению нагрузки сваривания. При этом процесс внедрения может протекать в результате как физических, так и химических процессов. На первом этапе фрикционного взаимодействия частицы ПТК-СДГ заполняют неровности поверхности стали и «размазываются» по ней, о чем свидетельствует увеличение кислорода в поверхностном слое. Далее за счет фрикционного нагрева, согласно диаграммам состояния систем Fe-Me (Me = Zn, Al, Cu, Ti), перечисленные металлы способны формировать с железом твердые растворы, имеющие более высокие значения микротвердости (α-Fe(Ti), α-Fe(Al)) и коррозионной стойкости (α-Fe(Ti), α-Fe(Al), α-Fe(Zn)), а также более низкие значения модуля деформации сдвига (α-Fe(Cu), α-Fe(Zn)).  Разработаны принципы формирования смазочных композиций на основе нанокомпозитных порошков полититаната калия, модифицированного слоистыми двойными гидроксидами, обладающих оптимальным набором трибологических свойств. Показано, что добавки ПТК/СДГ(Zn/Al-СО3) и особенно ПТК/СДГ(Cu/Zn/Al-СО3) перспективны для использования в смазочных композициях, работающих в условиях экстремальных нагрузок, а добавки ПТК/СДГ(Zn/Cr-СО3) – в смазочных композициях, работающих в низконагруженных высокоскоростных узлах машин и механизмов.

Актуальность темы исследования. Нанокомпозитные материалы, имеют
огромные перспективы для использования в различных направлениях науки и
техники. Частицы твердых тел, состоящие из прочно связанных частиц основной
матрицы и наноразмерного компонента, различающихся между собой по
химическому составу, структуре и свойствам, как правило, имеют
функциональные характеристики, заметно отличающиеся от свойств
традиционных композитных материалов, сформированных из механических
смесей этих компонентов. Сочетание и взаимное влияние свойств каждого из
компонентов, открывает дополнительные возможности проявления эффекта
синергизма в поведении нанокомпозитов.
В зависимости от направления потенциального использования
нанокомпозитов, требования к их составу и способам получения могут
значительно отличаться. Так, например, в случае материалов, предназначенных
для использования в узлах трения различных машин и механизмов, особый
интерес представляют нанокомпозиты, предназначенные для введения в состав
смазочных композиций в виде добавок, регулирующих их трибологическое
поведение. Прежде всего, это относится к влиянию на процессы трения и износа,
а также – холодное сваривание поверхностей трения под нагрузкой.
Трибологические свойства смазочных материалов в значительной степени
определяют энергопотребление машин и механизмов, затрачиваемое на трение и
износ деталей.
Механизм действия добавок в твердых и загущенных смазочных
композициях определяется характером физических и химических взаимодействий
между частицами этих добавок с поверхностью трения и окружающей средой.
Традиционно в составе смазок используют антифрикционные и
противоизносные добавки, твердые частицы которых имеют слоистую структуру
(графит, дисульфид молибдена, серпентиниты). Их слои могут относительно
свободно перемещаться друг относительно друга, снижая трение и вероятность
возникновения прямого контакта между трущимися поверхностями. В качестве
