О механизме уменьшения трения наноразмерных многослойных покрытий
Рассмотрены возможные сценарии поведения фуллереноподобных наночастиц в матрице многослойного покрытия. Показано, что в зависимости от внешних условий и от соотношения характеристик матрицы и самой частицы может реализоваться скольжение частиц относительно индентора, проскальзывание на месте в твёрд...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Металлофизика и новейшие технологии |
|---|---|
| Datum: | 2013 |
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2013
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/104166 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | О механизме уменьшения трения наноразмерных многослойных покрытий / С.Н. Григорьев, А.М. Мандель, В.Б. Ошурко, Г.И. Соломахо, С.Г. Веселко // Металлофизика и новейшие технологии. — 2013. — Т. 35, № 7. — С. 933-942. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859673872388849664 |
|---|---|
| author | Григорьев, С.Н. Мандель, А.М. Ошурко, В.Б. Соломахо, Г.И. Веселко, С.Г. |
| author_facet | Григорьев, С.Н. Мандель, А.М. Ошурко, В.Б. Соломахо, Г.И. Веселко, С.Г. |
| citation_txt | О механизме уменьшения трения наноразмерных многослойных покрытий / С.Н. Григорьев, А.М. Мандель, В.Б. Ошурко, Г.И. Соломахо, С.Г. Веселко // Металлофизика и новейшие технологии. — 2013. — Т. 35, № 7. — С. 933-942. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Металлофизика и новейшие технологии |
| description | Рассмотрены возможные сценарии поведения фуллереноподобных наночастиц в матрице многослойного покрытия. Показано, что в зависимости от внешних условий и от соотношения характеристик матрицы и самой частицы может реализоваться скольжение частиц относительно индентора, проскальзывание на месте в твёрдой смазке и качение. В частности, при достаточно больших нагрузках и скоростях индентора фуллереноподобные частицы могут играть роль микроскопических подшипников, что значительно улучшает трибологические характеристики поверхностей. Анализируются механические и термодинамические условия устойчивости такого движения. Получены оценки для оптимальной поверхностной плотности и размеров наночастиц.
Розглянуто можливі сценарії поведінки фуллереноподібних наночастинок у матриці багатошарового покриття. Показано, що залежно від зовнішніх умов і від співвідношення характеристик матриці та самої частинки може реалізуватися ковзання частинок відносно індентора, проковзування на місці у твердому мастилі та кочення. Зокрема, при досить великих навантаженнях і швидкостях індентора фуллереноподібні частинки можуть відігравати роль мікроскопічних підшипників, що значно поліпшує трибологічні характеристики поверхонь. Аналізуються механічні та термодинамічні умови стабільности такого руху. Одержано оцінки для оптимальної поверхневої густини та розмірів наночастинок.
The possible scenarios of the behaviour of fullerene-like nanoparticles in the multilayer coating matrix are considered. As shown, depending on external conditions and on the relationship of the matrix and particle characteristics, the sliding of particles relative to the indenter, slip in a solid lubricant, and rolling can be realized. In particular, at sufficiently high loads and speeds of the indenter, fullerene-like particles can behave as microscopic bearings, which greatly improve the tribological properties of surfaces. The mechanical and thermodynamical conditions of such motion stability are analysed. Estimates for the optimal surface density and size of nanoparticles are obtained.
|
| first_indexed | 2025-11-30T14:37:59Z |
| format | Article |
| fulltext |
933
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОВЕРХНОСТИ И ПЛЁНКИ
PACS numbers: 46.55.+d, 62.20.Qp, 62.23.Pq, 62.25.-g, 65.80.-g, 81.40.Pq
О механизме уменьшения трения наноразмерных
многослойных покрытий
С. Н. Григорьев, А. М. Мандель, В. Б. Ошурко, Г. И. Соломахо,
С. Г. Веселко
ФГБОУ ВПО “Московский государственный
технологический университет «СТАНКИН»”,
пер. Вадковский, 3a,
127055 Москва, Россия
Рассмотрены возможные сценарии поведения фуллереноподобных нано-
частиц в матрице многослойного покрытия. Показано, что в зависимости
от внешних условий и от соотношения характеристик матрицы и самой
частицы может реализоваться скольжение частиц относительно инденто-
ра, проскальзывание на месте в твёрдой смазке и качение. В частности,
при достаточно больших нагрузках и скоростях индентора фуллеренопо-
добные частицы могут играть роль микроскопических подшипников, что
значительно улучшает трибологические характеристики поверхностей.
