Учёные разработали графеновые композитные добавки, которые позволили преодолеть технологические ограничения в области промышленных масел и полимерных покрытий и решить проблему абразивной эрозии высокоскоростной транспортной техники
2023-12-01
Источник: DeepTech (Шэнькэцзи) Пекин Пожаловаться
На днях группа профессоров Юго-Западного транспортного университета синтезировала ряд функционализированных графеновых материалов, что позволило решить проблемы, связанные с применением графена в промышленных маслах и органических матрицах, а также связанные с этим научные вопросы в области науки о поверхностях и границах раздела фаз.
Фото | Фань Сяоцян (Источник: )
В ходе исследования им удалось наладить серийное производство графеновых композитных смазочных присадок, отличающихся высокой плотностью модификации.
Кроме того, они разработали теоретическую модель смазки на границе раздела фаз на основе графеновых смазочных материалов, что позволило создать многофункциональную композитную смазочную присадку с собственными правами интеллектуальной собственности, которая, как ожидается, сможет сломать технологическую монополию четырёх крупнейших производителей присадок.
Кроме того, в рамках данного исследования были систематически оптимизированы смазочные материалы, армированные графеном, с учетом условий эксплуатации механических деталей в различных областях, что позволило обеспечить соответствие их требованиям к смазке механического оборудования в условиях эксплуатации и в экстремальных средах, а также решить проблему износа высокоскоростного транспортного оборудования и его ключевых движущихся деталей в условиях взаимодействия нескольких полей.
(Источник: Carbon)
Благодаря применению технологий модификации поверхности им также удалось эффективно регулировать состояние границы раздела графена с поверхностью, что позволило устранить проблему стабильности дисперсии графена в смазочных материалах. Разработанные на этой основе графеновые композитные смазочные присадки могут использоваться в качестве высококачественных смазочных присадок для соответствующих промышленных применений.
Ожидается, что разработанная в рамках данного проекта графеновая смазка обеспечит механическим деталям ряд эксплуатационных преимуществ: например, снижение механических напряжений при высоких нагрузках, отсутствие преждевременной усталости даже при двунаправленном трении, а также обеспечение длительного срока службы механических деталей и т. д.
Таким образом, это не только позволяет снизить эксплуатационные расходы, но и способствует достижению целей «двойного углеродного баланса». В настоящее время данная смазка уже широко применяется в сфере геотехнической техники.
В частности, они занимаются разработкой графеновых зубчатых, трансмиссионных и гидравлических масел для различного механического оборудования и его компонентов и совместно с компанией «Гуанси Механик» создали «Совместную лабораторию смазочных материалов для строительной техники». На данный момент уже созданы система производства и система оценки графеновых смазочных материалов, специально предназначенных для строительной техники.
(Источник: Carbon)
В ночь Праздника середины осени — лапша с говядиной.
Смазочные материалы предназначены для устранения трения и износа — проблем, характерных для всего механического оборудования и его ключевых движущихся частей.
Ежегодно трение и износ приводят к потере одной трети мировых ресурсов одноразового использования, и около 80 % отказов деталей машин связаны с этим явлением. Ежегодные убытки, вызванные трением и износом, составляют примерно 2–7 % валового национального продукта во всех странах мира.
Если бы знания в области трибологии применялись должным образом, это позволило бы сэкономить примерно 1,0–1,4 % валового национального продукта.
Смазка незаменима везде, где имеют место трение и износ. На протяжении многих лет промышленность Китая демонстрирует тенденцию к линейному росту, и спрос на смазочные материалы в таких отраслях, как ветровая энергетика, атомная энергетика, металлургия, точное машиностроение и железнодорожный транспорт, растет в геометрической прогрессии.
В настоящее время Китай занимает первое место в мире по объему потребления смазочных материалов. «Прежде чем войска выступят в поход, нужно обеспечить их провизией». Будучи чрезвычайно важным промышленным расходным материалом, уровень развития смазочных материалов в определенной степени отражает уровень промышленного развития страны.
