Успешно завершен проект с Ю. Кореей

6 Апреля 2022
193
 Версия для печати

Успешно окончен проект "Наноуглеродные адаптивные системы для уменьшения трения и износа", поддержанный РФФИ (Российский фонд фундаментальных исследований) и НИФ Кореи (Национальный исследовательский фонд).

В России работали коллеги из трех организаций – СПбПУ, Института проблем химической физики РАН и Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН (ИПТМ РАН). В Корее партнером выступал один из ведущих университетов Yonsei University, Korea.

В СПбПУ над проектом работали проф. П.А.Карасев и проф. А.И.Титов, а также асп. Виталий Студзинский и студ 5 курса Елизавета Федоренко. Группу корейских исследователей возглавляет профессор Dae-Eun Kim (Center for Nano-Wear (CNW)).

Фундаментальной задачей данного проекта являлось изучение процессов формирования нанокомпозитных углеродных пленок на поверхности различных подложек при их облучении ускоренными ионами фуллеренов и связей между строением и структурой выращенных покрытий и их трибологическими свойствами.

Благодаря высокой удельной прочности, титан является широко распространенным конструкционным материалом для авиационной и космической техники. Превосходная коррозионная стойкость и биосовместимость позволяет использовать титан и его сплавы в химической промышленности и в медицине (зубные имплантаты, крепежные элементы для костей и позвоночника, полная замена суставов). Однако титановые сплавы обладают высоким и нестабильным коэффициентом трения и сильно изнашиваются, что ограничивает их применение в движущихся системах. Для улучшения трибологических свойств титана и материалов на его основе в проекте предложено использовать новый класс сверхтвердых углеродных нанокомпозитных (УНК) покрытий, осажденных из пучка ускоренных ионов C60 и состоящих из нанокристаллов графита в алмазоподобной матрице. Их поверхность в процессе работы изменяется, отслеживая изменение условий трения в трибоконтакте. При износе УНК в трибоконтакте появляется сухая смазка в виде графитовых нанокристаллов. Кроме того, на поверхности контртела возникает переносная пленка, близкя к нанокристаллическому графиту, что приводит к трению в паре углерод-углерод вместо пары сталь-титан и износ практически не наблюдается (см. рисунок). В результате проведенных в рамках проекта исследований удалось уменьшить коэффициент трения почти на порядок (до 0.06), а степень износа в 360 раз. Кроме того, были изучены защитные свойства покрытий в трехэлектродной жидкостной ячейке в растворе NaCl, моделирующем биологическую среду. Показано, что такие УНК можно использовать в биологических парах трения для покрытия искусственных суставов.

Второе направление работ связано с использованием для трибологических покрытий нового полимерного наноматериала разработанного авторами проекта, в котором проявляется эффект «самозалечивания» уколов и царапин. Этот эффект связан с процессом полимеризации молекул фуллерена под облучением ускоренными ионами C60. При уколе индентором происходит деполимеризация молекул фуллерена с увеличением объема, и образуется выступ вместо вдавленного отпечатка индентора (см. рисунок). Новая идея заключалась в использовании выделившихся свободных молекул фуллерена в качестве молекулярной смазки, либо наноаддитива для смазочной жидкости.

Выше на рисунке показаны АСМ снимки отпечатка алмазной пирамидки в полимерном покрытии толщиной 1 мкм при нагрузке 0.5 г (а) и 1 г (б). При малой нагрузке (0.5 г), происходит выброс вещества в центральной части отпечатка и появляется выступ. При нагрузке в 1 г глубина погружения алмазной пирамидки оказывается больше толщины покрытия и полное «залечивание» невозможно. Однако, по краям отпечатка образовались трещины, которые были «залечены» после разгрузки отпечатка. Трибологические тесты показали, что, несмотря на великолепные защитные свойства, покрытия с эффектом «самозалечивания» имеют высокий коэффициент трения, сравнимый с чистым титаном, и изнашиваются почти на три порядка быстрее, чем нанокомпозитные покрытия.

В результате исследования структуры, механических и трибологических свойств покрытий из нового полимерного наноматериала совместно с корейской стороной разработана новая концепция структуры для реализации адаптивного трибологического поведения. Один из важных факторов, который может уменьшить трение и износ – дозированная подача в трибоконтакт свободных молекул фуллерена. Эта концепция может быть реализована в виде многослойных покрытий с чередующимися слоями типа полимер-нанокомпозит. В рамках проекта начато исследование возможности реализации таких структур. Изучены химические связи слоев и переходных зон между ними. Как оказалось, в тонких слоях толщиной ~3 нм, варьируя энергию и состав пучка ускоренных ионов C60, можно достичь концентрации sp3 (алмазных) связей 88%.  При толщинах слоев нанокомпозита ³8 нм, в этих условиях, концентрация алмазных связей составляет ~ 60%.

Изменяя условия осаждения, энергию пучка и толщину слоев, можно получать многослойные системы с широким набором механических и трибологических свойств. Свойства полимерных слоев, которые в многослойных покрытиях используются как источник свободных молекул C60, также можно варьировать изменяя энергию ионов, соотношение ионов и молекул в пучке из которого осаждаются слои. Многослойные покрытия полимер-нанокомпозит найдут применение в микроэлектромеханических системах, таких как, микропереключатели, микромеханические передачи, микроприводы, что позволит существенно снизить потери на трение. УНК покрытия на титане, имеют перспективы применения в медицине, авиастроении и ракетно-космической технике.

По результатам проекта опубликовано 5 статей, сделано 20 докладов на 12 всероссийских и международных конференциях, в том числе 2 приглашенных доклада.