Изучение влияния ферромагнитных наночастиц на триботехнические характеристики смазок

УДК 621.893

Изучение влияния ферромагнитных наночастиц на триботехнические характеристики смазок 1

1, В. Л.  Петров2, 3**

1 Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация

2  Ростовский государственный университет путей сообщения, г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация

3 Технический университет Дрездена, Германия.

Study influence of the ferromagnetic nanoparticles on tribotechnical characteristics of lubri-cants ***

I. I. Ivanov1, P. P. Petrov2, O. D. Smirnov3

1 Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russian Federation

2  Rostov State Transport University, Rostov-on-Don, Russian Federation

3 Technische Universitдt Dresden (TUD), Germany

Аннотация Введение. Статья посвящена разработке высокоточных бесконтактных способа и устройства для измерений малых перемещений поверхностей объектов контроля на основе современных лазерных технологий и методов оптической интерферометрии для контроля качества и диагностики состояния материалов и изделий акустическими неразрушающими методами контроля. Целями работы являлись разработка и расчетно-экспериментальное обоснование оптического интерференционного устройства для бесконтактного измерения линейных и угловых составляющих малых перемещений поверхностей объектов контроля при диагностике состояния материалов и изделий акустическими методами неразрушающего контроля на основе двухходового лазерного интерферометра с совмещенными ветвями. Материалы и методы. Предложены новые математические модели, описывающие оптические поля интерференционных картин, создаваемые рассматриваемым интерферометром, и новое программное обеспечение. Проведено численное моделирование распределений интенсивности в интерференционных картинах, при этом использованы различные виды светоделителей и различные случаи поляризации. Результаты исследования. Разработаны новые математические модели и программное обеспечение для численного моделирования полей интенсивности оптического излучения в интерференционных картинах, учитывающие как линейную, так и угловые составляющие малого перемещения поверхности объекта контроля. Разработан и научно обоснован новый интерференционный метод измерений малых линейных и угловых перемещений, позволяющий объединить в одном измерительном средстве возможностей измерителя как малых линейных, так и угловых перемещений поверхностей объектов контроля. Предложены новые оптические интерференционные способы и средства для бесконтактных измерений малых линейных и угловых перемещений поверхностей объектов контроля, реализующие возможности метода и расширяющие функциональные возможности известных измерителей малых перемещений. Обсуждение и заключения. Полученные результаты могут быть использованы в процессе высокоточных измерений малых линейных и угловых перемещений поверхностей объектов контроля при проведении экспериментальных исследований, оценке и диагностике состояния образцов конструкционных материалов, исследовании быстропротекающих волновых процессов в слоистых конструкциях сложной формы, выполненных из анизотропных композиционных материалов в машиностроении, судостроении, авиастроении, приборостроении, энергетике и т. д.

Introduction. The article is devoted to the development of high-precision non-contact method and apparatus for measuring small displacements of surfaces of objects of control based on modern laser technologies and methods of optical interferometry for quality control and diagnostics of materials and products acoustic non-destructive methods. The purpose of this work was to develop and experiment-calculated substantiation of the optical interference device for contactless measurement of linear and angular components of the small displacements of the surfaces of the control objects at diagnostics of state of materials and products acoustic methods of nondestructive control based on double-pass laser interferometer with combined branches. Materials and Methods. The proposed new mathematical model describing the optical field interference patterns generated by the interferometer under consideration, and new software. Numerical modeling of intensity distributions in interference patterns, used different types of beam splitters and polarization. Results. Developed new mathematical models and software for numerical modeling of the fields of the optical radiation intensity in interference patterns, taking into account both linear and angular components of the small displacement of the surface of the test object. Developed and scientifically grounded new interference method of measuring small linear and angular displacements, allowing to combine in a single tool measuring capabilities of the meter as small linear and angular displacements of the surfaces of objects of control. The proposed new optical interference methods and means for the contactless measurement of small linear and angular displacements of the surfaces of the test objects that implement the capabilities of the method and extends the functionality of known measuring small movements. Discussion and Conclusions. The obtained results can be used in the process of high-precision measurements of small linear and angular displacements of the surfaces of objects of control in conducting experimental studies, evaluation and diagnosis of samples of construction materials, study of fast wave processes in layered structures of complex shape made of anisotropic composite materials in mechanical engineering, shipbuilding, aircraft building, instrument making, energy, etc.

