Použití nových nanomateriálů v tribotechnice
NanoTechnologie je považována za jednu z klíčových technologií 21. století, která již nyní významně mění ekonomiku v mnoha průmyslových odvětvích. Nanotechnologie je v podstatě nauka o materiálech o rozměrech nanometrů. Jde v zásadě o výzkum jevů a materiálových vlastností na nanometrické úrovni. Je jedním z výchozích bodů pro revoluční inovace v různých oblastech průmyslu a běžného života. Aplikace, přípravky a celé výrobky, které ještě před lety byly pouze teoretickým snem, se stávají skutečností. NanoTechnologie zasahuje do širokého spektra oborů, např. oblast textilních a karbonových vláken, metalurgie, elektroniky, zdravotnictví, chemie, tribologie a tribotechniky.
Nanočástice
Za nanočástice se považují obecně útvary o velikosti 1-100 nm, a to alespoň v jednom směru. Nanočástice lze rozdělovat mimo jiné i podle způsobu jejich přípravy.
- výroba tzv. shora dolu „up-to down" - mletí, obrušování, vznikají amorfní částice
- výroba tzv. zespodu nahoru „bottom-up"- syntetické postupy z plynu, aerosolů, mikronových částic pyrolýzou aj., vznikají tzv. fullereny a nanotrubice. Jde o strukturované nanočástice: obr.1a 2.
Tzv. fullereny a uhlíkové nanotrubice, které lze považovat za prota-žené fullereny, způsobí revoluci v technologickém vývoji 21. století. Jejich mechanické, elektrické, tepelné a optické vlastnosti, jsou o hodně lepší než u obvykle používaných materiálů.
Nanostruktury
Výzkum a vývoj v oblasti nanotechnologií naznačuje, že existují nanostruktury ve tvaru tzv. fullerenů i na jiném než uhlíkovém základě. Jedná se o tzv. anorganické fullereny, které mají velmi pozitivní tribologické vlastnosti a jsou využitelné v praktické tribotechnice jako látky snižující výrazně tření a opotřebení. Tyto tzv. fullerenové struktury vytvářejí kulovité útvary s vrstevnatou stavbou, které se v podmínkách vysokého zatížení chovají daleko lépe než dosud známá a hojně používaná lamelární pevná maziva např. grafit a MoS2. Z tohoto úhlu pohledu jsou tyto látky použitelné jednak jako přísady do kapalných i plastických maziv, ale i jako suché mazací laky nebo samostatně jako tuhá maziva s nadstandardními vlastnostmi.
Vlastnosti nanočástic
Vyjímečnost nanomateriálů je ve vlastnostech, které nelze pozorovat u částic např. o řád větších rozměrů. Rozdílné jsou také vazby nanočástic se zák-ladní hmotou kompozitních materiálů. Chování nanočástic se již neřídí zákonitostmi běžné fyziky, chování atomů je komplikovanější a řídí se kvantovou fyzikou a kvantové jevy vedou k naprosto novým možnostem. I když dnes víme o vlastnostech atomů téměř vše, prozatím málo víme o tom, jak se chovají jejich seskupení velikosti nanočástic a jak vznikají jejich někdy neočekávané vlastnosti.
Použití v tribotechnice
V oboru aplikované tribotechniky se v posledních několika letech rovněž vyskytly materiály disponující vlastnostmi takzvaných nanostruktur, tedy molekulárních útvarů se zvláštní předem definovanou strukturou o velikosti jednotek nebo desítek nm (10-9m). Jedná se zejména o vrstvené fullereny na bázi C, MoS2, WS2.
Současná tuhá maziva
Nejznámější a nejčastěji používaná tuhá maziva jako grafit, MoS2 a WS2 mají lamelární strukturu, např. grafit obr. 3
Nové struktury tuhých maziv
Skupina Nanomaterials Synthesis Group vedená profesorem Reshefem Tennem na renomovaném Weizmannově vědeckém institutu v Izraeli jako první objevila novou třídu anorganických nanostruktur. Zjistila, že určité anorganické sloučeniny jako MoS2 a WS2, které se běžně objevují ve formě destiček, mohou být syntetizované do nanosfér (obr. 4). Tyto nové struktury tuhých maziv se nazývají tzv. „Anorganické Fullereny" (Inorganic Fullerene) neboli IF nanočástice. Dosud byl známý pouze organický fulleren uhlíku, a to jako nejstabilnější typ C60 (viz. obr. 2). Struktura každé molekuly zde připomíná vzhled geodetických kopulí architekta Buckminstera Fullera, říká se jim proto „fullereny".
