В условиях экстремальных температур, достигающих раскаленного состояния кузнечного горна, большинство привычных смазочных материалов теряют свои свойства, превращаясь в бесполезную массу или даже усугубляя износ металлических деталей. Это создает серьезную проблему для ряда высокотехнологичных отраслей, где оборудование должно работать в условиях невыносимого жара и колоссального трения. Однако, недавно ученые из Политехнического университета Виргинии, похоже, нашли решение, раскрыв неожиданные свойства одного класса соединений.
Исследовательская группа обнаружила, что шпинельные оксиды переходных металлов, образующиеся на поверхности суперсплавов на основе никеля и хрома, проявляют себя как высокоэффективные смазки при экстремально высоких температурах, достигающих 700 градусов Цельсия (1292 градуса Фаренгейта). Этот температурный порог, приближающийся к жару металлургического горна, является недостижимым для традиционных смазок, которые попросту разлагаются в таких условиях.
Открытие имеет потенциально революционное значение для отраслей, где материалы должны выдерживать экстремальный жар и интенсивный износ. В первую очередь это касается аэрокосмической промышленности и атомной энергетики, где оборудование постоянно подвергается воздействию высоких температур и механических нагрузок. Новые смазочные материалы могут позволить создавать металлические компоненты, способные функционировать при температурах, ранее считавшихся неприемлемыми.
Результаты этого прорывного исследования были опубликованы в престижном научном журнале Nature Communications. В центре внимания ученых оказались шпинели – класс минералов, известных своей уникальной структурой. Шпинель, как и структурно схожие оксиды шпинели, относится к полудрагоценным камням, иногда встречающимся в одних и тех же породах, что и рубины. Однако, помимо эстетической ценности, шпинель обладает редчайшим свойством: самосмазыванием в условиях высоких температур и трения.
Это самосмазывающее свойство шпинели не является универсальным и проявляется лишь в определенных условиях и в сочетании с конкретными суперсплавами. Тем не менее, в условиях растущего спроса на металлические детали, способные выдерживать интенсивный износ при экстремально высоких температурах, открытие свойств шпинели приобретает особую актуальность. Многие отрасли промышленности остро нуждаются в материалах, сохраняющих работоспособность в условиях, где обычные смазки бессильны.
Существующие твердые смазочные материалы, такие как тонкие пленки дисульфида молибдена и графита, способны в некоторой степени снизить износ, однако они также имеют свои ограничения. Главным из них является температурный предел: ни одна из известных твердых смазок не выдерживает температуры выше 600 градусов Цельсия (1112 градусов Фаренгейта) без проявления коррозии и потери свойств.
Команда из Виргинского политеха продемонстрировала процесс формирования шпинельного смазочного слоя, используя образец, изготовленный методом аддитивного производства. В качестве основы был выбран Инконель 718 – суперсплав на основе никеля и хрома, известный своей жаропрочностью. Исследователи обнаружили, что после специальной термообработки поверхности Инконеля 718 перед воздействием высоких температур на ней формируются смазочные оксиды на основе шпинели.
Применение этого шпинельного слоя позволило обеспечить смазку даже при температурах, превышающих 600 градусов Цельсия. Примечательно, что при этом не наблюдалось ни утолщения слоя, ни потери устойчивости к трению. Это свидетельствует о том, что шпинель не только выдерживает экстремальные температуры, но и сохраняет свои смазочные свойства в течение длительного времени.
Ученые выдвинули гипотезу, что уникальная кристаллическая структура шпинели может быть ключевым фактором, определяющим ее превосходную эффективность в качестве высокотемпературной смазки по сравнению с другими оксидами. Эта структура, вероятно, обеспечивает особый механизм скольжения на атомном уровне, позволяющий шпинели выдерживать высокие нагрузки и температуры.
