Czarny proszek nanodiamentowy (mieszanka monokrystaliczna i polikrystaliczna)

Czarny proszek nanodiamentowy (mieszanka monokrystaliczna i polikrystaliczna)

 

Zastosowania nanodiamentów w przemyśle mechanicznym.

（1） Nanodiamentowe powłoki kompozytowe.

Technologia powlekania kompozytowego nanodiamentami jest jedną z kluczowych technologii w produkcji wyrobów. Poprzez powlekanie powierzchniowe można uzyskać warstwę ochronną o kontrolowanym składzie i strukturze, co znacznie poprawia żywotność i niezawodność produktu. Na przykład: w środowiskach o trudnych warunkach, takich jak platformy morskie, kopalnie odkrywkowe, instalacje petrochemiczne, zastosowanie trwałej ochrony kompozytowej zapobiega rdzewieniu wewnętrznemu przez 5-10 lat użytkowania. Narzędzia skrawające, formy, pompy, wały i zawory, które są szeroko stosowane w przemyśle mechanicznym, po wzmocnieniu powierzchni mogą mieć żywotność wydłużoną o 3 do 5 razy.

Technologia powlekania kompozytowego nanodiamentami jest skutecznym sposobem na osiągnięcie wysokiej jakości, wydajności, oszczędności energii i materiałów, ochrony środowiska i poprawy efektywności ekonomicznej. Statystyki pokazują, że około 1/3 energii w produkcji maszyn jest zużywana bezpośrednio lub pośrednio z powodu strat spowodowanych zużyciem i erozją. 1/10 światowej produkcji stali jest tracone z powodu rdzy i innej korozji. Straty spowodowane korozją i zużyciem w gospodarce narodowej są szokujące. Według badań przeprowadzonych w Wielkiej Brytanii, Stanach Zjednoczonych i innych krajach, 2-4% całkowitej wartości produkcji krajowej jest tracone z powodu korozji. W Chinach straty spowodowane korozją wynoszą co najmniej 40 miliardów juanów rocznie. Według badań przeprowadzonych w 400 przedsiębiorstwach przemysłu maszynowego w 27 prowincjach i miastach Chin, roczne straty spowodowane korozją wynoszą 11,6 miliarda juanów. Szacuje się, że roczne straty spowodowane korozją metali na świecie wynoszą około 150 miliardów dolarów amerykańskich, a roczne straty w Chinach wynoszą 150 miliardów juanów. Powlekanie metali jest jednym ze sposobów rozwiązania tego problemu technicznego.

W ostatnich latach wysoka twardość i odporność na korozję diamentu, stosowanego w powłokach kompozytowych, cieszą się coraz większym zainteresowaniem. Jednak ze względu na to, że zwykłe cząstki diamentu mają wielkość mikrometrów lub submikrometrów, co czyni je zbyt grubymi, otrzymana struktura powłoki z trudem spełnia wymagania precyzyjnych instrumentów, powierzchni o wysokiej gładkości, dokładnej obróbki i wyższej odporności na zużycie. Wraz z szybkim rozwojem technologii produkcji nanodiamentów, zwłaszcza pojawieniem się diamentów o wielkości 2-12 nm, zastosowanie nanodiamentów do tworzenia powłok kompozytowych może zrekompensować te niedociągnięcia. Technika galwanizacji pędzlem to nowa technologia modyfikacji powierzchni, która została opracowana na bazie technik galwanicznych w ostatnich latach, i która może rozwiązać problemy z naprawą części mechanicznych, które trudno jest rozwiązać za pomocą innych technik. Laboratorium Badań nad Smarowaniem Ciałem Stałym Chińskiej Akademii Nauk w Lanzhou we współpracy z Wydziałem Materiałoznawstwa Uniwersytetu w Lanzhou przeprowadziło badania właściwości tribologicznych powłok niklowych kompozytowych z nanodiamentami, uzyskanych metodą galwanizacji pędzlem. Wyniki wykazały, że powłoka ta ma doskonałe właściwości zmniejszające tarcie i odporność na zużycie. W zakresie testów, jej właściwości zmniejszające tarcie i odporność na zużycie wzrastały wraz ze wzrostem zawartości czarnego proszku nanodiamentowego.