Анализируются механические и термодинамические условия устойчиво-
сти такого движения. Получены оценки для оптимальной поверхностной
плотности и размеров наночастиц.
Розглянуто можливі сценарії поведінки фуллереноподібних наночасти-
нок у матриці багатошарового покриття. Показано, що залежно від зов-
нішніх умов і від співвідношення характеристик матриці та самої части-
нки може реалізуватися ковзання частинок відносно індентора, проков-
зування на місці у твердому мастилі та кочення. Зокрема, при досить ве-
ликих навантаженнях і швидкостях індентора фуллереноподібні частин-
ки можуть відігравати роль мікроскопічних підшипників, що значно по-
ліпшує трибологічні характеристики поверхонь. Аналізуються механічні
та термодинамічні умови стабільности такого руху. Одержано оцінки для
оптимальної поверхневої густини та розмірів наночастинок.
The possible scenarios of the behaviour of fullerene-like nanoparticles in the
multilayer coating matrix are considered. As shown, depending on external
conditions and on the relationship of the matrix and particle characteristics,
the sliding of particles relative to the indenter, slip in a solid lubricant, and
rolling can be realized. In particular, at sufficiently high loads and speeds of
the indenter, fullerene-like particles can behave as microscopic bearings,
Металлофиз. новейшие технол. / Metallofiz. Noveishie Tekhnol.
2013, т. 35, № 7, сс. 933—942
Оттиски доступны непосредственно от издателя
Фотокопирование разрешено только
в соответствии с лицензией
© 2013 ИМФ (Институт металлофизики
им. Г. В. Курдюмова НАН Украины)
Напечатано в Украине.
934 С. Н. ГРИГОРЬЕВ, А. М. МАНДЕЛЬ, В. Б. ОШУРКО и др.
which greatly improve the tribological properties of surfaces. The mechani-
cal and thermodynamical conditions of such motion stability are analysed.
Estimates for the optimal surface density and size of nanoparticles are ob-
tained.
Ключевые слова: аномально низкое трение, микроподшипники, фулле-
реноподобные наночастицы, архитектура нанопокрытия, многослойные
покрытия.
(Получено 14 февраля 2013 г.)
1. ВВЕДЕНИЕ
В целом ряде относительно недавних работ обсуждается эффект
ощутимого улучшения трибологических свойств смазочных мате-
риалов за счет имплантирования в них фуллереноподобных наноча-
стиц типа дихалькогенидов вольфрама или молибдена МХ2 (М –
металл, W или Мо, Х – халькоген, S либо Se). Общей особенностью
этих частиц является близкая к сферической форма и относительно
высокие упругость и твердость. Все цитируемые авторы отмечают
нетривиальность, сложность и нелинейность описываемого влия-
ния. В работе [1], например, изучалось влияние внедренных нано-
частиц на трибологию полимерных матриц. Отмечается, что при
вариациях объемного содержания, формы и размеров таких нано-
частиц трибологические характеристики поверхностей с традици-
онными добавками, понижающими трение, могут как улучшаться,
так и ухудшаться. При этом уменьшение коэффициента трения да-
леко не всегда приводит, как можно было ожидать, к повышению
износостойкости. В этой же работе отмечается возможность чрез-
вычайно любопытного эффекта – такие наночастицы могут дей-
ствовать как микроскопические роликовые подшипники (three
body roller bearing). Разумеется, реализация такой возможности
дала бы совершенно новый и во многом неожиданный механизм
трения.
