Наноалмазный черный порошок (смешанный монокристалл и поликристалл)

Наноалмазный черный порошок (смешанный монокристалл и поликристалл)

 

Применение наноалмазов в машиностроении

(1) Композитное покрытие из наноалмазов

Технология нанесения наноалмазного композитного покрытия является одной из ключевых в производстве продукции. Благодаря гальванизации поверхность изделия может быть покрыта защитным покрытием с контролируемым составом и структурой, что позволяет значительно повысить срок службы и надежность изделия. Например, на морских платформах, крупных карьерах, а также на оборудовании для металлургического и нефтехимического производства, которое эксплуатируется в относительно суровых условиях, можно использовать долговременную композитную защиту для предотвращения внутренней ржавчины в течение 5–10 лет эксплуатации. Срок службы режущих инструментов, пресс-форм, насосов, валов и клапанов, широко используемых в машиностроении, может быть увеличен в 3–5 раз после упрочнения поверхности.

Технология нанесения наноалмазного композитного покрытия является эффективным средством достижения высокого качества, высокой эффективности, экономии энергии, экономии материалов, защиты окружающей среды и повышения экономической выгоды. Статистика показывает, что около 1/3 энергии в машиностроении напрямую или косвенно потребляется из-за потерь, вызванных износом и истиранием, а 1/10 часть производимой в мире стали теряется из-за ржавчины и других видов коррозии. Убытки, наносимые национальной экономике коррозией и износом, ошеломляют. По данным исследований, проведенных в Великобритании, США и других странах, из-за коррозии теряется от 2% до 4% от общей стоимости продукции национальной экономики. Убытки, вызванные коррозией в моей стране, составляют не менее 40 миллиардов юаней в год. По данным опросов, около 400 предприятий машиностроительной промышленности в 27 провинциях и городах моей страны ежегодно теряют 11,6 млрд юаней из-за коррозии. Известно, что ежегодные потери от коррозии металлов в мире составляют около 150 миллиардов долларов США, а ежегодные потери в моей стране составляют 150 миллиардов юаней. Гальванопокрытие металлов является одним из способов решения этой технической проблемы.

В последние годы все больше внимания уделяется высокой твердости и коррозионной стойкости алмаза, используемого в композитных покрытиях. Однако, поскольку обычные алмазные частицы имеют микронный или субмикронный размер и являются относительно крупными, полученная структура покрытия не может соответствовать требованиям, предъявляемым к прецизионным приборам, высокоглянцевым поверхностям, тонкой обработке и более высокой износостойкости. Ожидается, что в связи с быстрым развитием технологии производства наноалмазов, особенно появлением алмазов размером от 2 до 12 нм, использование наноалмазов для формирования композитных покрытий восполнит этот недостаток. Технология нанесения покрытия щеткой — это новая технология модификации поверхности, разработанная в последние годы на основе технологии гальванопокрытия. Он может решить некоторые проблемы при ремонте механических деталей, которые трудно решить с помощью других технологий. Открытая исследовательская лаборатория твердой смазки Института химической физики Ланьчжоу Китайской академии наук и кафедра материалов Университета Ланьчжоу объединились для изучения трибологических свойств композитного никелевого щеточного покрытия, содержащего наноалмазы. Результаты показали, что покрытие обладает превосходными показателями снижения трения и износостойкости. В диапазоне испытаний снижение трения и износостойкость улучшаются с увеличением содержания черного наноалмазного порошка.

В настоящее время моя страна производит более 3 миллиардов цилиндров в год, которые в основном используются в автомобилях, мотоциклах, бытовой технике, горнодобывающей технике, текстильном оборудовании, судостроении, прецизионных станках и инструментах, военной промышленности и других отраслях. Существует острая необходимость в модернизации процесса нанесения гальванического покрытия нанокомпозитами. Кроме того, в моей стране огромный рынок декоративного покрытия форм, пластика и стекла. По приблизительным расчетам, если площадь гальванопокрытия составляет 3,0×108 м2, толщина гальванического слоя составляет 5 мкм, а на квадратный метр требуется 0,2 г наноалмазов, то для получения композиционного покрытия наноалмаз-металл потребуется 6,0×105 кг наноалмазов. Гальванопокрытие на основе наноалмазного композита имеет широкие перспективы.

