ИСТИНА

Теория и практика оптимизации триботехнических процессов привлекают все большее внимание как объекты междисциплинарных исследований, результаты которых оказывают серьезное влияние на мировую экономику. Отечественные пластичные смазки пока еще отстают по своим триботехническим и эксплуатационным показателям от импортных. Свойства пластичных смазок зависят от большого числа различных факторов внутренней и внешней среды, однако одним из ключевых факторов является природа наполнителей. В связи с этим актуальным является изучение влияния особенностей строения природных и синтетических углеродных наноструктур (УНС) на структуру, реологические и триботехнические характеристики смазочных систем с целью разработки физико-химических основ создания эффективных смазочных материалов для импортозамещения в машиностроении. Поскольку влияние УНС на свойства пластичных смазок зависит от их взаимодействия с компонентами системы и друг с другом, научная новизна и уровень значимости данного исследования определяются систематическим изучением влияния широкого спектра наноструктур, отличающихся по своему строению: шунгитовый наноуглерод, синтетический воcстановленный оксид графена, одностенные и многостенные углеродные нанотрубки (в том числе функционализированные) и фуллерены на структуру и свойства пластичных смазок. Значимость исследования связана с тем, что впервые будет установлена зависимость «строение углеродной наночастицы – структура пластичной смазки – физико-химические и трибологические свойства пластичной смазки» как в модельных смазочных композициях, так и для серийно выпускаемых отечественных пластичных смазок. Полученные результаты позволят дать рекомендации по новым «smart» составам пластичных смазок, а также по повышению эффективности серийно выпускаемых отечественных пластичных смазок с целью импортозамещения. Исходя из междисциплинарности задач проекта, коллектив исполнителей включает специалистов как в области синтеза и характеризации углеродных наноструктур, так и методов исследования физико-химических и триботехнических свойств пластичных смазочных материалов, а также моделирования трибологических процессов. В ходе выполнения проекта планируется использовать широкий круг необходимых современных методов исследования. Все научное оборудование, требуемое для выполнения проекта, имеется в распоряжении коллектива авторов.

The theory and practice of optimization of tribotechnical processes attract increasing attention as objects of interdisciplinary research, the results of which have a serious impact on the world economy. Domestic plastic lubricants are still lagging behind their tribotechnical and operating characteristics from imported ones. The properties of plastic lubricants depend on a large number of different factors of the internal and external environment, but one of the key factors is the nature of the fillers. In this connection, it is important to study the influence of the structural features of natural and synthetic carbon nanostructures on the structure, rheological and tribological characteristics of lubrication systems with the aim to develop the physico-chemical basis for the creation of effective lubricants for import substitution in engineering. Since the influence of carbon nanostructures on the plastic lubricant properties depends on their interaction with other components of the system and with each other, the scientific novelty and significance of this study are determined by a systematic study of the influence of a wide range of nanoparticles differing in their structure: shungite nanocarbon, synthetic reduced graphene oxide, single-walled and multi-walled carbon nanotubes (including functionalized ones) and fullerenes on the structure and properties of plastic lubricants. The significance of this study is related to the fact that the "carbon nanoparticle structure – plastic lubricant structure – physicochemical and tribological properties of plastic lubricant" dependence will be established for the first time both in model lubricant compositions and commercially produced domestic plastic lubricants. The results obtained will allow to recommend new "smart" compositions of lubricants. They also increase the efficiency of commercially produced domestic greases for the purpose of import substitution. Taking into account the interdisciplinary nature of the project's tasks, the team includes specialists in the field of synthesis and characterization of carbon nanostructures, as well as methods for studying the physicochemical and tribological properties of plastic lubricants, and also for modeling tribological processes. During the implementation of the project it is planned to use a wide range of necessary modern research methods. All the scientific equipment required for the implementation of the project is available to the team.