Реализация стратегии «Сделано в Китае 2025» и стратегии «Транспортная держава» позволяет высокоскоростному транспортному оборудованию, типичным представителем которого являются высокоскоростные поезда, играть всё более важную роль в национальной экономике, обеспечении национальной безопасности и жизни населения.
Высокоскоростные поезда, являющиеся визитной карточкой Китая, при выходе на международные рынки сталкиваются с разнообразными условиями эксплуатации в широком диапазоне регионов и экстремальными рабочими условиями, что неизбежно приводит к серьезным проблемам, таким как износ, усталость материалов и коррозия, и затрудняет соблюдение требований к высоким эксплуатационным характеристикам — низкому энергопотреблению, высокой точности и надежности — на протяжении всего срока службы.
Эти проблемы, возникающие в результате взаимодействия окружающей среды и условий эксплуатации, не только приводят к серьезному расходу энергии и ресурсов, но и создают высокий риск возникновения серьезных аварий.
Для обеспечения высокой эксплуатационной эффективности высокоскоростной транспортной техники на протяжении всего жизненного цикла необходимо гарантировать «целостность форм и поверхностей» и «функциональную устойчивость» её ключевых движущихся узлов.
Однако обеспечение целостности интерфейса основных механических часов стало одной из «узких мест», сдерживающих развитие высокоскоростного транспортного оборудования.
При этом ключевую роль играет высокоэффективная защита механических поверхностей. На протяжении многих лет исследования команды сосредоточены на высокоскоростной транспортной технике и её ключевых узлах, и направлены на решение проблем износа, усталости и коррозии, возникающих при эксплуатации в различных условиях и при изменяющихся рабочих режимах.
В прошлом он вместе с исследовательской группой провел ряд исследований, посвященных высокоэффективным материалам для защиты поверхностей машин и их применению.
В частности, речь идет о разработке композитных добавок на основе двумерных наноматериалов, разработке смазочных материалов с низким коэффициентом трения, высокой несущей способностью и антикоррозионными свойствами, а также разработке органических покрытий, обладающих износостойкостью, усталостной прочностью и антикоррозионными свойствами.
(Источник: Carbon)
Как известно, графена благодаря своим характерным структурным особенностям и превосходным эксплуатационным характеристикам обладает огромным потенциалом применения во многих отраслях. Благодаря таким преимуществам, как превосходные механические свойства, высокая подвижность носителей заряда, химическая стойкость при высоких температурах, а также возможность регулирования метрических и неметрических размеров, графена активно используется для разработки высокоэффективных смазочных материалов и смазочных присадок.
Однако такие свойства графена, как химическая инертность и межслойное π-π-взаимодействие, существенно ухудшают его смазочные характеристики.
Учитывая, что проблемы на границе раздела между неорганическими и органическими материалами, а также атомное легирование и внедрение дефектов могут существенно изменить собственную структуру и свойства графена, исследовательская группа разработала этот функционализированный графен с помощью метода влажной обработки под действием внешнего поля.
Кроме того, исходя из основных свойств и молекулярной структуры промышленных базовых масел, они отобрали различные типы липофильных модификаторов и, используя группы и незанятые связи на поверхности или краях графена, обеспечили химическое взаимодействие функциональных групп модификаторов с ним, что позволило функционализировать графен и спроектировать его совместимость с различными базовыми маслами.
И все эти достижения стали возможны благодаря их упорному труду. Особенно в тот вечер в 2018 году, в день Праздника середины осени, когда в Чэнду пошел проливной дождь, они вместе с тремя студентами, не отрываясь ни на минуту, занимались окончательной доработкой заявки на проект и подготовкой презентации для защиты.
Лишь к рассвету они наконец закончили работу, и погода улучшилась — небо прояснилось. «После работы я съел утром тарелку острой лапши с говядиной, и это напомнило мне о том, как я ел лапшу с говядиной после экспериментов, когда учился в аспирантуре Института химической технологии Ланьчжуна Китайской академии наук. Процесс упорного труда — это самое прекрасное, и эти моменты стоит вспоминать», — сказал он.