Ключевые слова: магнитные наночастицы, химическая конденсация, магнетит, смазка, трение, износ, противоизносные и противозадирные свойства.

Keywords: ferromagnetic nanoparticles, chemical condensation, magnetite, lubricant, friction, wear, antiwear and antiwelding properties.

Введение. В настоящее время создание новых магнитных наноматериалов [1–3] представляет собой активно развивающееся направление современной науки и техники. Изучение свойств магнитных наноматериалов позволяет установить их зависимость от химического состава, типа кристаллической решетки, степени ее дефектности, размера и формы частиц, морфологии, взаимодействия частиц с окружающей их матрицей и соседними частицами. Изменяя размеры, форму, состав и строение наночастиц, можно в определенных пределах управлять магнитными характеристиками материалов на их основе. Однако контролировать их при синтезе наночастиц удается не всегда, поэтому свойства однотипных наноматериалов могут сильно различаться [4]. Разнообразие физико-химических характеристик магнитных материалов предполагает их широкое применение в науке и технике. В первую очередь следует отметить ферромагнитные наносуспензии или магнитные жидкости [5].

В технических устройствах, в том числе подшипниковых узлах [6] магнитные жидкости используются как герметизирующие материалы для вращающих валов и аппаратов, работающих в условиях агрессивных сред, в демпфирующих устройствах и датчиках угла наклона в радиотехнике [7]. Разработанные технологические среды, смазочно-охлаждающие материалы, теплоносители на основе магнитных жидкостей и углеводородов, кремнийорганических соединений и воды дают положительный результат их применения для механической обработки металлов [8–10]. Появляются новые перспективные способы использования ферромагнитных материалов в качестве добавки к маслам и смазкам. Однако потенциальные возможности применения ферромагнитных наночастиц в технике весьма значительны и недостаточно используются. Этим обусловлена актуальность их исследований. Поэтому представляет интерес конструирование смазочных материалов с добавками ферромагнитных наночастиц, изучение особенностей их взаимодействия с поверхностью трибоконтакта и влияние на триботехнические характеристики смазок.

В связи с этим целью настоящей работы является изучение триботехнических характеристик смазочных композиций на основе «Циатим-201» и масла Castrol с добавкой ферромагнитной наносуспензии.

Материалы и методы. Для синтеза ферромагнитных наночастиц использовали смесь солей хлорида железа (II) и хлорида железа (III) (степень чистоты — «х. ч.» в соотношении 1 : 2. К ней добавляли 1,5-кратный избыток 25 % водного раствора аммиака (степень чистоты — «ч. д. а»). Полученную суспензию черного цвета выдерживали в течение 30 минут на постоянном магните, затем отделяли образовавшиеся магнитные частицы от водного раствора солей. Полученный осадок промывали дистиллированной водой методом декантации. Операцию повторяли, пока значение pH раствора не достигало 6,5. Чистоту осадка контролировали на наличие ионов хлора проведением качественной реакции с нитратом серебра. Для стабилизации синтезированных ферромагнитных наночастиц использовали х. ч. олеиновую кислоту. Для полного отделения ферромагнитных наночастиц от водного раствора солей в смесь добавляли х. ч. гексан, нагревали на водяной бане. В результате проделанных операций получали пасту-концентрат.

<…>

Результаты исследования. Получение смазок включает в себя несколько операций.

-С. Элмором [12, 13] синтез высокодисперсного магнетита Fe3О4 по методу химической конденсации (ХК) по реакции:

2FeCl3 + FeCl2 + 8NH4OH = Fe3O4 + 8NH4Cl + 4H2O.

Пептизация осадка и промывка водой от растворимых солей для предотвращения коагуляции частиц магнетита и обеспечения хорошей адсорбционной способности с молекулами стабилизатора.

<…>

N, %

d, мкм

Рис. 2. Гистограмма распределения частиц магнетита по размерам

Fig. 2. Histogram of distribution of the magnetite particle size

Триботехнические свойства сконструированных смазочных материалов (табл. 1) исследовали с использованием четырехшариковой машины трения ЧШМ-1.