Приняв эффективные защитные меры, можно сократить потери от коррозии как минимум на 15–35%, а потери от износа — примерно на 1/3. Кроме того, поскольку поверхностное покрытие очень тонкое, поверхностное покрытие и модификация с использованием очень небольшого количества материала часто могут значительно улучшить коррозионную стойкость и износостойкость, что имеет очевидные экономические преимущества за счет экономии ценных материалов и снижения производственных затрат. Например, технология щеточного нанесения покрытия используется для выполнения обычных работ по техническому обслуживанию изношенных пресс-форм, коленчатых валов, направляющих, гильз цилиндров, корпусов, валов, гнезд подшипников, зубьев ковшей, гильз и других деталей, а также деталей гусеничной техники, что дает большие экономические выгоды.

После изучения трибологических свойств наноалмазных композитных хромовых покрытий было установлено, что добавление наноалмазного порошка в композитный слой покрытия позволяет сформировать равномерный и плотный композитный гальванический слой. Добавление наноалмазного порошка позволяет измельчить зерна покрытия, сыграть роль в дисперсионном упрочнении и повысить твердость композитного хромового покрытия. В условиях масляной смазки добавление наноалмазного порошка позволяет значительно повысить износостойкость покрытия, причем наилучший эффект достигается при толщине покрытия 27 мкм. Износостойкость в 12 раз выше, чем у чистого хромирования.

Технология нанесения нанокомпозитного покрытия представляет собой технологию осаждения, при которой в раствор для нанесения покрытия добавляются нерастворимые твердые частицы наноалмаза для образования однородной суспензии, что позволяет твердым частицам совместно осаждаться с ионами металлов для получения композитного покрытия. Наночастицы полностью диспергируются с помощью технологии суспензии, а полученное наноалмазное композитное покрытие обладает превосходными свойствами, такими как высокая износостойкость и снижение трения. Твердость наноалмазного композитного покрытия может достигать HV700-1100, а его износостойкость лучше, чем у Cr15, обычного никелевого покрытия и микронного алмазного композитного покрытия. Коэффициент трения составляет всего лишь одну треть от коэффициента трения обычных покрытий. Обладает уникальным эффектом самосмазывания, а срок его износостойкости может быть увеличен в 2-5 раз. Его можно широко использовать при обработке поверхности прецизионных износостойких деталей в различных отраслях промышленности, заменяя оригинальное хромирование, никелирование и другие процессы. Эффекты применения показаны в Таблице 1-Таблице 3.

Таблица 1 Экспериментальные результаты хромированных сверл, содержащих наноалмазы

Диаметр сверла/мм	Обработанный тип металла	Увеличить кратно (использовать эффект)
0. 8～1. 2	Стекловолоконная лента	2. 7～3. 3
1. 0～2. 0	Стекловолоконная лента	10. 0～20. 0
1. 5～2. 5	сталь	1. 5～1. 7
3. 5～10. 0	сталь	2. 0
6. 0～10. 0	Нержавеющая сталь	1. 8～3. 0
7. 2～8. 5	сталь	1. 5～1. 8
10. 0	Нержавеющая сталь	1. 9
20. 0	чугун	6. 0～8. 0

 

Таблица 2 Экспериментальные результаты прессования хром-алмазного покрытия

По сравнению с инструментами, которые азотированы, цементированы, хромированы или изготовлены из специальной стали, относительный срок службы больше.

Таблица 3. Инструменты для штамповки с хромированным алмазным покрытием (матрицы и матрицы)

Экспериментальные результаты по штамповке листового металла

Процесс	Обработанные материалы	Увеличить кратно (использовать эффект)
Холодная экструзи	Сталь, медь, алюминий	1. 6～1. 82. 0～3. 0
Бланкирование	Стеклолента латунь	1. 6～2. 42. 0～4. 0
Формование растяжением	Латунированная сталь	2. 8～3. 0.1 4～1. 8

 

(2) Смазка, содержащая наноалмаз

Чудодейственный эффект наноалмазов в смазочном масле превосходит ожидания многих людей. Его используют не только для производства моторного масла, но и для производства червячного масла, трансмиссионного масла, гидравлического масла, масла для вакуумных насосов, масла для высокоскоростных машин, масла для станков и т. д. Недавние исследования показали, что добавление наноалмазов в смазочные масла имеет следующие преимущества:

⑴ Повышение качества и конкурентоспособности продукции; Увеличить срок службы транспортных средств и оборудования; Экономьте смазочные материалы.

