Технічні науки/4. Транспорт.

К. ф-м. н Аксёнова Н.А., к.т.н. Оробинский А.В.,

к.т.н. Надтока О.В., Дунай Л.М.

Українська державна академія залізничного транспорту, Україна

Перспективи застосування нових фуллерен-вміщуючих матеріалів в сучасних засобах транспортного машинобудування.

Створення технічних засобів нового покоління ставить перед дослідниками багатопрофільні задачі, серед яких одержання нових матеріалів із заданими властивостями грає одну з найважливіших ролей.

Одним з перспективних напрямків є широке застосування матеріалів на основі фуллерита [1] в новітніх технологіях, що передбачають зниження зносу матеріалів при терті, підвищення твердості та довговічності, а також складування і збереження різних хімічних елементів, у тому числі важких, які є продуктами відходів, виробництва електричних батарей, елементів живлення і водневого палива.

Останнім часом найбільш актуальними роботами в цьому напрямку є дослідження, пов'язані з вивченням фізичних властивостей нового класу органічних молекулярних кристалів – фуллеритів, що складаються з гігантських високосиметрійних вуглецевих кластерів. Існує ціла безліч фуллеренів, з огляду на сімейство Сn (n‹60 – малі фуллерени, С₆₀, С₇₀, n›70 - гіперфуллерени) і їх сполук. Найбільш типовим представником такого класу матеріалів є фуллерен С₆₀.

В загальній уяві, фуллерени, є третьою, відмінною від алмазу і графіту, формою вуглецю. За відкриття й одержання фуллерита С₆₀ американські вчені Крото, Смоллі і Керл у 1996 році отримали Нобелевську премію з хімії.

Молекула фуллерена С₆₀ являє собою усічений ікосаедр, що володіє майже сферичною симетрією. Величина діаметра молекули складає ~ 10 Å (Ангстрем), тобто молекула величезна. Висока симетрія молекул знаходить свої відображення в наборі унікальних фізичних властивостей. Твердий стан зв'язаних молекул фуллерена називають фуллеритом, а леговані металевими атомами фуллерити – фуллеридами.

Фуллерен С₆₀ являє собою типовий молекулярний кристал. Загальні властивості С₆₀ представлені в таблиці 1.

Таблиця 1. Основні характеристики молекули фуллерена і фізичні властивості чистого С₆₀ [1]

Щільність	1.72 х 10 ^–10 г/см ^3
Модуль пружності	14 ГПа
Об'ємний коефіцієнт теплового розширення	6.0 ´ 10^-5 1/ K
Швидкість звуку Vl (подовжня)	2.6 ´ 10^3м /с
Швидкість звуку Vt (поперечна)	1.2 ´ 10^3 м / с

Особливі властивості фуллеренів у кристалічному стані вказують як на багатий фізичний зміст явищ, що відбуваються при участі фуллеренів, так і на значні перспективи використання цих матеріалів у різних галузях.

В результаті допіювання фуллерену С₆₀ лужними металами, фуллерид, що утвориться при визначеній стехіометрії (МеС₆₀) є органічним надпровідником із критичними температурами Т_с» 40 К [1, 2]. Зазначений матеріал одержують у результаті обробки плівок або полікристалічних зразків С₆₀ парами металу при температурі в декілька сот градусів Цельсія. На базі такого матеріалу виготовляють електромагнитні соленоїди великої потужності, які можуть знайти застосування в багатьох технічних.

Перетворення кристалічного фуллерена в алмаз відбувається при значно більш м'яких умовах, чим у випадку традиційно використовуваного для цієї мети графіту. Тиск, необхідний для перетворення твердого фуллерита в алмаз, знижується з ростом температури [3]. Вдалими виявилися експерименти з синтезу аморфного алмаза при ударному стисканні кристалічного фуллерена С₆₀. Важливо, що це досягається без будь-якого додаткового нагрівання зразка. Така технологічна можливість дає змогу використовувати штучні алмази в якості необхідних часток для вимірювальних інструментів та приладів.

Уже перші експерименти з дослідження механічних властивостей фуллерита підтвердили надії дослідників на створення високоефективного твердого змащення на основі фуллеренів. Згідно робіт [3, 4], поверхня твердих матеріалів, покритих фуллереновою плівкою, має аномально низький коефіцієнт тертя, підвищену довговічність та зносостійкість. Якщо технологія виробництва такого твердого мастила буде налагоджена, та буде забезпечуватися можливість його практичного використання, зносостійкість деталей та механічний ККД технічних засобів суттєво зростуть.

