Исследователи создали самогенерирующуюся сухую смазку на основе наноалмазов с очень низким трением, которая так долго функционирует, что ее можно ввести раз и навсегда.
Попрощайтесь с лозунгом «бриллианты навсегда». Для отраслей, использующих сухую смазку, теперь актуальна фраза «сломанные наноалмазы навсегда».
Исследователи из Национальной лаборатории в Министерстве энергетики США (U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory) объединили наноалмазы с двумерными слоями дисульфида молибдена и разрушили их для создания самогенерирующейся сухой смазки с очень низким трением, которая так долго функционирует, что ее можно ввести раз и навсегда. Новый материал может иметь сотни промышленных применений и использоваться практически везде, где два куска металла испытывают трение друг о друга в сухих условиях.
Наиболее часто используемые твердые смазочные материалы на рынке сегодня выпускаются в форме графитовой пасты. Она используется повсеместно - и для смазки дверных ручек, и для велосипедных цепей.
В 2015 году исследователи добились прорыва в технологии сплошной смазки, впервые продемонстрировав сверхтвердость (почти нулевое трение) в инженерном масштабе, используя графен в сочетании с наноалмазами. Этот подход был революционным, и с тех пор эта группа продолжает развивать технологию.
Совсем недавно иследователи заменили графен на дисульфид молибдена, чтобы посмотреть, как будут вести себя другие 2D-материалы. Они ожидали, что процесс будет похож на тот, который наблюдается при использовании графен-наноалмазного смазочного материала. Тем не менее, команда была удивлена, когда они не смогли увидеть наноалмазы в материале. Вместо этого они нашли шарики лукообразного углерода (англ. onion-like carbon).
Что же произошло? Дисульфид молибдена разрушился в молибден и серу и прореагировал с наноалмазами, чтобы превратиться в лукообразный углерод.
«Мы знали, что виновником должна быть сера, наносящая ущерб наноалмазам, но для нас это обратилось в положительный момент», - сказали исследователи.
Они поняли, что диффузия серы увеличивает напряжение в наноалмазах, а затем разрушает их, превращая в лукообразный углерод.
Их усилия привели также к открытию как другие 2D-материалы будут взаимодействовать с наноалмазами с аналогичным результатом.
Трение в этой новой комбинации в 10 раз ниже, чем у некоторых антипригарных покрытий, включая фторполимеры, что означает меньшее количество тепла и меньший износ деталей и оборудования.
«Материал, на котором используется смазка, будет дольше работать, и мне не нужно беспокоиться о жидких остатках и выбрасывать масляные тряпки как часть процесса очистки», - сказали исследователи. «Мы также сможем использовать его для изготовления деталей, которые мы не можем делать сейчас, особенно с металлическим тиснением».
Лукообразный углерод состоит из нескольких слоев сферических графитовых оболочек, которые можно использовать в качестве сухой смазки. А процесс разбрызгивания дисульфида молибдена и наноалмазов вместе создает эту форму углерода автоматически, без какого-либо дополнительного химического применения.
«Интересно видеть, что эти углеродные шарики могут выдерживать высокое контактное давление и благодаря своей уникальной наноструктуре могут легко скользить, создавая суперскольжение», - сказал Али Эрдемир, один из авторов.
Хотя дисульфид молибдена немного дороже графена, но в этом процессе его требуется меньше.
«Сумма настолько мала - несколько капель за километры скольжения - эта стоимость не является проблемой», - сказал Сумант, главный автор разработки. – «Сухой метод смазки также намного более экологичен при использовании, потому что в этом процессе нет опасных химических веществ».
Сухие смазки уже распространены в нескольких отраслях. Однако они в основном используются для тонкопленочных покрытий и подвержены катастрофическим отказам. Разработанная Argonne сверхлегкая смазка работает совсем не так, как традиционные тонкопленочные покрытия. Самогенерирующаяся смазка постоянно перенастраивается, поэтому она работает дольше.
«Этот материал действительно представляет собой следующее поколение твердой смазки», - сказал Сумант.
Потенциальные применения включают подшипники и уплотнения механических насосов в сухих условиях, а также в ветровых турбинах. Эта технология также может использоваться в компьютерной индустрии; в частности, в приводах магнитных дисков.
Источник: Diana Berman, Badri Narayanan, Mathew J. Cherukara, Subramanian K. R. S. Sankaranarayanan, Ali Erdemir, Alexander Zinovev, Anirudha V. Sumant. Operando tribochemical formation of onion-like-carbon leads to macroscale superlubricity. Nature Communications, 2018; 9 (1) DOI: 10.1038/s41467-018-03549-6