Авторы работ [2, 3] изучали влияние добавок наночастиц чистых
дихалькогенидов в традиционные виды машинных масел. Обнару-
жено, что даже небольшие добавки приводят к значительному, до
50%, уменьшению коэффициента трения. И снова отмечается, что
механизм такого влияния во многом непонятен. Подтверждается
вывод работы [1] – эффективность такой добавки критически и не-
линейно зависит от размеров наночастиц. Рассматривается, анало-
гично [1], и возможность работы наночастиц в качестве наномас-
штабных шарикоподшипников, что должно уменьшать трение
между контактирующими поверхностями. Этому способствует их
форма и химическая инертность. Легко видеть, что такой режим
движения более вероятен в условиях высоких нагрузок и скоростей
О МЕХАНИЗМЕ УМЕНЬШЕНИЯ ТРЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ПОКРЫТИЙ 935
скольжения. Эксперименты по измерению зависимости коэффици-
ента трения от скорости в чистом масле и масле с присадками ди-
халькогенидов переходных металлов показывают, что эти зависи-
мости имеют отчетливый минимум в районе перехода от граничного
к гидродинамическому режиму на кривой Штрибека.
В работах [4, 5] похожие проблемы рассматривались для твердо-
смазочных материалов типа дихалькогенидов переходных метал-
лов и композитных покрытий, содержащих еще и твердый алмазо-
подобный углерод. В данном случае роль микроподшипников могли
играть сферические частицы чистого металла (никеля), окружен-
ные оболочной дихалькогенида переходного металла. Установлена
нетривиальная зависимость коэффициента трения и износостойко-
сти от толщины слоев в многослойных и композитных нанопокры-
тиях [5, 12—16]. Например, уменьшение толщины слоев от 8 нм до
3 нм заметно улучшает трибологические характеристики системы.
В различных аспектах близкие по постановке задачи теоретически
и экспериментально исследовались недавно в работах [12—17].
Целью настоящей работы является качественный анализ режи-
мов (сценариев) поведения наночастиц в интерфейсе трения, прове-
дение оценок и выяснение принципиальных отличий характери-
стик режимов «скольжения» и «качения», которые можно исполь-
зовать для анализа экспериментов.
2. РЕЖИМ СКОЛЬЖЕНИЯ
Геометрия типичной фуллереноподобной частицы на поверхности
подложки такова: вверху частица контактирует со слайдером, а сни-
зу погружена в твердосмазочный материал (см. рисунок). Силы,
сцепляющие частицу с подложкой, – силы Ван-дер-Ваальса, обычно
малые по сравнению с молекулярно-химическими [3]. Рассмотрим
различные трибологические сценарии для такой частицы. Огово-
римся сразу, что упругие свойства наночастиц и влияние порождае-
мых ими вертикальных колебаний на предлагаемые трибологиче-
ские сценарии в данной работе не рассматриваются, т.е. частица
предполагается твердой по сравнению с твердосмазочным слоем. Как
правило, это хорошо соответствует экспериментальной ситуации.
Режим скольжения наблюдается при минимальных нагрузке на
зерно и скорости слайдера – скольжение сверху, покой снизу. В
этом случае сила трения недостаточно велика, чтобы «зацепить»
частицу. Сила трения здесь, согласно модели Боудена—Тейбора, –
∼ τ
в в в
,
r
F A (1)
где τв – касательное сдвиговое напряжение на верхней поверхно-
сти, Arв – площадь реального контакта сверху. Традиционно счита-
936 С. Н. ГРИГОРЬЕВ, А. М. МАНДЕЛЬ, В. Б. ОШУРКО и др.
ем (как, например, [18]), что при контакте абсолютно твердого ин-
дентора с менее жесткой подложкой зависимость от нагрузки пере-
дается через число контактных пятен, т.е. площади единичных пя-
тен, как и их характеристики, от нагрузки практически не зависят,
а само число пятен (в нашем случае n) пропорционально нагрузке
N. Тогда нагрузка на одно пятно N/n в этом приближении постоян-
на, а рост нагрузки означает просто рост числа наночастиц, вовле-
ченных в контакт.
Чтобы передать в этом приближении зависимость трения от ско-
рости υ , примем, что ей пропорционально сдвиговое напряжение
τв. Тогда условие неподвижности зерна –
−τ υ ≤ τ π ω
в в нВ В
( ) / 2
r
A п r , (2)
где вr
A – площадь контактного пятна внизу, r – его радиус, ω –
глубина погружения зерна в твердую подложку, τнВ—В – предельное
сдвиговое напряжение касательных сил связи зерна и подложки.