Obecnie w Chinach produkuje się rocznie ponad 3 miliardy cylindrów, które są stosowane głównie w przemyśle motoryzacyjnym, motocyklowym, AGD, maszynach górniczych, maszynach włókienniczych, przemyśle stoczniowym, precyzyjnych obrabiarkach i instrumentach, przemyśle zbrojeniowym i innych, które pilnie potrzebują modernizacji technologii elektroosadzania kompozytów nanodiamentowych. Ponadto w Chinach istnieje ogromny rynek form, tworzyw sztucznych i szkła do powłok dekoracyjnych. Szacuje się, że jeśli powierzchnia galwaniczna osiągnie 3,0 x 10⁸ m², a grubość powłoki galwanicznej wyniesie 5 μm, to na metr kwadratowy potrzeba 0,2 g nanodiamentów. Wówczas zapotrzebowanie na nanodiamenty do dodatków kompozytowych nanodiamentowo-metalowych osiągnie 6,0 x 10⁵ kg. Elektroosadzanie kompozytowe nanodiamentami ma szerokie perspektywy.

Stosując skuteczne środki ochrony, można zmniejszyć straty spowodowane korozją o co najmniej 15-35% i straty spowodowane zużyciem o około 1/3. Ponadto, ponieważ powłoki powierzchniowe są bardzo cienkie, często wystarczy zastosować bardzo małą ilość materiału do powlekania i modyfikacji powierzchni, aby znacznie poprawić odporność na korozję i zużycie, co ma oczywiste korzyści ekonomiczne w zakresie oszczędności cennych materiałów i obniżenia kosztów produkcji. Na przykład, w przypadku zużytych form, wałów korbowych, prowadnic, tulei cylindrowych, obudów, osi, łożysk, zębów łyżek koparek, wykładzin itp. oraz części pojazdów gąsienicowych, do normalnych prac konserwacyjnych wykorzystuje się technikę galwanizacji pędzlem, co ma ogromne korzyści ekonomiczne.

Po zbadaniu właściwości tribologicznych kompozytowych powłok chromowych z nanodiamentami stwierdzono, że dodanie proszku nanodiamentowego do powłoki kompozytowej może utworzyć jednorodną i gęstą kompozytową powłokę galwaniczną. Dodanie proszku nanodiamentowego może spowodować rozdrobnienie ziaren powłoki, działając wzmacniająco poprzez dyspersję i zwiększając twardość kompozytowej powłoki chromowej. W warunkach smarowania olejem dodanie proszku nanodiamentowego może znacznie poprawić odporność powłoki na zużycie, a najlepszy efekt uzyskuje się przy grubości powłoki 27 μm, gdzie odporność na zużycie jest 12 razy większa niż w przypadku czystej powłoki chromowej.

Technologia powlekania kompozytowego nanodiamentami polega na dodaniu nierozpuszczalnych cząstek stałych nanodiamentów do kąpieli galwanicznej, tworząc jednorodną zawiesinę, co umożliwia współosadzanie cząstek stałych z jonami metali w celu uzyskania kompozytowej powłoki galwanicznej. Zastosowanie technologii zawiesinowej pozwala na równomierne rozproszenie nanocząstek, a uzyskana kompozytowa powłoka nanodiamentowa charakteryzuje się wysoką odpornością na zużycie, niskim współczynnikiem tarcia i innymi doskonałymi właściwościami. Twardość kompozytowej powłoki nanodiamentowej może osiągnąć HV700-1100, a jej odporność na zużycie jest lepsza niż w przypadku Cr15, zwykłych powłok niklowych i kompozytowych powłok z mikrodiamentami. Współczynnik tarcia wynosi zaledwie jedną trzecią współczynnika tarcia zwykłych powłok. Powłoka ma unikalny efekt samosmarujący, a jej żywotność może być 2-5 razy dłuższa. Może być szeroko stosowana do obróbki powierzchni precyzyjnych części odpornych na zużycie w różnych gałęziach przemysłu, zastępując tradycyjne procesy chromowania i niklowania. Efekty zastosowania przedstawiono w tabelach 1-3.