Крім того, заслуговує уваги і те, що за результатами проведених експериментів на апаратах високого тиску, у яких пластичний фуллерит стискувався до 300 тис. атм. і піддавався деформації зсуву, за кілька хвилин у камері утворювалися мікрокристалічні нові надтверді речовини, що залишають подряпини на поверхні алмазного ковадла [5]. Це визначає перспективи його використання при створенні сучасних ріжучих інструментів.

В цьому плані групою авторів [6] було проведено комплексне дослідження структури і мікротвердості чистого фуллерита С₆₀, вивчені геометрія ковзання і температурні залежності мікротвердості Н_V (за Віккерсом) у широкому інтервалі температур. Слабкі Ван-дер-Ваальсові взаємодії між молекулами визначають низькі величини мікротвердості Н_V і границі текучості s_т кристалу С₆₀. При кімнатній температурі типове значення Н_V = 0.2 ГПа [7] , а відношення Н_V / s_т @ 20 [8].

Слід зауважити, що надтверді матеріали та матеріали з підвищеною міцністю для відповідальних деталей технічних засобів можуть бути створені на основі сполук фуллериту. При високих тисках і температурах у масивних зразках, при звичайному тиску під впливом світлового опромінення у видимій і ультрафіолетовій області спектра в тонких плівках фуллериту, а також у легованих лужними металами (А = K, Rb, Cs) фуллеритах АC₆₀ [9], спостерігалася полімеризація молекул C₆₀. Відомо [10], що полімеризація приводить до зміцнення, а полімерні фази є особливо міцними.

При частковому термічному руйнуванні шарів графіту можуть утворюватися не тільки молекули фуллерену, що мають замкнену сферичну структуру, але також довгі трубки, так звані нанотрубки, маючих довжину в декілька нанометрів, поверхня яких виконана правильними шестикутниками [11]. Тобто, нанотрубки мають унікальні механічні властивості, надвисоку міцність.

В роботі [12] наведено, що домішки “упровадження” (атоми Ar, молекули О₂) суттєво впливають на властивості фуллеритів, приводять до зміцнення даного матеріалу. У залежності від типу домішок і характеру їхньої взаємодії з молекулами кристалічного оточення фуллерити з домішками мають властивості, що не відповідають ні чистому фуллериту, ні речовині домішки. Показано, що найбільш сильне зміцнення відбувалося при витримці кристалів в атмосфері аргону або кисню в результаті впровадження атомів Ar чи молекул О₂ в порожнечі ґрат С₆₀ [6].

Згідно з роботою [13, 14], фуллерен також може використовуватися як основа для виробництва акумуляторних батарей. Ці батареї, принцип дії яких заснований на реакції приєднання водню, у багатьох відношеннях аналогічні широко розповсюдженим металево-гібридним нікелевим акумуляторам, однак мають, на відміну від останніх, здатність запасати приблизно в п'ять разів більшу кількість водню. Крім того, батареї характеризуються більш високою ефективністю, малою вагою, а також екологічною і санітарною безпекою в порівнянні з найбільш сучасними акумуляторами на основі літію. Такі високоефективні батареї можуть бути застосовані в електронній техніці, яка використовується в інформаційно-керуючих системах на транспорті.

Особливу актуальність використання фуллерену для створення матеріалів, які можуть використовуватися для виготовлення «контейнерів», в яких складаються та транспортуються радіоактивні та високо токсичні відходи. Це можливо завдяки гигантськми розмірам самої молекули С₆₀ [3] і властивостями захвату її оболонкою інших, навіть важких елементів з тривалим зберіганням.

Вже очевидні навіть перспективи використання фуллеренових наноматеріалів в більш «важких» галузях – транспорті, машинобудуванні, будівництві. Ультрадисперсні додавання дозволяють суттєво змінювати властивості традиційних матеріалів та використовуємі технології.

Таким чином, добавка фуллерена до мастильних матеріалів (рідких та твердих – графітовым або з дисульфіду молібдена) суттєво зменшує тертя в механічних вузлах різних механізмів та машин.

Багатофункціональні алмазо-графітові присадки до моторних мастил покращують їх антифрикційні, зносостійкі властивості, при цьому витрати топлива скорочуються на 2–7 %, знос деталей – в 1,5–2,5 рази, а потужність двигуна внутрішнього сгоряння зростає на 2–4 %.