Очевидно, в жидком масле [3] трение покоя мало (в идеальной жид-
кости его вообще нет), а в твердой смазке оно может иметь ощути-
мое значение. Собственно, именно этим в первую очередь твердая
смазка отличается от жидкой («держит форму»). Фактически по-
следнее условие – это ограничение на скорость скольжения.
В этих условиях сверху вниз через каждое зерно идет тепловой
поток. Считая геометрию потока плоской, т.е. заменяя сферу ци-
линдром соответствующего объема, получаем для плотности этого
потока:
Рис. Крупное зерно МХ2, погруженное в твердосмазочный материал.
О МЕХАНИЗМЕ УМЕНЬШЕНИЯ ТРЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ПОКРЫТИЙ 937
∼ τ υ υ π 2
в в
( ) /( ).
r
j A п r (3)
Поскольку теплопроводность металла значительно превышает
теплопроводность твердосмазочного материала подложки, можно
считать, что практически весь тепловой поток идет по зерну. По по-
рядку величины он связан с перепадом температур как j ∼ λΔT, где λ
– теплопроводность металла. Отсюда видно, что температура
нагрева будет пропорциональна скорости и обратно пропорцио-
нальна площади зерна.
Коэффициент трения в такой картине совпадает, очевидно, с
обычным коэффициентом трения скольжения μ ∼ τвSвn/N, где Sв –
площадь контактного пятна на границе зерна с индентором.
3. РЕЖИМ СКОЛЬЖЕНИЕ—КАЧЕНИЕ
Переход к такому режиму наблюдается при возрастании нагрузки и
скорости, когда реализуется качение сверху и вязкое скольжение
снизу. Пусть скорость индентора несколько выросла, так что усло-
вие неподвижности «микроподшипника» нарушилось. Еще раз от-
метим – в жидкой смазке такой режим наступает практически сра-
зу. Тогда сверху возникнет трение качения, а снизу – проскальзы-
вание на месте в твердой смазке.
Почему не сразу качение? Дело в том, что сила вязкого трения
пропорциональна скорости и, следовательно, не очень велика при
малых скоростях. «Микроподшипнику» энергетически выгоднее
проскальзывать в окружении твердой смазки, чем «проминать» ее
при поступательном движении. Сверху теперь имеет место сила
трения качения, меньшая силы трения скольжения по порядку ве-
личины в ω 1 2
в
( / )R раз (ωв – деформация верхней части зерна).
Очевидно, она гораздо меньше основной силы сопротивления –
силы вязкого трения нижней части зерна, контактирующей с под-
ложкой:
∼ πηυ ω2
н
/ ,F r (4)
где η – вязкость твердосмазочного материала, которая, разумеет-
ся, значительно превышает вязкость жидкой смазки. Эта сила, как
и следовало ожидать, пропорциональна скорости проскальзыва-
ния, приблизительно совпадающей со скоростью ползуна. Условие
проскальзывания зерна – превышение силы упругости слоя, кон-
тактирующего с зерном в сечении, нормальном сдвигу, над силой
касательного напряжения:
г н
2 2 ( )2N r rω π < πτ υ ω , (5)
938 С. Н. ГРИГОРЬЕВ, А. М. МАНДЕЛЬ, В. Б. ОШУРКО и др.
где Nг – горизонтальное механическое напряжение на контакте
зерна с подложкой.
Теперь тепло генерируется, очевидно, на границе дихалькогено-
вой сферической оболочки металлического зерна и графитовой под-
ложки. Отметим, что нельзя исключать и вращение металлической
сферы внутри дихалькогеновой оболочки, но это менее вероятно.
Заметим, что, согласно [2, 3], в качестве «микроподшипника» рабо-
тает чистое зерно дихалькогена или полое фуллереноподобное зер-
но. Как и ранее, считаем, что весь генерируемый тепловой поток
идет через зерно, но теперь вверх. Плотность этого потока через се-
чение зерна
πηυ ηυ∼ = ∼ λΔ
ωωπ
2 2 2
2
,
r
j T
r
(6)
аналогично предыдущему разделу. Теперь максимальный нагрев
зерна будет уже в нижней точке.