Tabela1 Wyniki testów wierteł z powłoką chromową zawierającą nanodiamenty.

Średnica wiertła / mm	Rodzaj obrabianego metalu	Wzrost wydajności (efekt użytkowania)
0. 8～1. 2	Płyta z tkaniny szklanej laminowanej	2. 7～3. 3
1. 0～2. 0	Płyta z tkaniny szklanej laminowanej	10. 0～20. 0
1. 5～2. 5	Stal	1. 5～1. 7
3. 5～10. 0	Stal	2. 0
6. 0～10. 0	Stal nierdzewna	1. 8～3. 0
7. 2～8. 5	Stal	1. 5～1. 8
10. 0	Stal nierdzewna	1. 9
20. 0	Żeliwo	6. 0～8. 0

 

Tabela 2: Wyniki testów form do tłoczenia z powłoką chromowo-diamentową

W porównaniu z ulepszeniami nawęglania, azotowania, chromowania i narzędziami ze stali specjalnej, względna żywotność.

Tabela 3: Narzędzia do tłoczenia z powłoką chromowo-diamentową (matryca i stempel)

Wyniki testów tłoczenia blach

Proces	Obrabiany materiał	Wzrost wydajności (efekt użytkowania)
Wyciskanie na zimno	Stal, miedź, aluminium	1. 6～1. 82. 0～3. 0
Wykrawanie	Płyta laminowana ze szkła i mosiądz	1. 6～2. 42. 0～4. 0
Formowanie przez rozciąganie	Stal platerowana mosiądzem	2.8 – 3.0 1.4 – 1.8

 

(2) Smar zawierający nanodiamenty

Niezwykłe efekty nanodiamentów w olejach smarowych przewyższyły oczekiwania wielu osób. Nanodiamenty są używane nie tylko do produkcji olejów silnikowych, ale także do produkcji olejów ślimakowych, olejów przekładniowych, olejów hydraulicznych, olejów do pomp próżniowych, olejów do maszyn szybkoobrotowych, olejów do obrabiarek itp. Ostatnie badania pokazują, że dodanie nanodiamentów do olejów smarowych wykazuje następujące zalety:

(1) Poprawa jakości produktu i konkurencyjności; wydłużenie żywotności pojazdów i urządzeń; oszczędność materiałów olejów smarowych.

(2) Zmniejszenie momentu tarcia o 20%-40%.

(3) Zmniejszenie zużycia powierzchni trącej o 30%-40%.

(4) Szybkie docieranie par trących.

Jednostkowe zużycie nanodiamentów: 0,01-0,20 kg dodaje się do 1000 kg oleju smarowego. W 2002 roku zużycie oleju smarowego w Chinach wyniosło około 4,0×10⁶ ton, a wartość sprzedaży sięgnęła dziesiątek miliardów juanów, ze wzrostem 10% rocznie. Wykorzystując właściwości nanodiamentów, opracowano wysokowydajny, specjalny olej docierający do silników spalinowych. Testy laboratoryjne wskaźników fizykochemicznych i testy stanowiskowe silnika na rzeczywistym pojeździe wykazały, że może on znacznie skrócić czas, poprawić jakość docierania, poprawić odporność na zużycie powierzchni parowania silnika i wydłużyć żywotność silnika, realizując organiczne połączenie docierania silnika i modyfikacji powierzchni.

Obecnie powszechnie stosuje się metalowe smary do wstępnego docierania powierzchni trących, nadając powierzchni trącej odporność na zużycie metalowego smaru. Dane eksperymentalne pokazują, że metalowy smar zawierający proszek nanodiamentowy może zmniejszyć zużycie o 1,7-2,0 razy, skrócić czas docierania o 1,5-2,4 razy i zmniejszyć współczynnik tarcia o 1,25-2,0 razy.