В конечном итоге соответствующая статья была опубликована в журнале «Carbon» под названием «Экспериментальная и теоретическая оценка износостойкости гибридных эпоксидных композитных покрытий с параллельно расположенными оксидами графена» ().
Первым автором статьи является магистрантка Юго-Западного транспортного университета Хэ Юйшань, а профессора и доценты Юго-Западного транспортного университета выступили в качестве соавторов-корреспондентов [1].
Иллюстрация | Соответствующие статьи (Источник: Carbon) Помимо данной статьи, другие соответствующие работы исследовательской группы были опубликованы в таких журналах, как «Chemical Engineering Journal», «Applied Surface Science», «Friction» и «Tribology International». Кроме того, на данный момент группе выдано 7 национальных патентов на изобретения.
Небольшая деталь, на которой держится всё.
Кроме того, как сообщается, за вклад в решение проблемы износа рельсов на высокоскоростных железных дорогах и в метрополитене он был удостоен «Национальной премии за инновации в области науки и технологий среди молодёжи железнодорожной отрасли».
Являясь важным несущим элементом рельсового транспорта, рельсы под воздействием сочетания условий эксплуатации и рабочих нагрузок подвергаются образованию волн, царапин, отслоениям, трещинам и износу, что серьезно сказывается на плавности хода, устойчивости и безопасности поездов.
Он заявил: «Учитывая, что технологии производства высокоскоростных пассивных шлифовальных камней в нашей стране по-прежнему значительно отстают от таких стран с развитым железнодорожным транспортом, как Франция и Германия, и, в частности, учитывая, что производство наиболее важных расходных материалов — высокоскоростных шлифовальных камней — полностью монополизировано иностранными компаниями, такими как [названия], мы применили метод ортогональных испытаний и успешно разработали высокоэффективные шлифовальные камни для высокоскоростной шлифовки рельсов». Кроме того, он и его команда провели комплексную оценку эксплуатационных характеристик шлифовальных камней, и в настоящее время эффективность шлифования с использованием этих камней уже достигла передового международного уровня. «Этот результат обеспечивает материально-техническую и теоретическую основу для эксплуатации и технического обслуживания рельсового транспорта в эпоху после высокоскоростных железных дорог и играет важную роль в построении „транспортной державы“, — сказал он.
В будущем команда планирует уделить больше внимания исследованиям в области технологий защиты от износа и коррозии, уделяя особое внимание крепежным деталям.
Крепежные детали, которые часто называют «рисом промышленности». Они выполняют такие функции, как передача силы/момента, обеспечение движения или герметизации, и гарантируют выполнение ключевых операций высокоскоростным транспортным средствам и их механическим конструкциям.
Однако под воздействием динамических нагрузок на контактные поверхности крепежных элементов, а также в результате сильного взаимодействия с суровыми условиями эксплуатации, неизбежно возникают такие повреждения, как износ, усталость и коррозия, что приводит к деформации соединительных поверхностей, изменению состояния поверхности, изменению распределения напряжений, снижению эксплуатационных характеристик и другим проблемам, а также ставит под угрозу надежность, безопасность и комфорт оборудования на протяжении всего его жизненного цикла.
Исходя из этого, исследовательская группа намерена продолжить изучение деталей, в частности крепежных элементов, и стремится своевременно разработать соответствующие защитные материалы, чтобы более эффективно способствовать построению «транспортной державы».
Источники:
Хэ, Ю., Фань, С., Хуан, Ю., Лю, Ц., Чжао, Ц. и Чжу, М. (2023). Экспериментальная и теоретическая оценка гибридного эпоксидного композитного покрытия на основе оксида графена с параллельной ориентацией с точки зрения износостойкости. Carbon, 118629.
Редакция/верстка: Хэ Чэньлун
Пожалуйста, оставьте нам сообщение
-
-
-
-
WeChat
-
Сервис‑аккаунт WeChat