Až do objevu skupiny Nanomaterials Synthesis Group z Weizmannova institutu se předpokládalo, že fullereny se mohou skládat jen z atomů uhlíku. Tato skupina byla první, která dokázala, že určité anorganické (tj. neuhlíkové) sloučeniny mohou být rovněž syntetizovány do struktur podobných fullerenům, což vysvětluje název „anorganický fulleren", respektive Inorganic Fullerene „IF". Nově syntetizované IF nanočástice mají strukturu tzv. vnořených nanosfér (cibule) obr.4 a 5.
Anorganické fullereny WS2 se vyrábějí ve speciálním fluidním reaktoru. Reakce probíhá za vysoké teploty 500 - 650 °C, v redukční atmosféře H2S a H2, oxidu wolframu (WO3) se používá jako prekurzoru pro tuto reakci.
Výjimečné vlastnosti nových struktur maziv
Anorganické fullerenické struktury známých tuhých maziv mají oproti konvenčním tuhým mazivům výjimečné vlastnosti.
Mají velkou funkční plochu na jednotku hmotnosti. Oproti konvenčním tuhým mazivům až 10-krát
Vysokou pevnost a tlakovou odolnost, odolnost proti rázům
Velmi nízký koeficient tření (šetří energii)
Snižují opotřebení (zvláště při vysoké zátěži)
Chemicky stabilní - chrání proti korozi (tribo-film)
Umožňují koncipovat maziva pro extrémní podmínky
Tím značně přispívají ke snížení nákladů na maziva a údržbu.
Při separaci a mazání třecích ploch pomocí IF fullerenů se uplatňují dva mechanizmy.
1. Rotace nanočástic kulovitého charakteru mezi mikroreliéfy kluzných ploch
2. Odlupování povrchových vrstev nanočástice a přilnutí této jednoatomové vrstvy nebo několika vrstev k reliéfu kluzné plochy a tvorba tribofilmu obr. 6 a 7.
Vznik tribofilmu
Možnosti využití
Základní produkt - nanoprach na bázi IF částic WS2 (NanoLubTM) lze využít:
1/ Jako suché mazivo
a) impregnace samomazných částí
b) příprava kluzných laků
2/ disperze v olejích
3/ disperze v tucích
Jak se samotným tuhým mazivem tak s jeho disperzemi v olejích i v tucích bylo provedeno mnoho testů, které vcelku jasně naznačují jeho velký potenciál pro využití v tribotechnice.
Některé provedené testy
Graf 1 - disperze koncentrátu NanoLub GH Paste v lithném plastickém mazivu v porovnání se stejným objemem MoS2.
Test na ČKS podle ASTM-2596 ukazuje markantní rozdíl v hodnotě svarového zatížení.
Pozn. NanoLub GH Paste je koncentrát s obsahem 55 % tuhé fáze NanoLub v lithném plastickém mazivu
Graf 2 - rozdíl v koeficientu tření při zatížení - porovnání čistého lithiového maziva, lithiového maziva s přísadou MoS2 a lithiového maziva se 3 % NanoLub TM
Graf 3 - vliv zatížení na zvýšení teploty - porovnání stejných maziv jako v grafu 2
Při použití plastického maziva s příměsí IF nanočástic WS2 (NanoLubTM) je nárůst teploty i při zvyšujícím se zatížení viditelně menší.
Graf 4 - disperze nanočástic v motorovém oleji - redukce opotřebení.
Přesto, že mnohá hodnocení předních průmyslových a akademických laboratoří po celém světě naznačují, že anorganické nanostrukturní tuhá maziva na bázi WS2 - NanoLubTM, ale i jiná tuhá nanomaziva na bázi fullerenů, snižují tření, opotřebení a poškození kovu výrazně lépe než stávající pevná maziva, bude třeba provést ještě řadu dalších testů pro jednoznačné potvrzení těchto výsledků.
Ing. Lubomír Tresner