Коэффициент трения в этом сценарии, очевидно, составит
μ ∼ πηυ ω2/( )nr N . Как уже упоминалось в предыдущем разделе, в
нашем случае характеристики отдельных пятен контакта (у нас –
ω) и нагрузка на одно пятно (N/n) относительно стабильны, так что
коэффициент трения пропорционален скорости индентора υ. Отме-
тим также, что в этом сценарии предполагается, что вращающиеся
микроподшипники достаточно разрежены и не влияют друг на дру-
га. В свою очередь, это дает ограничение на величину нагрузки. Яс-
но, что с ростом ее число задействованных во вращении микропод-
шипников растет. Кроме того, с ростом скорости индентора растет
касательное напряжение на подложку, что ведет к нарушению
условия неподвижности зерна относительно подложки. Это обу-
словливает переход к третьему сценарию движения микроподшип-
ников.
4. РЕЖИМ КАЧЕНИЯ («ПОДШИПНИКА»)
Еще большие нагрузка и (или) скорость могут приводить к свобод-
ному качению сверху и качению «с продавливанием» снизу. С ро-
стом густоты микроподшипников растет их влияние друг на друга.
В самом деле, слой твердосмазочного материала, граничащий с со-
седними подшипниками, испытывает значительные касательные
напряжения из-за вращения соседних стенок зерен в разные сторо-
ны. Сила вязкого трения тоже растет с увеличением скорости, что
повышает энерговыделение и создает дополнительные тепловые
нагрузки на подложку. Все это способствует приведению зерен в
движение относительно подложки. В этом сценарии зерна уже в
полной мере соответствуют роли подшипников, движущихся меж-
ду двумя поверхностями. Теперь основной механизм потерь энер-
О МЕХАНИЗМЕ УМЕНЬШЕНИЯ ТРЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ПОКРЫТИЙ 939
гии – работа по деформации (промятию) подложки, совершаемая
силами нормальной нагрузки.
Величина такой деформации или «промятия», аналогичного тра-
диционному «пропахиванию» (ploughing) в теории Боудена—Тейбо-
ра, для абсолютно жесткой частицы в поверхность с модулем Юнга
Е и коэффициентом Пуассона m составляет
3
2
2
2
2
1
16
9
~
n
N
E
m
R
−ω , (7)
где R – радиус внедрившейся в подложку частицы. Соответственно
площадь контактного пятна в таком сценарии
−∼ π ω ∼ π
2
2 2
3
2
9 1
2 2 .
16
m N
S r r
R E n
(8)
Коэффициент трения скольжения теперь оценивается как
τ −μ ∼ ∼ π τ
2
2
0 3
0
9 1
2 ,
16
S
m n
R
p R E N
(9)
где τ0 – сдвиговое напряжение в контртеле, рS – давление в зоне
контакта. Для перехода к трению качения он должен быть достаточ-
но высок, чтобы создать достаточный вращающий момент. Следует
отметить, данное выражение полностью совпадает с выражением для
коэффициента трения в адгезионной модели из работы [19], хотя для
получения его использовались гораздо более простые соображения,
чем в цитируемой работе. Как следует из этой работы, справедли-
вость (9), по крайней мере, в отношении зависимостей μ от N и R под-
тверждается во многих экспериментах по нанотрибологии.
Ввиду того, что данный сценарий наиболее интересен, именно в
его рамках выполнено большинство численных расчетов. Рассчи-
тывались, в частности, значения коэффициента трения скольжения
в зависимости от размера наночастиц в диапазоне от 1 нм до 1000 нм
при различном количестве частиц n = 1, 5, 10 на одну зону контак-
та. Последняя величина в эксперименте легко определяется путем
профилометрии и построения, например, кривой Эббота и профиля
поверхности. При расчете использовались характерные величины
нагрузок ∼ 0,01 Н/мкм2
и традиционные величины площади кон-
такта в стали при малой шероховатости ∼ 5—10 мкм
2. Установлено,
что наименьший коэффициент трения должны обеспечивать части-
цы наименьшего размера – порядка 1—5 нм. При этом увеличение
числа частиц на площади контакта от 1 до 10 приводит к увеличе-
нию трения более чем вдвое. Очевидно, это происходит вследствие
940 С. Н. ГРИГОРЬЕВ, А. М. МАНДЕЛЬ, В. Б. ОШУРКО и др.