(3) Nowe materiały odporne na zużycie zawierające nanodiamenty

W 1992 roku amerykańscy naukowcy, Yashchenko i inni, opracowali nowy materiał odporny na zużycie metodą metalurgii proszków. Materiał ten powstaje poprzez zmieszanie proszków miedziowo-cynkowych i miedziowo-cynowych z proszkiem nanodiamentowym w określonym stosunku, zagęszczenie mieszaniny i spiekanie w atmosferze wodoru. Ten nowy materiał może być używany do produkcji tulei cylindrowych do silników spalinowych i tulei do innych mechanizmów przenoszenia napędu. Może być również stosowany do produkcji łożysk ślizgowych itp. Ze względu na zawartość nanodiamentowego proszku o niskim współczynniku tarcia i wysokiej przewodności cieplnej, nowy materiał charakteryzuje się wysoką odpornością na zarysowania i zużycie.

Metalowe środki naprawcze wykonane z nanodiamentów, jak wykazały testy, mają zwiększoną wytrzymałość na rozciąganie o 71,98%, wytrzymałość na skręcanie o 19,75% i odporność na zużycie o 154,82%.

Zagraniczne raporty wspominają, że nanodiamenty mogą być stosowane w powłokach silikonowych na kadłubach, skrzydłach samolotów i statków, zwiększając odporność powłoki na korozję, zamarzanie, temperaturę i starzenie, poprawiając elastyczność, wytrzymałość na pękanie i rozdzieranie itp., co wydłuża żywotność powłoki powierzchniowej o 1,5-2,0 razy przy wzroście kosztów zaledwie o 1-2%.

Materiały kompozytowe z nanodiamentami

Modyfikacja kauczuku fluorowego i kauczuku butadienowo-nitrylowego przy użyciu produktów syntezy detonacyjnej (czarny i szary proszek nanodiamentowy) przed i po oczyszczeniu. Badania wykazały, że chociaż czarny proszek detonacyjny może zwiększyć twardość kauczuku, to wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie przy zerwaniu ulegają zmniejszeniu. Dodanie szarego proszku nanodiamentowego do kauczuku fluorowego powoduje wzrost kompleksowych wskaźników wydajności kauczuku. Wynika to z faktu, że szary proszek nanodiamentowy zawiera grupy funkcyjne, takie jak grupy hydroksylowe, karboksylowe i metylowe, które zwiększają aktywność wiązania z polimerem, poprawiając w ten sposób wytrzymałość na rozciąganie, twardość, odporność na zużycie i inne wskaźniki wydajności kauczuku.

Badania rosyjskich naukowców wykazały, że dodanie nanodiamentów do cienkich błon gazowych podwaja ich odporność na zużycie. Dodanie nanodiamentów do kauczuku polizoprenowego używanego w oponach zwiększa odporność na zużycie, wydłużenie, spowalnia proces starzenia i poprawia inne właściwości o 1,3-1,7 razy. Odporność na rozdzieranie w wysokich temperaturach ulega znaczącej poprawie, a wytrzymałość opony na rozerwanie wzrasta z 53 MPa do 154 MPa. Wypełnienie kauczuku silikonowego czarnym proszkiem zwiększa wytrzymałość na rozerwanie z 53 MPa do 154 MPa, gdy absolutna długość wzrasta około trzykrotnie. Ogólna wytrzymałość elastyczna wzrasta 3-5 razy, a krytyczny i maksymalny moduł sprężystości odpowiada zawartości czarnego proszku około 0,6% (wagowo). Wypełnienie składu kauczuku fluorowego czarnym proszkiem zwiększa odporność na zużycie ścierne o 1,5-2 razy, co jest podobne do kauczuku polizoprenowego.