⑵Импульс трения уменьшается на 20–40%.

⑶ Износ фрикционных поверхностей снижается на 30–40%.

⑷ Быстрая приработка пар трения.

Удельный расход наноалмаза: добавить 0,01–0,20 кг на 1000 кг смазочного масла. В 2002 году в моей стране было потреблено около 4,0×106 тонн смазочных масел, а объем продаж составил несколько десятков миллиардов юаней, и годовой темп роста составил 10%. Используя характеристики наноалмазов, мы разработали высокоэффективное специальное обкаточное масло для двигателей внутреннего сгорания. После лабораторных физико-химических испытаний и стендовых испытаний двигателя на реальном транспортном средстве было доказано, что это позволяет значительно сократить время, улучшить качество обкатки, повысить износостойкость сопрягаемых поверхностей двигателя и продлить срок его службы, достигая тем самым органичного сочетания обкатки двигателя и модификации поверхности.

В настоящее время металлические смазки широко используются для предварительной шлифовки поверхностей пар трения с целью придания поверхностям пар трения противоизносных свойств металлических смазок. Экспериментальные данные показывают, что металлические смазки, содержащие наноалмазный порошок, позволяют снизить износ в 1,7–2,0 раза, сократить время приработки в 1,5–2,4 раза, снизить коэффициент трения в 1,25–2,0 раза.

(3) Новые износостойкие материалы, содержащие наноалмазы

В 1992 году Ященко и др. в США использовали порошковую металлургию для производства нового типа износостойкого материала. Этот материал был изготовлен путем смешивания медно-цинковых и медно-оловянных порошков с наноалмазными порошками в определенной пропорции, их прессования, а затем спекания в водороде. Этот новый материал может быть использован для изготовления гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания и втулок других трансмиссионных машин, а также подшипников скольжения. Поскольку новый материал содержит наноалмазный порошок с малым коэффициентом трения и высокой теплопроводностью, он обладает высокой стойкостью к царапинам и износостойкостью.

Экспериментальные результаты показывают, что средство для ремонта металла, изготовленное из наноалмаза, увеличило прочность на растяжение на 71,98%, прочность на кручение на 19,75% и износостойкость на 154,82%.

В зарубежных отчетах упоминается, что наноалмазы могут использоваться в кремнийорганических покрытиях на фюзеляжах, крыльях и поверхностях корпусов самолетов и кораблей. Они позволяют повысить антикоррозионные, антифризные, термостойкие свойства покрытия, его стойкость к старению, улучшить эластичность, прочность на излом и разрыв и т. д., а также увеличить срок службы поверхностного покрытия в 1,5–2,0 раза, при этом его стоимость увеличивается всего на 1–2%.

Композитные материалы на основе наноалмазов

Продукты детонационного синтеза (черный и серый порошок наноалмазов) до и после очистки использовались для модификации фторкаучука и нитрильного каучука. Исследования показали, что хотя детонационный черный порох может повысить твердость резины, ее прочность на растяжение и удлинение при разрыве уменьшатся. При добавлении в фторкаучук наноалмазного известкового порошка улучшаются комплексные эксплуатационные показатели резины. Это объясняется тем, что в состав наноалмазного известкового порошка входят такие функциональные группы, как легкие, карбоксильные и метильные группы, которые усиливают активность связывания с полимерами, тем самым улучшая прочностные характеристики, твердость, износостойкость и другие эксплуатационные показатели резины.