увеличения эффективной площади контакта в использованной ад-
гезионной модели трения. При этом, естественно, отбрасывались
все частицы, погружающиеся на величину, большую собственного
размера, так как они уже практически не будут участвовать в про-
цессе трения.
Расчеты показали, что для случая одной частицы в зоне контакта
ее размер должен быть более 500 нм, чтобы избежать погружения.
Такой размер частицы обеспечивает коэффициент трения только
∼ 0,02, что близко к коэффициенту трения чистого диселенида мо-
либдена. Таким образом, для получения эффекта снижения трения
концентрация наночастиц должна быть все-таки большей. При ис-
пользовании уже пяти частиц на зону контакта размер еще «дей-
ствующей» (не погружающейся) частицы уменьшается примерно
до 50—100 нм. Этот размер обеспечивает меньший коэффициент
трения (∼ 0,01). Дальнейшее увеличение числа частиц в зоне кон-
такта уже не приводит к существенному улучшению картины. Та-
ким образом, приведенные выше формулы дают возможность оце-
нить приемлемый диапазон размеров сферических наночастиц для
системы молибден/диселенид молибдена как 50—300 нм и число ча-
стиц на поверхности как 0,5—2 частиц/мкм2.
При переходе к трению качения коэффициент трения падает
пропорционально величине [19]
μ ∼ ω/ 2 / ,k R (10)
где k – коэффициент трения качения. Заметим, что использование
только твердых наночастиц в качестве смазки в расчете на меха-
низм трения качения практически нецелесообразно: в этом случае
за счет статистического характера осаждения всегда могут остаться
значительные площади непосредственного контакта двух поверх-
ностей с высоким коэффициентом трения. Тем самым весь эффект
от перехода к трению качения пропадет. Гораздо целесообразнее
использовать комбинацию твердых наночастиц и твердосмазочного
покрытия типа диселенида молибдена. Тогда слой диселенида мо-
либдена должен по возможности иметь толщину, близкую к глу-
бине погружения наночастиц. В этом случае коэффициент трения
будет достаточно высок для перехода к трению качения, а стати-
стически свободные от наночастиц участки контактов будут иметь
твердосмазочное покрытие. Расчеты показывают, что коэффициент
трения качения уменьшается почти на два порядка. При этом он
∼1/R, в отличие от коэффициента трения скольжения ∼ R, что мож-
но использовать при анализе механизмов трения с участием нано-
частиц в реальных экспериментах.
Термодинамические условия устойчивости зерен определяются
тем, что основной приток тепла к зерну идет за счет работы дефор-
мации поверхности, по порядку равной Q ∼ ωN/n. Поэтому макси-
О МЕХАНИЗМЕ УМЕНЬШЕНИЯ ТРЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ПОКРЫТИЙ 941
мальную температуру нагрева зерна (сохраняя предположение
предыдущих разделов о том, что весь поток тепла концентрируется
в зерне) можно очень грубо оценить сверху как
ωΔ ∼
ρπ 3
p
3
,
4
N
T
nC R
(11)
где Ср и ρ – соответственно удельная теплоемкость и плотность мо-
либдена. С учетом температуры его плавления (2980°C) расчеты
дают, что при одной частице на контакт зёрна размером ≤ 170 нм
будут с высокой вероятностью расплавлены. Для 5 частиц на кон-
такт этот размер падает до 70 нм.
5. ВЫВОДЫ
Проведенный анализ поведения фуллереноподобных частиц в мат-
рице твердосмазочного материала позволяет сформулировать сле-
дующие предварительные выводы.
1. Возможны различные трибологические сценарии поведения
твердых сферических наночастиц в окружении твердосмазочного
материала.
2. Частицы традиционных для нанотехнологии размеров 1—50 нм
малопригодны для управления трением, поскольку высока вероят-
ность их перегрева и расплавления. Оптимальным является ис-
пользование частиц с размерами 50—500 нм.
3. Оптимальная поверхностная концентрация наночастиц с учетом
различных сценариев их поведения составляет 5—10 наночастиц на
среднюю площадь одного контакта.