Obecnie większość badań koncentruje się na stosowaniu nanodiamentów lub czarnego proszku jako wypełniaczy do wysoce funkcjonalnych produktów gumowych lub plastikowych, i to w warunkach niskiego wypełnienia, gdzie dodatek zwykle wynosi mniej niż 1%. Podczas przetwarzania gumy, zastąpienie 1-3% (procent wagowy) tradycyjnych wypełniaczy węglowych czarnym proszkiem nanodiamentowym o tej samej wadze może wydłużyć żywotność (przebieg) opon samochodowych z gumy izoprenowej niepolarnej o 30%, a żywotność gumowych elementów roboczych, takich jak tuleje, może wzrosnąć o 30-100%. Jednocześnie, ze względu na dodanie nanodiamentów, zmniejsza się porowatość, moc wymagana do mieszania zmniejsza się o 5-7%, a także zmniejsza się powstawanie pęcherzyków, odprysków i przyleganie na powierzchni, co ułatwia wyjmowanie z formy.

 

Efekty modyfikacji tworzyw sztucznych czarnym i szarym proszkiem nanodiamentowym są następujące:

(1) Termooksydacyjna wydajność materiałów kompozytowych niemodyfikowanych czarnym proszkiem w powietrzu uległa poprawie. Materiały kompozytowe HDPE i LLDPE wypełnione 0,5% czarnego proszku mają temperaturę rozkładu termicznego wyższą o 9°C i 5°C w porównaniu z czystą matrycą.

(2) Niewypełnienie polimeru niemodyfikowanym czarnym proszkiem nie powoduje znaczących zmian w wytrzymałości na rozciąganie otrzymanego materiału kompozytowego, ale następuje spadek przy wyższych poziomach wypełnienia. Po wypełnieniu zmodyfikowanym czarnym proszkiem wzrasta wytrzymałość na rozciąganie. Niezależnie od tego, czy używa się niemodyfikowanego, czy zmodyfikowanego czarnego proszku, wytrzymałość udarowa wypełnionego materiału kompozytowego maleje. Właściwości tarcia i zużycia materiału kompozytowego rosną wraz ze wzrostem ilości użytego czarnego proszku. Biorąc to wszystko pod uwagę, uważa się, że optymalna ilość czarnego proszku do wypełnienia HDPE wynosi 0,5%, a dla LLDPE 0,3-0,5%.

(3) W przypadku materiału kompozytowego HDPE wypełnionego 0,05% czarnego proszku, właściwości tarcia i zużycia nie zmieniają się znacząco pod wpływem obciążenia testowego poniżej 2 kg, ale pogarszają się znacząco powyżej 2,5 kg. W przypadku materiału kompozytowego LLDPE wypełnionego 0,5% czarnego proszku, właściwości tarcia i zużycia nie zmieniają się znacząco pod wpływem obciążenia testowego poniżej 10 kg, ale pogarszają się znacząco powyżej 10 kg.

(4) Niemodyfikowany czarny proszek nanodiamentowy lub proszek nanodiamentowy w kolorze wapiennym wykazują dobrą dyspersję i kompatybilność w PP. Dodanie czarnego proszku nanodiamentowego lub proszku nanodiamentowego w kolorze wapiennym zwiększa krystaliczność kryształów formy α PP, ale nie prowadzi do tworzenia innych form krystalicznych. W porównaniu z matrycą, krystaliczność PP z dodatkiem 0,06% czarnego proszku nanodiamentowego lub 0,06% proszku nanodiamentowego w kolorze wapiennym wzrasta odpowiednio o 16,74% i 25,83%. Wytrzymałość na rozciąganie kompozytów na bazie PP wzrasta wraz ze wzrostem zawartości wypełniacza, podczas gdy udarność maleje. Ze względu na podwójne działanie rodników na indukowaną krystalizację obszarów krystalicznych matrycy PP i indukowaną orientację obszarów amorficznych, udarność kompozytów na bazie PP zmienia się wraz ze wzrostem zawartości nanocząstek i osiąga maksimum przy zawartości wypełniacza około 0,06%. Proszek nanodiamentowy w kolorze wapiennym ma lepszy wpływ na poprawę właściwości PP niż czarny proszek nanodiamentowy.

(5) Po dodaniu proszku nanodiamentowego w kolorze wapiennym do kleju epoksydowego, wytrzymałość na pękanie wzrasta 2-2,5 razy.

Masz pytanie? Skontaktuj się z nami!