Таблица 1

Table 1

Состав исследуемых смазок

The composition of the test lubricants

№ смазки No. grease	Состав Composition
1	Циатим-201
2	Циатим-201 + 0,1 % наночастиц магнетита
3	Циатим-201 + 5 % наночастиц магнетита
4	Масло Castrol
5	Масло Castrol + 0,1 % наночастиц магнетита
6	Масло Castrol + 5 % наночастиц магнетита

<…>

Обсуждение и заключения. Методом химической конденсации синтезированы ферромагнитные наночастицы, стабилизированные олеиновой кислотой. Фазовый состав магнетита класса обращенных ферритов-шпинелей FeFe2O4, средний размер — 64 нм. Обнаружено, что смазочные композиции с добавками магнетита на основе пластической смазки «Циатим-201» и масла Castrol с содержанием магнетита 0,1 % мас. обладают высокими противозадирными и противоизносными свойствами. Увеличение содержания магнетита в смазках приводит к снижению их противоизносных свойств.

Библиографический список

Lu, A.-H. Magnetic nanoparticles: synthesis, protection, functionalization and application / A.-H. Lu, E.-L. Salabas, F. Schuth // Angewandte Chemie International Edition. — 2007. — Vol. 46, iss. 8. — P. 1222–1244. Nickel nanoparticles obtained by a modified polyol process: synthesis, characterization, and magnetic properties / G.-G. Couto [et al.] // Journal of Colloid and Interface Science. — 2007. — Vol. 311, iss. 2. — P. 461–468. Gherca, D. Synthesis, characterization and magnetic properties of MFe2O4 (M = Co, Mg, Mn, Ni) nanoparticles using ricin oil as capping agent / D. Gherca // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. — 2012. — Vol. 324, iss. 24. — P. 3906–3911. Баранов, наночастицы: достижения и проблемы химического синтеза / , // Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. — 2009. — Т. 1, № 1/2. — С. 129–147. Pileni, M.-P. Magnetic fluids: fabrication, magnetic properties and organization of nanocrystals / M.-P. Pileni // Advanced Functional Materials. — 2001. — Vol. 11, № 5. — P. 323–336. Подгорков, долговечности, надежности и трибологической безопасности технических устройств путем применения магнитных жидкостей / // Вестник Ивановского гос. энергетич. ун-та. — 2005. — Вып. 3. — С. 70–74. Магнитные жидкости в машиностроении / под общ. ред. , . — Москва : Машиностроение, 1993. — 272 с. Лапочкин, магнитных жидкостей в качестве смазки в мелкомодульных зубчатых передачах / // Вестник машиностроения. — 2002. — № 6. — С. 34–36. Методология создания смазочных материалов с наномодификаторами / М. Люты [и др.] // Трение и износ. — 2002. — Т. 23, № 4. — С. 411–424. Перекрестов, действия противоизносной присадки на магнитной основе / , // Вестник Астрахан. гос. техн. ун-та. — 2008. — № 2 (43). — С. 46–50. Материалы смазочные жидкие и пластичные. Метод определения трибологических характеристик на четырехшариковой машине : ГОСТ 9490-75 / Министерство нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности СССР ; Государственный комитет стандартов Совета министров СССР. — Москва : Издательство стандартов, 1987. — 8 с. Elmore, W.-C. Ferromagnetic Colloid for Studying Magnetic Structures / W.-C. Elmore // Physical Review. — 1938. — Vol. 54, № 5. — № 000–310. Synthesis of magnetite (Fe3O4) nanoparticles without surfactants at room temperature / I. Martinez-Mera [et al.] // Materials Letters. — 2007. — Vol. 61, iss. 23/24. — P. 4447–4451. Губин, такое наночастица? Тенденции развития нанохимии и нанотехнологии / // Российский химический журнал (Журнал Рос. хим. общ-ва им. ). — 2000. — Т. 44, № 6. — С. 23–31. Preparation and properties of an Aqueous Ferrofluid / P. Berger [et al.] // Journal of Chemical Education. — 1999. — Vol. 76, № 7. — P. 943–948. Комлев, наночастиц железо-магниевой шпинели при дегидрации соосажденных гидроксидов магния и железа / , С. Илхан // Наносистемы: физика, химия, математика. — 2012. — Т. 3, № 4. — С. 114–121. Вернигоров, частиц ферромагнитного материала в магнитовибрирующем слое с высокой порозностью / , // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. — 2011. — Т. 11, № 7 (58). — С. 1127–1131. Квантовохимическое исследование взаимодействия спиртов с ювенильной поверхностью меди / [и др.] // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. — 2004. — Т. 4, № 4 (22). — С. 485–488. Мельников, применения присадок на основе частиц твердых материалов при приработке деталей двигателей внутреннего сгорания / // Известия Самарского науч. центра Рос. Академии наук. — 2011. — Т. 13, № 4 (3). — С. 1116–1118.