новых видов таких добавок в смазочные композиции широко исследуются также
и нанопорошки различных металлов и оксидов металлов, способные активно
химически взаимодействовать с поверхностью трения (трибохимические реакции)
и модифицировать ее состав, структуру и свойства. Однако, все перечисленные
виды добавок имеют существенные недостатки и в полной мере не удовлетворяют
требованиям, предъявляемым как производителями, так и потребителями
смазочных материалов, в частности – имеют высокую стоимость и не способны
оказывать положительное влияние на весь комплекс триботехнических
характеристик смазки.
В качестве альтернативного антифрикционного материала рассматривается
полититанат калия (ПТК) (квазиаморфное соединение состава K2O·nTiO2·mH2O
(n=3,5-4,5, m=0,5–2,0). ПТК имеет слоистую структуру, которая образованна
сильно искаженными двойными слоями титан-кислородных октаэдров
(полианионы), между которыми располагаются ионы калия, гидроксония и
молекулы воды. Межслойное расстояние, даже в пределах структуры одной
частицы ПТК, варьируется в широком диапазоне (0,1–1,1) нм и такая
о
квазиаморфная структура сохраняется до 700-800 С. Превосходное
трибологическое поведение частиц ПТК определяется главным образом их
слоистой структурой, хотя механизм влияния добавок ПТК на трибологические
свойства смазочных композиций до сих пор детально не исследовался. При этом,
в силу особенностей слоистой структуры, чешуйчатые частицы ПТК можно легко
модифицировать с использованием методов «мягкой химии» (интеркаляция в
межслойное пространство ионов различных переходных металлов, а также
декорирование частиц ПТК наночастицами оксидов этих металлов).
С другой стороны, в качестве антифрикционных добавок в смазочные
композиции ранее было предложено использовать некоторые виды слоистых
двойных гидроксидов (СДГ) представляющие собой гидроталькитоподобные
анионные системы с общей формулой [M(II)1-xM(III)x(OH)2]x+[An-x/n·yH2O]x-, где
M(II) и M(III) – двух- и трехвалентный металлы, а An- – n-валентный анион. Эти
соединения имеют слоистую кристаллическую структуру с широкими
возможностями для варьирования природы катионов и анионов, а также размер,
как правило, не превышающий 100 нм. Однако, варьирование их химического
состава существенно влияет на их трибологическое поведение. Кроме того,
добавки СДГ малоэффективны при высоких нагрузках в узле трения.
В связи с вышесказанным, разработка новых видов нанокомпозитных
материалов на основе различных комбинаций ПТК и СДГ, обладающих
улучшенными трибологическими свойствами, является актуальной задачей.
Цель работы: является получение нанокомпозитных материалов в системе
ПТК-СДГ, обладающих комплексом трибологических характеристик,
регулируемых за счет химического состава СДГ.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные
задачи:
 Исследование общих закономерностей влияния мольного соотношения
Me2+/Me3+ на фазовый состав продуктов соосаждения различных карбонатных
форм СДГ, полученных в системах: Zn/Al, Zn/Cr, Cu/Al, Cu/Cr и Cu/Zn/Al.
 Разработка методики синтеза нанокомпозитных материалов в системе