Исследования российских ученых показывают, что после добавления наноалмазов в пленку фтора износостойкость увеличивается в 1 раз. После добавления наноалмазов в полиизопреновый каучук, используемый в шинах, износостойкость, удлинение, замедление процесса старения и другие свойства улучшаются в 1,3-1,7 раза, значительно повышается сопротивление разрыву при высоких температурах, а прочность шин на разрыв увеличивается с 53 МПа до 154 МПа. Наполнение силиконовой резины черным порошком позволяет увеличить прочность на разрыв с 53 МПа до 154 МПа при увеличении абсолютной длины примерно в три раза, а комплексная упругая прочность увеличивается в 3–5 раз. Критический и максимальный модуль упругости соответствует содержанию черного пороха около 0,6% (по массе). Наполнение фторкаучукового компонента черным порохом позволяет повысить стойкость к истиранию в 1,5–2 раза, что сопоставимо с показателями полиизопренового каучука.

В настоящее время большинство исследований сосредоточено на использовании наноалмазов или черного порошка в качестве наполнителей для придания резиновым или пластиковым изделиям высокой функциональности, и все они являются низконаполняющими, причем количество добавляемого материала обычно составляет менее 1%. В процессе переработки резины использование наноалмазного черного порошка для замены 1~3% (по весу) традиционных углеродных наполнителей тем же весом может продлить срок службы (пробег) автомобильных шин из неполярного изопренового каучука на 30%, а срок службы резиновых изделий, таких как втулки, может быть увеличен на 30~100%. В то же время, поскольку добавление наноалмазов снижает пористость, мощность, необходимая для смешивания, снижается на 5–7%, и это может уменьшить образование пузырьков, мусора и адгезию на поверхности, что облегчает извлечение из формы.

 

Эффекты модифицированных пластиков с использованием наноалмазного черного порошка и наноалмазного известкового порошка следующие:

(1) Улучшились показатели термоокислительной способности композитного материала на воздухе после воздействия немодифицированного черного пороха. Температура термического разложения композитных материалов HDPE и LLDPE, наполненных 0,5% черного пороха, была на 9°C и 5°C выше, чем у чистой матрицы соответственно.

(2) При заполнении полимера немодифицированным черным порохом прочность на разрыв полученного композиционного материала существенно не меняется, но снижается при большем количестве наполнения. После заполнения модифицированным черным порохом прочность на разрыв повышается. Независимо от того, является ли черный порох немодифицированным или модифицированным, ударная вязкость наполненного композитного материала снижается. Свойства трения и износа композитных материалов улучшаются с увеличением дозировки черного пороха. После всестороннего рассмотрения было установлено, что оптимальное количество наполнителя черного пороха для HDPE составляет 0,5%, а оптимальный диапазон количества наполнителя для LLDPE составляет 0,3%-0,5%.

(3) Для композитного материала HDPE, наполненного 0,05% черного пороха, когда испытательная нагрузка составляет менее 2 кг, характеристики трения и износа не сильно зависят от нагрузки, но когда она превышает 2 кг, характеристики трения и износа значительно ухудшаются; Для композитного материала ПЭНП, наполненного 0,5% черного пороха, при испытательной нагрузке менее 10 кг характеристики трения и износа не сильно зависят от нагрузки, но когда она превышает 10 кг, характеристики трения и износа значительно ухудшаются.

(4) Немодифицированный наноалмазный черный порошок или наноалмазный известковый порошок обладает хорошей диспергируемостью и совместимостью в полипропилене. Добавление наноалмазного черного порошка или наноалмазного известкового порошка увеличило кристалличность кристалла ПП в a-состоянии, но не привело к образованию других кристаллических форм. По сравнению с матрицей кристалличность ПП с добавлением 0,06% наноалмазного черного порошка или 0,06% наноалмазного известкового порошка увеличилась на 16,74% и 25,83% соответственно. Прочность на разрыв композитов на основе ПП увеличивается с увеличением содержания наполнителя, а ударная вязкость снижается. В связи с двойным воздействием свободных радикалов, вызывающим кристаллизацию кристаллической области матрицы ПП и ориентацию аморфной области, ударная вязкость композитного материала на основе ПП колеблется с увеличением содержания наночастиц и достигает максимального значения при степени наполнения около 0,06%. Наноалмазный известковый порошок оказывает лучшее влияние на улучшение свойств полипропилена, чем наноалмазный черный порошок.

(5) После добавления наноалмазного известкового порошка в эпоксидный клей прочность на разрыв увеличивается в 2–2,5 раза.

Есть вопросы? Связаться с нами