Введение к работе
Актуальность работы.
Никель, медь и алюминий широко используются в технике и технологии: как компоненты конструкционных сплавов, электронных материалов, гетерогенных катализаторов, пиротехнических составов (А1) и т.д. Задачи сохранения и улучшения качества названных металлов всегда остро стояли не только при их производстве, но и в процессе их хранения и эксплуатации. В настоящее время актуальность решения перечисленных задач возрастает в связи с большой потребностью современной промышленности в дисперсных, в том числе наноструктурированных материалах. Последние характеризуются, как правило, невысокой устойчивостью в воздушной атмосфере и агрессивных техногенных средах.
Большинство известных подходов к стабилизации структуры и свойств металлов сводятся к традиционным методам защиты от коррозии и предполагают проведение дорогостоящих и многооперационных процессов, разделенных во времени и пространстве от получения самого металла. В результате при нанесении, например, микронных защитных покрытий трудно добиться их хорошей адгезии к металлу и обеспечить длительную устойчивость металла в процессе атмосферной коррозии. Преодолеть эти сложности позволяет метод адсорбции на металле веществ - модификаторов из паров катионактивных препаратов, развиваемый в СПГГИ (ТУ) на примере алюминия. Более прогрессивным подходом является твердотельный гидридный синтез металлов (А.Г. Сырков), поскольку этот синтез позволяет не только производить восстановление металлов (Ni, Cu, Fe и др.) из их соединений летучими термостойкими элементоводородами, но и одновременно за счет хемосорбции восстановителя - покрывать поверхность металла сверхтонкими защитными пленками. Усовершенствование последнего метода для практики возможно путем использования на одной из стадий восстановления относительно малотоксичного и устойчивого при контакте с воздухом реагента, содержащего в структуре реакционноспособную при нагревании группировку элемент-водород (Э-Н).
Исследования выполнены в рамках Аналитической целевой ведомственной программы «Развитие научного потенциала высшей школы» по теме № 1.13.08 «Закономерности твердотельных процессов формирования и химико-физические свойства поверхности наноструктурированных металлов» (2008-2012 г.г.) и в рамках госбюджетного прикладного исследования (per. № НИР-1.4.09).
Цель работы. Разработка методов адсорбционного модифицирования поверхности металлов из паров катионных ПАВ и твердотельного гидридного синтеза порошков термо- и химически стойких металлов на основе никеля и меди с использованием на первой стадии восстановления паров гидрофобизирующей кремнийорганической жидкости.
Методика проведения работы. Опыты по модифицированию и синтезу порошков металлов выполнены на оригинальных лабораторных установках. Для характеризации структуры и состава образцов использованы прецизионные физические и физико-химические методы: рентгентгеноструктурный и рентгенофлюоресцентный методы анализа; РФЭ-, ИК-, EDX-спектроскопии, электронная и атомно-силовая микроскопия; удельную поверхность образцов измеряли многоточечным методом БЭТ. Адсорбцию паров воды на образцах определяли эксикаторным методом, величину высокотемпературной коррозии – гравиметрически и термогравиметрически. Антифрикционные свойства смазок, наполненных синтезированными порошками, контролировали методом акустической эмиссии. При выводе зависимостей применены положения теории математического и физического моделирования, а также системного анализа процессов.
Научная новизна работы:
- осуществлено наноструктурное модифицирование порошков меди и никеля, основанное на поочерёдном наслаивании катионных ПАВ, их смесевой обработке поверхности и на обработке порошков парами труднолетучей кремнийорганической жидкости ГКЖ-94;
- теоретически и экспериментально обоснован способ твердотельного гидридного синтеза термо- и химически стойких порошков металлов (Ni, Сu) с защитной кремнийкарбидсодержащей наноплёнкой на поверхности, который включает восстановление исходных твёрдых соединений парами гидрофобизирующей кремнийорганической жидкости (ГКЖ) и заключительную восстановительную термообработку в среде метана;
- установлены закономерности усиления гидрофобности порошков (Ni, Cu, Al) в зависимости от вида вещества-модификатора и программы модифицирования поверхности порошка;
- выявлено, что повышение химической устойчивости и гидрофобности порошков наиболее сильно происходит: а) для никеля и меди - при обработке в парах ГКЖ, б) для А1-пудры (ПАП-2) - при обработке в парах триамона и алкамона (катионных ПАВ);
- обнаружено, что смесевая и попеременная обработка катионными ПАВ поверхности порошков металлов благоприятна для достижения максимальных антифрикционных свойств наполненной ими смазки; изменение интегрального показателя трения D лучших смазок с присадками модифицированных Ni, Cu, A1 хорошо описывается экспоненциальным уравнением вида D=АеbP, где Р- давление в пятне контакта трибологической пары, А, b - характеристические константы смазки.
Основные защищаемые положения:
-
В результате адсорбции на порошках Ni, Сu, А1 веществ-модификаторов из паров триамона и алкамона в послойном и смесевом режимах обработки также, как и при обработке металлов парами кремнийорганической жидкости ГКЖ-94, происходит усиление химической устойчивости, гидрофобности и антифрикционных свойств поверхности металла.
-
Способ твердотельного гидридного синтеза термо- и химически стойких порошков металлов (Ni, Сu) с защитной кремнийкарбидсодержащей наноплёнкой на поверхности включает восстановление твёрдых соединений металлов (хлоридов, оксидов) парами малотоксичной гидрофобизирующей кремнийорганической жидкости (ГКЖ) и заключительную восстановительную термообработку в среде метана.
Практическая значимость работы:
- созданы методики нанесения катионных ПАВ и органогидридсилоксанов из газовой фазы на поверхность порошков никеля, меди, алюминия, позволяющие на наноструктурном уровне регулировать практически важные химико-физические свойства металлов;
- разработан экологически безопасный вариант твердотельного гидридного синтеза металлов на основе никеля и меди с использованием паров ГКЖ;
- предложен метод повышения химической устойчивости, гидрофобности и антифрикционных свойств поверхности металла (заявка на изобретение «Способ наноструктурной пассивации поверхности неблагородных металлов» № 2009127475 от 16.07.2009 г.). Синтезированные в диссертации порошки металлов внедрены с экономическим эффектом в НИИ «Энергосталь» (СПб, 2010) как компоненты защитных покрытий для образцов создаваемой новой техники.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы представлялись на Международной конференции «Инновационные технологии» (Нью-Йорк, 2007), Международном форуме «Проблемы недропользования» (СПб, 2010); на Всероссийской конференции: «От наноструктур, наноматериалов и нанотехнологии к Наноиндустрии» (Ижевск, 2009); на Международной форум-выставке «Российская инновационная неделя» (СПб, 2009); Международной выставке «Технологии и инновации-2009» (Москва, 2009), в рамках Российской национальной выставки в Чикаго (США, 2009); на конференции молодых учёных СПГГИ (ТУ) «Полезные ископаемые России и их освоение» (СПб, 2007-2010). Разработка «Наноструктурированные защитные покрытия на металлических поверхностях» отмечена золотой медалью на XVI Международной выставке-конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (СПб, РЕСТЭК, 2010), серебряными медалями на 61-й Международной выставке IENA-2009 (Нюрнберг, Германия, 2009); и на Международной технической ярмарке SIIF-2009 (Сеул, Корея, 2009).
Публикации. Основные положения работы опубликованы в 6 статьях (2 - в изданиях из списка ВАК), в 1 тезисах доклада.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Работа изложена на 149 страницах машинописного текста.