Поступила в редакцию 12.10.2014.

Сдана в редакцию 16.10.2014.

Запланирована в номер 15.11.2014.

Сведения об авторе(-ах)

Ф. И. О. (полностью)
Ученая степень	Доктор технических наук
Ученое звание	профессор
Должность / кафедра (отдел)	Заведующий кафедрой «Физика»
Место работы, учебы (полное наименование организации)	Донской государственный технический университет (ДГТУ)
Адрес места работы, учебы (с указанием страны)	РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина,1
Контактный телефон (для иногородних с указанием тел. кода города)	8(988)888 88 88
Адрес электронной почты	*****@***ru
ORCID	0000-0003-5424-1635
Адрес, на который следует выслать авторский экземпляр журнала (с указанием почтового индекса)	РФ 344014 г. Ростов-на-Дону, кв.5

Ф. И. О. (полностью)
Ученая степень	Доктор физико-математических наук
Ученое звание	профессор
Должность	профессор кафедры  «Физика»
Место работы, учебы (полное наименование организации)	Ростовский государственный университет путей сообщения
Адрес места работы, учебы (с указанием страны)	РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, д. 2
Контактный телефон (для иногородних с указанием тел. кода города)	8(988)777 77 77
ORCID	0000-0003-5455-1645
Адрес электронной почты	*****@***ru
Адрес, на который следует выслать авторский экземпляр журнала (с указанием почтового индекса)	РФ 344066 г. Ростов-на-Дону, ул. К. Маркса, 22, кв.2

Ф. И. О. (полностью)
Ученая степень	Кандидат  технических наук
Ученое звание	Доцент
Должность	Доцент кафедры «Физика»
Место работы, учебы (полное наименование организации)	Технический университет Дрездена
Адрес места работы, учебы (с указанием страны)	Gulbranssonstr. 43 81477 Mьnchen, Germany
Контактный телефон (для иногородних с указанием тел. кода города)	8(988)555 55 55
ORCID	0000-0003-8885-1885
Адрес электронной почты	*****@***ru
Адрес, на который следует выслать авторский экземпляр журнала (с указанием почтового индекса)

Authors

Surname, first name, patronymic (in full)	Ivan I. Ivanov
Academic degree	Dr. Sci. (Eng.)
Academic title	professor
Position/ Department	Head of the Physics Department
Place of work, studies (full name of the company)	Don State Technical University (DSTU)
Address of the place of work, studies (including the name of the country)	Gagarin sq., 1, Rostov-on-Don, Russian Federation
Contact telephone number (for nonresidents – including area code)	8(988)888 88 88
Email	*****@***ru
Address where the author’s copy should be sent (including the post code)	Lenin Str., 55, ap. 5, Rostov-on-Don, Russia, 344014

Surname, first name, patronymic (in full)	Petr P. Petrov
Academic degree	Dr. Sci. (Phys.-Math.)
Academic title	professor
Position/ Department	professor of the Physics Department
Place of work, studies (full name of the company)	Rostov State Transport University
Address of the place of work, studies (including the name of the country)	Rostovskogo Strelkovogo Polka Narodnogo Opolcheniya sq., 2, Rostov-on-Don, Russian Federation
Contact telephone number (for nonresidents – including area code)	8(988)777 77 77
Email	*****@***ru
Address where the author’s copy should be sent (including the post code)	K. Marks Str., 22, ap. 2, Rostov-on-Don, Russia, 344066

Surname, first name, patronymic (in full)	Oleg D. Smirnov
Academic degree	Cand. Sci. (Eng.)
Academic title	associate professor
Position/Department	associate professor of the Physics Department
Place of work, studies(full name of the company)	Technische Universitдt Dresden (TUD)
Address of the place of work, studies (including the name of the country)	Gulbransson Str., 43 81477 Mьnchen, Germany
Contact telephone number (for nonresidents – including area code)	8(988)555 55 55
Email	*****@***ru
Address where the author’s copy should be sent (including the post code)

1 Работа выполнена по договору № 89-12Н от 01.01.2001 г.

** E-mail: *****@***ru, *****@***ru, *****@***ru

*** The research is done within the frame of Contract No. 89-12Н,  27.01.2012