На основании проведенных исследований можно сделать следующие
основные выводы по работе:
 Исследованы общие закономерности влияния мольного соотношения
Me2+/Me3+ на фазовый состав порошков карбонатных форм слоистых двойных
гидроксидов (СДГ), составов: Zn/Al, Zn/Cr, Cu/Al, Cu/Cr и Cu/Zn/Al. Показано,
что оптимальными являются следующие мольные соотношения: Cu2+/Zn2+/Al3+ –
1:1:1, Zn2+/Cr3+ – 2:1, Zn2+/Al3+ – 3:1, Cu2+/Cr3+- 3:1. При этом, для состава
СДГ(Cu2+/Cr3+) неизбежно присутствие примеси в виде оксида меди, а синтез
образца Cu2+/Al3+ методом соосаждения не приводит к образованию фазы СДГ.
 Изучены особенности трибохимического поведения модельных
смазочных композиций на основе веретенного масла с добавками
синтезированных порошков СДГ в зависимости от их химического состава.
Показано, что наибольшее снижение трения при малых нагрузках показывает
смазка с добавками СДГ(Zn/Cr-СО3), частицы которого имеют размер менее 10
нм, однако при высоких нагрузках антифрикционные свойства этого вида СДГ
снижаются. Нанопорошки СДГ (Cu/Cr-СО3) характеризуются низкоэффективным
антифрикционными свойствами, но увеличивают износостойкость поверхности
стали. Порошки СДГ(Zn/Al-СО3) и СДГ(Cu/Zn/Al-СО3) характеризуются
активным трибохимическим взаимодействием с трущимися поверхностями, в
результате которого на поверхности трения образуются защитные пленки с
повышенной микротвердостью. При этом, использование СДГ(Cu/Zn/Al-СО3) в
составе модельных смазок приводит к более значительному увеличению
износостойкости.
 С использованием метода соосаждения разработана методика синтеза
твердофазных нанокомпозитных материалов полититанат калия (ПТК) – слоистые
двойные гидроксиды (СДГ). Показано, что в изученной группе составов
нанокомпозитные порошки, состоящие из чешуйчатых пластин ПТК
декорированных наночастицами СДГ, могут быть получены с использованием
реакционных смесей, для которых величина α = ([Me2+]+[Me3+]/ПТК) < 0,003 моль/г. При этом, нанокомпозиты, характеризуемые однородным распределением частиц СДГ по поверхности пластин ПТК, формируются в экспериментальных условиях, соответствующих α ≈ 0,003 моль/г.  Изучено влияние химического и фазового состава твердофазных материалов, синтезированных в системе ПТК-СДГ, на их трибологические свойства в составе модельных (базовых) смазочных композиций. Установлено, что добавки нанокомпозитных материалов, полученных при использовании реакционных смесей, соответствующих α = ([Me2+]+[Me3+]/ПТК) = 0,003 моль/г, придают смазочным композициям наилучшие антифрикционные и противоизносные свойства, которые превосходят свойства смазок на основе индивидуальных порошков ПТК и СДГ. При этом, закономерности влияния химического состава СДГ в составе нанокомпозитных порошков на трибологические свойства модельных смазок аналогичны закономерностям, характерным для добавок индивидуальных порошков СДГ. Наилучшие антифрикционные свойства при невысоких нагрузках имеют порошки ПТК- СДГ(Zn/Cr-СО3), порошки ПТК-СДГ(Zn/Al-СО3) и ПТК-СДГ(Cu/Zn/Al-СО3) характеризуются улучшением комплекса всех трибологических характеристик в широком интервале нагрузок. Кроме того, использование добавок ПТК- СДГ(Cu/Zn/Al-СО3) в составе модельных смазок приводит к более значительному улучшению противоизносных свойств.  Установлено, что химические элементы, входящие в состав нанокомпозитов ПТК-СДГ (Ti, Zn, Al, Сu, O) эффективно внедряются в поверхностный слой стали при трении, что способствует увеличению ее микротвердости, износостойкости, снижению коэффициента трения и увеличению нагрузки сваривания. При этом, процесс внедрения может протекать в результате как физических, так и химических процессов. На первом этапе фрикционного взаимодействия частицы ПТК-СДГ заполняют неровности поверхности стали и «размазываются» по ней, о чем свидетельствует увеличение кислорода в поверхностном слое. Далее, за счет фрикционного нагрева, согласно диаграммам состояния систем Fe-Me (Me = Zn, Al, Cu, Ti), перечисленные металлы способны формировать с железом твердые растворы, имеющие более высокие значения микротвердости (α-Fe(Ti), α-Fe(Al)) и коррозионной стойкости (α-Fe(Ti), α-Fe(Al), α-Fe(Zn)), а также - более низкие значения модуля деформации сдвига (α-Fe(Cu), α-Fe(Zn)).  Разработаны принципы формирования смазочных композиций на основе нанокомпозитных порошков полититаната калия, модифицированного слоистыми двойными гидроксидами, обладающих оптимальным набором трибологических свойств. Показано, что добавки ПТК/СДГ(Zn/Al-СО3) и, особенно, ПТК/СДГ(Cu/Zn/Al-СО3) перспективны для использования в смазочных композициях работающих в условиях экстремальных нагрузок, а добавки ПТК/СДГ(Zn/Cr-СО3) – в смазочных композициях, работающих в низконагруженных высокоскоростных узлах машин и механизмов. Автор выражает особую благодарность за помощь в подготовке диссертационной работы научному руководителю д.х.н., проф. Гороховскому А.В., а также за помощь в проведении ряда экспериментальных исследований с объектами, полученными автором: к.т.н., с.н.с. Костину К.Б (СЭМ); д.т.н., проф. Юркову Г.Ю. (ПЭМ); к.х.н., доц. Викуловой М.А. (РФА).