4. Зависимости коэффициента трения от размера наночастиц для
механизмов трения скольжения и качения противоположны: ко-
эффициент трения скольжения растет с ростом размера частицы,
трения качения – падает. Это можно использовать в эксперимен-
тах для анализа механизмов трения.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Qihua Wang and Xianqiang Pei, The Influence of Nanoparticle Fillers on the
Friction and Wear Behaviour of Polymer Matrices (Berlin: Springer-Verlag:
2008).
2. V. Perfiliev, A. Moshkovith, A. Verdyan, R. Tenne, and L. Rapoport, Tribology
Lett., 21, Iss. 2: 89 (2006).
3. R. Greenberg, G. Halperin, I. Etsion, and R. Tenne, Tribology Lett., 17, Iss. 2:
179 (2004).
4. В. Н. Неволин, В. Ю. Фоминский, А. Г. Гнедовец, Р. И. Романов, Физика и
химия обработки материалов, № 4: 39 (2009).
942 С. Н. ГРИГОРЬЕВ, А. М. МАНДЕЛЬ, В. Б. ОШУРКО и др.
5. S. Grigoriev, A. Mandel, V. Oshurko, and G. Solomakho, Tech. Phys. Lett., 37,
No. 12: 1176 (2011).
6. S. N. Grigoriev, V. Y. Fominskii, R. I. Romanov, and V. N. Nevolin, Inorg. Ma-
ter.: Appl. Res., 3, Iss. 5: 347 (2012).
7. V. Y. Fominski, S. N. Grigoriev, R. I. Romanov et al., Semiconductors, 46,
Iss. 3: 401 (2012).
8. S. N. Grigoriev, V. Yu. Fominski, A. G. Gnedovets et al., Appl. Surf. Sci., 258,
Iss. 18: 7000 (2012).
9. V. Yu. Fominski, S. N. Grigoriev, J. P. Celis et al., Thin Solid Films, 520,
Iss. 21: 6476 (2012).
10. V. Yu. Fominski, S. N. Grigoriev, A. G. Gnedovets et al., Tech. Phys. Lett., 38,
Iss. 7: 683 (2012).
11. S. N. Grigoriev, V. Yu. Fominskii, and A. V. Gusarov, Met. Sci. Heat Treat-
ment, 54, Iss. 1—2: 34 (2012).
12. А. A. Колоколов, А. М. Мандель, В. Б. Ошурко, Г. И. Соломахо, Вестник
МГТУ «Станкин», № 4: 58 (2011).
13. С. Н. Григорьев, С. М. Кулиш, Е. А. Зотов, Г. И. Соломахо, В. Б. Ошурко,
Естественные и технические науки, № 6: 337 (2011).
14. О. В. Лановой, А. И. Лоскутов, А. М. Мандель, В. Б. Ошурко, Г. И. Солома-
хо, В. Ю. Фоминский, А. В. Фалин, Нанотехника, № 2: 59 (2012).
15. С. Н. Григорьев, А. И. Лоскутов, В. Б. Ошурко, Н. В. Кошелева, А. В. Фа-
лин, Нанотехника, № 1: 12 (2012).
16. С. Н. Григорьев, А. И. Лоскутов, А. М. Мандель, В. Б. Ошурко, Г. И. Соло-
махо, В. Ю. Фоминский, Физическая мезомеханика, № 6: 73 (2012).
17. А. М. Мандель, Материалы II международной конференции «Моделирова-
ние нелинейных процессов и систем» (6—10 июня 2011 г.) (Москва:
СТАНКИН: 2011), с. 85.
18. Основы трибологии (трение, износ, смазка). Учебник для технических
ВУЗов (Ред. А. В. Чичинадзе) (Москва: Машиностроение: 2001), с. 80.