Джонатан Мэдисон, директор программ в отделе материаловедения Национального научного фонда (NSF), подчеркнул важность этого открытия. По его словам, «структура, свойства и характеристики материалов не являются статичными, они глубоко динамичны и сильно зависят от контекста». Он отметил, что открытие исследователей из Виргинского политеха имеет потенциал произвести революцию в промышленности, продвинуть технологии и изменить мир, благодаря раскрытию новых возможностей в материаловедении.
Изображение носит иллюстративный характер
Исследовательская группа обнаружила, что шпинельные оксиды переходных металлов, образующиеся на поверхности суперсплавов на основе никеля и хрома, проявляют себя как высокоэффективные смазки при экстремально высоких температурах, достигающих 700 градусов Цельсия (1292 градуса Фаренгейта). Этот температурный порог, приближающийся к жару металлургического горна, является недостижимым для традиционных смазок, которые попросту разлагаются в таких условиях.
Открытие имеет потенциально революционное значение для отраслей, где материалы должны выдерживать экстремальный жар и интенсивный износ. В первую очередь это касается аэрокосмической промышленности и атомной энергетики, где оборудование постоянно подвергается воздействию высоких температур и механических нагрузок. Новые смазочные материалы могут позволить создавать металлические компоненты, способные функционировать при температурах, ранее считавшихся неприемлемыми.
Результаты этого прорывного исследования были опубликованы в престижном научном журнале Nature Communications. В центре внимания ученых оказались шпинели – класс минералов, известных своей уникальной структурой. Шпинель, как и структурно схожие оксиды шпинели, относится к полудрагоценным камням, иногда встречающимся в одних и тех же породах, что и рубины. Однако, помимо эстетической ценности, шпинель обладает редчайшим свойством: самосмазыванием в условиях высоких температур и трения.
Это самосмазывающее свойство шпинели не является универсальным и проявляется лишь в определенных условиях и в сочетании с конкретными суперсплавами. Тем не менее, в условиях растущего спроса на металлические детали, способные выдерживать интенсивный износ при экстремально высоких температурах, открытие свойств шпинели приобретает особую актуальность. Многие отрасли промышленности остро нуждаются в материалах, сохраняющих работоспособность в условиях, где обычные смазки бессильны.
Существующие твердые смазочные материалы, такие как тонкие пленки дисульфида молибдена и графита, способны в некоторой степени снизить износ, однако они также имеют свои ограничения. Главным из них является температурный предел: ни одна из известных твердых смазок не выдерживает температуры выше 600 градусов Цельсия (1112 градусов Фаренгейта) без проявления коррозии и потери свойств.
Команда из Виргинского политеха продемонстрировала процесс формирования шпинельного смазочного слоя, используя образец, изготовленный методом аддитивного производства. В качестве основы был выбран Инконель 718 – суперсплав на основе никеля и хрома, известный своей жаропрочностью. Исследователи обнаружили, что после специальной термообработки поверхности Инконеля 718 перед воздействием высоких температур на ней формируются смазочные оксиды на основе шпинели.
Применение этого шпинельного слоя позволило обеспечить смазку даже при температурах, превышающих 600 градусов Цельсия. Примечательно, что при этом не наблюдалось ни утолщения слоя, ни потери устойчивости к трению. Это свидетельствует о том, что шпинель не только выдерживает экстремальные температуры, но и сохраняет свои смазочные свойства в течение длительного времени.
Ученые выдвинули гипотезу, что уникальная кристаллическая структура шпинели может быть ключевым фактором, определяющим ее превосходную эффективность в качестве высокотемпературной смазки по сравнению с другими оксидами. Эта структура, вероятно, обеспечивает особый механизм скольжения на атомном уровне, позволяющий шпинели выдерживать высокие нагрузки и температуры.
Джонатан Мэдисон, директор программ в отделе материаловедения Национального научного фонда (NSF), подчеркнул важность этого открытия. По его словам, «структура, свойства и характеристики материалов не являются статичными, они глубоко динамичны и сильно зависят от контекста». Он отметил, что открытие исследователей из Виргинского политеха имеет потенциал произвести революцию в промышленности, продвинуть технологии и изменить мир, благодаря раскрытию новых возможностей в материаловедении.