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?

Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

Читать

Публикации автора в научных журналах

Влияние химического состава на трибологические свойства нанокомпозитных материалов на основе полититаната калия, модифицированного слоистыми двойными гидроксидами

А.Р. Цыганов, А.В. Гороховский // Международный научно-исследовательский журнал. – 2– No 5 (107). – Ч. – С. 196

Помогаем с подготовкой сопроводительных документов

Совместно разработаем индивидуальный план и выберем тему работы Подробнее

Помощь в подготовке к кандидатскому экзамену и допуске к нему Подробнее

Поможем в написании научных статей для публикации в журналах ВАК Подробнее

Структурируем работу и напишем автореферат Подробнее

Хочешь уникальную работу?

Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

Помощь в написании магистерских диссертаций, курсовых, контрольных работ, рефератов, статей, повышение уникальности текста(ручной рерайт), качественно и в срок, в соот... Читать все

Помощь в написании магистерских диссертаций, курсовых, контрольных работ, рефератов, статей, повышение уникальности текста(ручной рерайт), качественно и в срок, в соответствии с Вашими требованиями.

#Кандидатские #Магистерские

12 Выполненных работ

Профессиональный журналист, филолог со стажем более 10 лет. Имею профильную диссертацию по специализации "Радиовещание". Подробно и серьезно разрабатываю темы научных... Читать все

Профессиональный журналист, филолог со стажем более 10 лет. Имею профильную диссертацию по специализации "Радиовещание". Подробно и серьезно разрабатываю темы научных исследований, связанных с журналистикой, филологией и литературой

#Кандидатские #Магистерские

33 Выполненных работы

Я научный сотрудник федерального музея. Подрабатываю написанием студенческих работ уже 7 лет. 3 года назад начала писать диссертации. Работала на фирмы, а так же помог... Читать все

Я научный сотрудник федерального музея. Подрабатываю написанием студенческих работ уже 7 лет. 3 года назад начала писать диссертации. Работала на фирмы, а так же помогала студентам, вышедшим на меня по рекомендации.

#Кандидатские #Магистерские

37 Выполненных работ

Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.

#Кандидатские #Магистерские

28 Выполненных работ

Окончила магистратуру Воронежского государственного университета в 2009 г. В 2014 г. защитила кандидатскую диссертацию. С 2010 г. преподаю в Воронежском государственно... Читать все

Окончила магистратуру Воронежского государственного университета в 2009 г. В 2014 г. защитила кандидатскую диссертацию. С 2010 г. преподаю в Воронежском государственном университете инженерных технологий.

#Кандидатские #Магистерские

66 Выполненных работ

Преподаватель ВУЗа, опыт выполнения студенческих работ на заказ (от рефератов до диссертаций): 20 лет. Образование высшее . Все заказы выполняются в заранее согласован... Читать все

Преподаватель ВУЗа, опыт выполнения студенческих работ на заказ (от рефератов до диссертаций): 20 лет. Образование высшее . Все заказы выполняются в заранее согласованные сроки и при необходимости дорабатываются по рекомендациям научного руководителя (преподавателя). Буду рада плодотворному и взаимовыгодному сотрудничеству!!! К каждой работе подхожу индивидуально! Всегда готова по любому вопросу договориться с заказчиком! Все работы проверяю на антиплагиат.ру по умолчанию, если в заказе не стоит иное и если это заранее не обговорено!!!

#Кандидатские #Магистерские

21 Выполненная работа

Мой опыт в написании работ - 9 лет. Я специализируюсь на написании курсовых работ, ВКР и магистерских диссертаций, также пишу научные статьи, провожу исследования и со... Читать все

Мой опыт в написании работ - 9 лет. Я специализируюсь на написании курсовых работ, ВКР и магистерских диссертаций, также пишу научные статьи, провожу исследования и создаю красивые презентации. Сопровождаю работы до сдачи, на связи 24/7 ?

#Кандидатские #Магистерские

359 Выполненных работ

Я - кандидат философских наук, доцент кафедры философии СГЮА. Занимаюсь написанием различного рода работ (научные статьи, курсовые, дипломные работы, магистерские дисс... Читать все

Я - кандидат философских наук, доцент кафедры философии СГЮА. Занимаюсь написанием различного рода работ (научные статьи, курсовые, дипломные работы, магистерские диссертации, рефераты, контрольные) уже много лет. Качество работ гарантирую.

#Кандидатские #Магистерские

1486 Выполненных работ

Берусь за решение юридических задач, за написание серьезных научных статей, магистерских диссертаций и дипломных работ. Окончила Кемеровский государственный универси... Читать все

Берусь за решение юридических задач, за написание серьезных научных статей, магистерских диссертаций и дипломных работ. Окончила Кемеровский государственный университет, являюсь бакалавром, магистром юриспруденции (с отличием)

#Кандидатские #Магистерские

38 Выполненных работ