19. A. C. Fisher-Cripps, Nanoindentation (New York: Springer-Verlag: 2004).
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-104166 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1024-1809 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-30T14:37:59Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Григорьев, С.Н. Мандель, А.М. Ошурко, В.Б. Соломахо, Г.И. Веселко, С.Г. 2016-07-02T18:00:48Z 2016-07-02T18:00:48Z 2013 О механизме уменьшения трения наноразмерных многослойных покрытий / С.Н. Григорьев, А.М. Мандель, В.Б. Ошурко, Г.И. Соломахо, С.Г. Веселко // Металлофизика и новейшие технологии. — 2013. — Т. 35, № 7. — С. 933-942. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 1024-1809 PACS numbers: 46.55.+d, 62.20.Qp, 62.23.Pq, 62.25.-g, 65.80.-g, 81.40.Pq https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/104166 Рассмотрены возможные сценарии поведения фуллереноподобных наночастиц в матрице многослойного покрытия. Показано, что в зависимости от внешних условий и от соотношения характеристик матрицы и самой частицы может реализоваться скольжение частиц относительно индентора, проскальзывание на месте в твёрдой смазке и качение. В частности, при достаточно больших нагрузках и скоростях индентора фуллереноподобные частицы могут играть роль микроскопических подшипников, что значительно улучшает трибологические характеристики поверхностей. Анализируются механические и термодинамические условия устойчивости такого движения. Получены оценки для оптимальной поверхностной плотности и размеров наночастиц. Розглянуто можливі сценарії поведінки фуллереноподібних наночастинок у матриці багатошарового покриття. Показано, що залежно від зовнішніх умов і від співвідношення характеристик матриці та самої частинки може реалізуватися ковзання частинок відносно індентора, проковзування на місці у твердому мастилі та кочення. Зокрема, при досить великих навантаженнях і швидкостях індентора фуллереноподібні частинки можуть відігравати роль мікроскопічних підшипників, що значно поліпшує трибологічні характеристики поверхонь. Аналізуються механічні та термодинамічні умови стабільности такого руху. Одержано оцінки для оптимальної поверхневої густини та розмірів наночастинок. The possible scenarios of the behaviour of fullerene-like nanoparticles in the multilayer coating matrix are considered. As shown, depending on external conditions and on the relationship of the matrix and particle characteristics, the sliding of particles relative to the indenter, slip in a solid lubricant, and rolling can be realized. In particular, at sufficiently high loads and speeds of the indenter, fullerene-like particles can behave as microscopic bearings, which greatly improve the tribological properties of surfaces. The mechanical and thermodynamical conditions of such motion stability are analysed. Estimates for the optimal surface density and size of nanoparticles are obtained. ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Металлофизика и новейшие технологии Металлические поверхности и плёнки О механизме уменьшения трения наноразмерных многослойных покрытий On the Mechanism of Friction Reduction of Nanosize Multilayer Coatings Article published earlier |
| spellingShingle | О механизме уменьшения трения наноразмерных многослойных покрытий Григорьев, С.Н. Мандель, А.М. Ошурко, В.Б. Соломахо, Г.И. Веселко, С.Г. Металлические поверхности и плёнки |
| title | О механизме уменьшения трения наноразмерных многослойных покрытий |
| title_alt | On the Mechanism of Friction Reduction of Nanosize Multilayer Coatings |
| title_full | О механизме уменьшения трения наноразмерных многослойных покрытий |
| title_fullStr | О механизме уменьшения трения наноразмерных многослойных покрытий |
| title_full_unstemmed | О механизме уменьшения трения наноразмерных многослойных покрытий |
| title_short | О механизме уменьшения трения наноразмерных многослойных покрытий |
| title_sort | о механизме уменьшения трения наноразмерных многослойных покрытий |
| topic | Металлические поверхности и плёнки |
| topic_facet | Металлические поверхности и плёнки |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/104166 |
| work_keys_str_mv | AT grigorʹevsn omehanizmeumenʹšeniâtreniânanorazmernyhmnogosloinyhpokrytii AT mandelʹam omehanizmeumenʹšeniâtreniânanorazmernyhmnogosloinyhpokrytii AT ošurkovb omehanizmeumenʹšeniâtreniânanorazmernyhmnogosloinyhpokrytii AT solomahogi omehanizmeumenʹšeniâtreniânanorazmernyhmnogosloinyhpokrytii AT veselkosg omehanizmeumenʹšeniâtreniânanorazmernyhmnogosloinyhpokrytii AT grigorʹevsn onthemechanismoffrictionreductionofnanosizemultilayercoatings AT mandelʹam onthemechanismoffrictionreductionofnanosizemultilayercoatings AT ošurkovb onthemechanismoffrictionreductionofnanosizemultilayercoatings AT solomahogi onthemechanismoffrictionreductionofnanosizemultilayercoatings AT veselkosg onthemechanismoffrictionreductionofnanosizemultilayercoatings |