Проведенные исследования дадут возможность выявить физико-химические и структурные механизмы оптимизации трибологических свойств граничных полимолекулярных смазочных слоев, содержащих в качестве присадок углеродные наноструктуры, что позволит впервые сделать шаг к качественно новому пониманию процессов, протекающих в граничных смазочных слоях и предложить критерии подбора присадок, улучшающих смазочные свойства материалов в широком диапазоне режимов трения и температур и перейти от эмпирического метода подбора присадок к научно обоснованному. Для достижения этих результатов: 1. Будут определены морфологические параметры углеродных наноструктур (форма и взаимное расположение графеновых слоев, геометрические параметры, а также массово-объемные соотношения при возможных сочетаниях), обеспечивающие трибологические показатели смазочных композиций равные, или превыщающие лучшие зарубежные образцы. 2. Будут определены условия химической обработки углеродных наноструктур и их композитов (на основе сочетаний конических и/или цилиндрических УНТ с малослойными графеновыми нанопластинками) с целью функционализации для достижения совместимости с основой смазочных материалов и создания химически активной пленки, образуемой на металлических поверхностях азотсодержащими углеродными соединениями, обеспечивающими противоизносные и противозадирные свойства. 3. Будут описаны механизмы структурообразования в смазках, формируемых при введении сложноорганизованных наночастиц шунгитового углерода, и вклад непланарных графеновых фрагментов в структурообразование на стадии получения смазок, а также при формировании граничных слоев в условиях трения. 4. Будут определены возможности управления структурой, физико-химическими и триботехническими свойствами гибридных смазочных материалов, модифицированных нанокластерами углерода, характеризующимися структурными перестройками в условиях трения. 5. Впервые будет установлена зависимость основных реологических параметров модельных пластичных смазочных материалов от структуры, функционализации и концентрации широкого спектра углеродных наноструктурных присадок. 6. Впервые будет исследована зависимость триботехнических параметров модельных пластичных смазок от структуры, функционализации и концентрации широкого спектра углеродных наноструктурированных присадок и установлена зависимость «структура наночастицы – структура пластичной смазки – реологические свойства – триботехнические свойства». 7. Будет установлена зависимость влияния на трибологические и реологические свойства действия присадок – дисперсий углеродных наночастиц в жидкокристаллической матрице от их структуры и функционализации. 7. Будут предложены рецептуры производства пластичных смазок нового поколения, эффективные при низких температурах, с низким индексом задира, а также отличающиеся термостабильностью и длительным циклом эксплуатации. При этом исходные материалы для их производства будут являться отечественными. Это позволит в части применения увеличить срок эксплуатации машин и механизмов, увеличить сервисные интервалы, что приведет к существенному сокращению расходов. В части производства это позволит создать новые рабочие места, сократить энергетические и транспортные расходы. 8. Будут получены данные об изменении структуры, физико-химических и трибологических свойств ряда серийно выпускаемых отечественных пластичных смазок при введении присадок – углеродных наночастиц различной природы и строения, которые явятся основой для выработки рекомендаций по повышению их эффективности с целью импортозамещения. 9. Исследование позволит впервые сделать шаг к качественно новому пониманию процессов, происходящих в граничных полимолекулярных смазочных слоях, содержащих в присадках природные или синтетические, в том числе функционализированные, углеродные наноструктуры; выявить физико-химические и структурные механизмы аномально низкого трения упорядоченных полимолекулярных смазочных слоев, что в конечном итоге позволит прогнозировать физико-химические свойства граничных слоев с наноприсадками и смазочных материалов на их основе в целом. В 1-й год реализации проекта ожидаются следующие результаты: 1. Будут синтезированы и охарактеризованы МУНТ конической природы и цилиндрической формы, а также малослойный графен (МГФ) и их гетерозамещенные аналоги. (к.х.н. С.В. Савилов, д.х.н. Т.П. Дьячкова, к.ф.-м.н. С.Ю. Купреенко) 2. Будут получены и охарактеризованы (рамановские спектры, РСА, ТГ, титриметрия) функционализированные углеродные конические и цилиндрические МУНТ (окислительная функционализация посредством обработки в парах перекиси водорода и озоново-кислородной смеси при различных по температуре и продолжительности режимах). (д.х.н. Т.П. Дьячкова) 3. Будут синтезированы МУНТ и МГФ, модифицированные высшими карбоновыми кислотами, с разным содержанием модификатора. (д.х.н. Т.П. Дьячкова) 4. Будут получены и охарактеризованы физико-химические свойства наночастиц шунгитового углерода и выделенных графеновых фрагментов и пачек. Будет сделано научное обоснование фазовых и агрегационных процессов при переносе наночастиц из водной дисперсии в масляную фазу. (д.х.н. Н.Н. Рожкова) 5. Будет разработан базовый состав модельной пластичной смазки для его дальнейшего использования во всех экспериментах по изучению влияния особенностей структуры углеродных наноматериалов на структуру, физико-химические и трибологические свойства пластичных смазок. (к.х.н. С.В. Савилов) 6. Будут созданы композиции углеродных нефункционализированных наноструктур (одно- и многостенных углеродных нанотрубок, графена, шунгита, фуллерена) с наиболее эффективными серийно выпускаемыми отечественными и зарубежными пластичными смазками (к.ф.-м.н. А.И. Смирнова). Исследована зависимость их физико-химических свойств (комплексный модуль сдвига, модуль накопления, модуль потерь, комплексная и динамическая вязкость) и термодинамические характеристики (оптическая поляризационная микроскопия, ДСК) от типа наночастиц-присадок, их концентрации и частоты осцилляций. (к.ф.-м.н. А.И. Смирнова, к.х.н. А.А. Бурков, к.т.н. М.А. Шилов) 7. Будут получены результаты триботехнических испытаний композиций нефункционализированных наноструктур (УНТ, МУНТ, графен, шунгитовый наноуглерод) с наиболее эффективными серийно выпускаемыми отечественными и зарубежными пластичными смазками и установлена зависимость триботехнических параметров (механические потери, предел нагрузочной способности, выделение тепла в зоне трения, пятно износа) от типа углеродной присадки. (к.ф.-м.н. А.И. Смирнова, д.т.н. Е.В. Березина, д.т.н. А.А. Гвоздев) 8. Результаты проведенных исследований будут представлены к опубликованию в журналах, входящих в список WoS и Scopus, представлены на конференциях, в том числе международных.