Прочність металу, що має ультрадисперсну структуру, зростає в півтора-два рази, твердість – в 50–70 разів, корозійона стійкість – в 10–12 разів.

До найбільш пріоритетних напрямків слід віднести можливість використання фуллеренв-міщуючих матеріалів для підвишщення надійності систем токоз’єму для електротранспорту, а також розробку нових мастильних та охолоджуючих речовин з добавками ультрадисперсних та фуллеренових наноматеріалів, що підвищують ресурс механічних вузлів тертя транспортних систем.

Наведенне вище свідчить, що нові матеріали створені на основі фуллерену та його сполуки відрізняються від традиційних більш високим рівнем механічних характеристик. Це обгрунтовує доцільність проведення науково-дослідних робіт по їх промисловому одержанню, та використання для виготовлення деталей, елементів констукцій технічних засобів транспорту.

Література:

1. Локтев В.М. Легированный фуллерит - первый трехмерный органический сверхпроводник // ФНТ. - 1991 - т.18. - № 3. - С.217 - 238

2. Nunez - Regueiro M. Overview of superconductivity fullerene //in: Recent Adv. in the Chem. & Phys. of Fullerenes and Rel. Materials (eds.K.Kadish and R.Ruoff), The Electrochem.Soc., Inc., Pennington NJ. - 1995 - v.2.- P. 926 - 934.

3. Елецкий А.В., Смирнов Б. М. Фуллерены // УФН. - 1993.- T. 163.- № 2.- C. 33 -61.

4. Елецкий А.В., Смирнов Б.М. Фуллерены и структура углерода. // УФН - 1995.- V.165. - N 9. - C. 980 - 1009

5. Blank V., Popov V., Buga S. et al. Is C60 fullerite harder than diamond? // Phys. Lett. A. - 1994.- V.188 - P. 281 -286.

6. Лубенец С. В., Нацик В.Д., Фоменко Л.С., Исакина А.П., Прохватилов А.И., Стржемечный М.А., Аксенова Н.А Структура, системы скольжения и микротвердость кристаллов С₆₀ // ФНТ - 1997.- T. 23. - № 3.- C. 338 - 351.

7. Кобелев Н.П., Моравский А.П., Сойфер Я.М. и др. Упругие и диссипативные свойства фуллерита // ФТТ. - 1994.- т. 39.- № 9.- с. 27

8. Мухтаров Э.И., Красюков Ю.Н. Колебательные спектры и строение кристалла фуллерена С₆₀// Тезисы доклада на семинаре по межмолекулярным взаимодействиям, Одесса , май - 1995.. B. - 1994.- v. 96.- p. 39 - 45.

9. Nunez-Regueiro M., Marques L., Hodeau J.- L. et al. Polymerized fullerite structures // Phys. Rev. Lett. - 1995 - v. 74.- N 2.- P. 278 -281.

10. Aksenova N. A., Isakina A.P, Prokhvatilov A.I., Strzhemechny M.A., Soldatov A.V. and Sundqvist B. Structure studies of C₆₀ polymerized at low Pressures // in: Recent Adv. in the Chem. & Phys. Fullerenes and Rel. Materials (eds. K.Kadish and R.Ruoff) The Electrochem. Soc., Inc., Pennington , NJ.- 1997.- P. 687-694.

11. Елецкий А. В. Углеродные нанотрубки // УФН.- 1997. - T. 167. - № 9. -C. 945 - 972.

12. N.A.Aksenova, A.P.Isakina, A.I.Prokhvatilov, M.A.Strzhemechny and V.N.Varyukhin Thermodynamic properties of C₆₀: Effect of impurities // in:Recent Adv. in the Chem. & Phys. of Fullerenes and Rel. materials (eds.K.Kadish and R.Ruoff), The Electrochem. Soc., Pennington NJ.- 1994.- V. 1.- P.1543 - 1549.

13. Axe J.D., Moss S.C. and Neumann D.A. Structure and dynamics of cristalline C₆₀ //Solid State Physics: Adv.in Res. and Applic., edited by Ehrenreich H. and Spaepen F., New York: Acad. Press. - 1994- v. 48.- P.149 -224.

14. Prokhvatilov A.I., Galtsov N.N., Legchenkova I.V., Strzhemechny M.A., Cassidy D., Gadd G.E., Moricca S., Sundqvist B. and Aksenova N.A. Hysteresis phenomena in Xe-doped C₆₀ from x-ray diffraction, Fizika Nizkikh Temperatur, 2005, v. 31, №5, p. 585-589.