Виктор Балабанов - Нанотехнологии. Правда и вымысел

Началом исследований в данном направлении стало необычное явление, обнаруженное при бурении сверхглубокой скважины на Кольском полуострове. Было выявлено, что при прохождении буровым инструментом (долотом) горных пород, богатых серпентинитом (змеевиком), ресурс режущих кромок инструмента резко увеличивался.

Серпентины – группа природных минералов. Встречаются они в нескольких видах. Все серпентины – зеленые минералы, слагающие жирные на ощупь массивные агрегаты со слоистой структурой, отдаленно напоминающей графит, которые различимы лишь под электронным микроскопом.

Формула серпентина – Mg6[Si4O10](OH)8, или зMg02Si022H20, или (Мg0Н)6Si40llН20. Компонентный состав серпентина:

МgО – 43 %, SiO2 – 44 %, Н2О – 12,1-12,9 % (в серпентине содержится около 13 % конституционной воды; конституционная вода представлена в минералах ионами гидроксила (ОН)- и в единичных случаях ионами Н+, располагающимися в узлах кристаллической решетки). Эта вода прочно удерживается минералами при комнатной температуре, но выделяется при нагревании в температурном интервале 300-1300 °C. Выделение воды сопровождается разрушением кристаллической решетки минерала.

Кристаллизационная (или кристаллогидратная) вода содержится в минералах (например, в гипсе – Ca(SO)42H2O) в виде молекулы Н2О, которая входит в структуру минерала. Серпентин (хризотил, лизардит или антигорит) не содержит кристаллизационной воды, поэтому объяснение, согласно которому противо-износный эффект от вводимого серпентина в смазочную среду возникает в зависимости от количества кристаллизационной воды, является несостоятельным.

Отличие между компонентами серпентина, скорее всего, заключается в параметрах кристаллической решетки. Рентгенофазовый анализ геомодификаторов показывает, что эти составы бывают двух видов: один содержит 75–80 % лизардита и 10–15 % хризотила, другой содержит 10–15 % лизардита и 75–80 % хризотила.

Все слоистые силикаты состоят из двух сеток [Si2O5]2-, соединенных катионами в компактные пакеты состава [Si4O10]4-. Особенность каждой сетки [Si2O5]2 – наличие нескомпенсированного электростатического заряда. Данная особенность обусловлена тем, что сетки из кремнекислородных тетраэдров имеют одну свободную валентность. Это определяет появление тетраэдров отрицательного заряда только на одной стороне сетки. В сдвоенных пакетах [Si4O10]4- отрицательные заряды обеих сеток направлены внутрь пакета и скомпенсированы катионами Mg. Фактически в слоистых пакетах [Si4O10]4- между двумя сетками состава [Si2O5]2- располагается бруситовый слой Mg^^. 2 5

Специфическое строение слоистых силикатов – наличие пакетов, состоящих из гексагональных сеток-слоев, которые очень слабо связаны друг с другом, определяет и свойства этих минералов: низкую твердость, весьма совершенную спайность и расщепляемость на тонкие пластинки.

Изучение данного явления было организовано в конце 80-х годов прошлого столетия в институте «МеханОбр» (Ленинград) под руководством академика Владимира Ивановича Ревнивцева. Учеными было установлено, что данный эффект является следствием разложения серпентина в зоне бурения с дополнительным выделением большого количества тепловой энергии. Вследствие этого наблюдается разогрев материала шарошки бурового долота, диффузия в него разложившихся элементов минерала и образование композиционной металлокерамической структуры, обладающей высокой твердостью и износостойкостью.

В настоящее время геомодификаторы используют для проведения ремонтно-восстановительных работ техники с большим пробегом в процессе непрерывной эксплуатации, но иногда – в целях интенсификации процесса, повышения качества приработки и износостойкости деталей – их применяют и на новых двигателях.

Восстановление и упрочнение подвижных соединений геомодификаторами осуществляется за счет формирования на поверхностях трения структур повышенной прочности, подавления процессов водородного изнашивания и охрупчивания металла, повышения термодинамической устойчивости системы «поверхность трения – смазочный материал». Поверхностно-активные вещества (ПАВ) металлокерамического восстановителя после введения их в системы двигателя химически (катализ) и физически (суперфиниш) подготавливают поверхности трения, очищая их от нагара, оксидов, отложений и т. д. Попадая на поверхности трения вместе с маслом или в составе пластичной смазки, ПАВ инициируют процесс формирования металлокерамического покрытия с высокой износостойкостью и малым коэффициентом трения.

В отдельную группу РВП выделяются кондиционеры металла (поверхности). К этой группе вообще следует отнести целый спектр различных препаратов автохимии на базе поверхностно-и химически активных веществ, в том числе традиционно применяемых в смазочных материалах, но официально не именуемых «кондиционерами».

Собственно, смысл словосочетания «кондиционер поверхности» применительно к автохимии можно интерпретировать как препарат и механизм воздействия на процессы трения и изнашивания, позволяющий восстановить антифрикционные и противоизносные свойства, а также химический состав (состояние) поверхностей трения, доставляя необходимые компоненты (среды или энергии) за счет введения химически активных веществ.

По имеющимся данным, один из главных компонентов автомобильных кондиционеров поверхности – галогенированные производные углеводородов. Эти химически активные углеводороды являются соединениями, полученными замещением в структурной формуле углеводорода одного или более атомов галогена (хлора, фтора, брома, йода) равным числом атомов водорода. К активным компонентам таких присадок следует отнести также ряд соединений серы и фосфора.

Наиболее часто в кондиционерах металла применяются хлоропарафины, отвечающие по составу предельным углеводородам или парафинам СпН х (2n + 2), в которых один или несколько атомов водорода замещены хлором. Из химических свойств хлоропарафинов наиболее важным и характерным для них является чрезвычайная подвижность атомов хлора, вследствие чего при действии соответствующих агентов они способны обменивать хлор на водород или другие атомы и группы. Способность эта обусловливает широкое применение хлоро-парафинов для разнообразнейших синтезов, в том числе для препаратов автохимии. Они используются в моторных маслах как компонент полифункциональных присадок для обеспечения синергизма триботехнического действия различных присадок.

Все эти вещества входят (или могут входить) в состав РВП группы кондиционеров металла. На основании проведенного анализа компонентного состава кондиционеров металла следует сделать вывод, что механизм их действия основан на физической адсорбции, хемосорбции и химическом взаимодействии ПАВ с поверхностями трения.