В этой статье мы рассмотрим, что такое графен и графеновая смазка, а также способ улучшения эксплуатационных свойств графеновых смазок с помощью аппарата вихревого слоя.

В 2010-м году Нобелевская премия по физике была присуждена А. Гейму и К. Новоселову, которые проводили новаторские эксперименты, касающиеся двумерного материала графена. С тех прошло чуть больше десяти лет, а графен уже нашел применения во многих отраслях промышленности. Пока массовое использование графена сдерживается его относительно высокой ценой, но вместе с совершенствованием технологий производства материала будет снижаться и его цена, что наблюдается уже сейчас.

Что такое графен

Основная особенность графена как материала – это двумерность его атомного кристалла. Сам кристалл состоит из атомов углерода, выстроенных в гексагональную решетку. Представить, как выглядит модель решетки графена можно, если аккуратно срезать верхний слой из пустых пчелиных сот параллельно их плоскому основанию. В результате мы увидим плоскую сетку с одинаковыми шестиугольными ячейками – так и выглядит однослойная кристаллическая структура графена.

Рисунок 1 – Волокна графена под сканирующим электронным микроскопом

Получение графена

Графен получают из графита, поскольку графит – это, по сути, стопка из отдельных слоев графена. То есть задача сводится к тому, чтобы аккуратно отделить слой. Для снятия верхнего слоя может использоваться, например, липкая лента (скотч), которую вместе с тончайшими кристалликами графита переносят на поверхность подложки. Если сцепление полученных кристалликов графена с подложкой выше, чем их сцепление между собой, то на поверхности подложки остаются кристаллики графена.

Существуют и другие методы получения графена, например, химическое расслоение. Графит обрабатывается кислотами, в результате чего образуются гидрофильные оксиды графена (графоны), которые затем восстанавливают до низкокачественного графена.

Сферы применения графена

Сферы применения графена постоянно расширяются, что обусловлено его свойствами: высокой проводимостью и теплопроводностью, прочностью и гидрофобностью. Известные применения графена:

• изготовление графеновых подложек для изучения образцов методом спектроскопии;
• изготовление графеновых прозрачных проводящих покрытий для солнечных батарей и жидкокристаллических дисплеев;
• производство графеновых интегральных микросхем;
• производство графеновых полевых транзисторов;
• использование при терморегуляции смартфонов;
• использование в аккумуляторных батареях;
• производство композитных материалов;
• производство пластичных смазок и др.

Рассмотрим использование графена при производстве пластичных смазок детальнее.

Пластичные смазки – зачем в них графен?

Основное назначение смазок – снижение трения и, как следствие, износа контактирующих между собой поверхностей. А теперь представьте, что у вас есть образец в виде шарика, изготовленный из оксида циркония, и кремниевая пластина. Если вы начнете осуществлять возвратно-поступательное движение этого шарика по пластине, то через 10-15 минут, то на поверхности пластины образуется «канавка». Если же каким-либо образом на новую кремниевую пластину нанести тончайший слой графена (не более 1 нм), а затем провести испытания с возвратно-поступательным движением шарика, то пластина останется неповрежденной. При этом коэффициент трения будет низким и почти не изменится на протяжении длительного времени. Свойство графена поддерживать низкий коэффициент трения сохраняется как во влажных, так и сухих средах.

Еще одно полезное свойство графена заключается в том, что он отталкивает воду и не пропускает воздух, то есть замедляет окислительные процессы на поверхности металлов. Все это – хорошие предпосылки для того, чтобы использовать графен при производстве пластичных смазок.

Графеновая смазка – особенности производства

В общем случае смазка представляет собой вещество, состоящее из жидкой основы (дисперсионная среда), твердого загустителя (дисперсной фазы) и добавок (присадок). Особенность графена заключается в том, что он может использоваться как в качестве загустителя, так и в качестве присадки, обеспечивая хорошие трибологические характеристики смазки. Но добиться этих характеристик можно только в случае равномерного распределения графена по всему объему смазки независимо от того, используется он в относительно большом количестве (как загуститель), или в малых количествах (как присадка). Традиционные механические мешалки не справляются с этой задачей, что не позволяет добиться оптимальных трибологических характеристик смазки. Хорошо смешать и равномерно распределить компоненты поможет аппарат с вихревым слоем ферромагнитных частиц (АВС).

Аппарат вихревого слоя для графеновых смазок

Аппарат вихревого слоя – это устройство, в состав которого входит индуктор вращающегося электромагнитного поля, рабочая камера из немагнитного материала и ферромагнитные частицы в количестве от нескольких десятков до нескольких сотен штук. Частицы помещаются внутрь рабочей камеры, а сама рабочая камера находится в зоне воздействия вращающегося электромагнитного поля, которое наводится после подачи напряжения на обмотку индуктора. Под действием поля частицы начинают движение, после чего постоянно соударяются между собой и со стенками рабочей камеры. Траектория движения частиц из-за этого становится сложной. При этом в рабочей камере одновременно возникают явления, которые способствуют эффективной обработке графеновой смазки:

• акустические колебания;
• кавитация;
• вращающееся электромагнитное поле;
• перемешивающее воздействие каждой ферромагнитной частицы и др.

Эти факторы обеспечивают эффективное перемешивание компонентов и их равномерное распределение по всему объему. Это очень важно в том случае, когда графен используется как добавка добавка в количестве, например, 0,1%. В этом плане АВС является уникальным оборудование, поскольку равномерно распределяет по всему объему смазки даже такое небольшое количество вещества.

Если графен используется как загуститель в количестве, например, 10-12%, то предварительное смешивание компонентов можно осуществлять с помощью традиционных мешалок, а дообработку полученной смеси – уже в аппарате вихревого слоя.

Применение аппаратов вихревого слоя при производстве графеновых смазок улучшает трибологические характеристики (коэффициент трения и коэффициент износа) в сравнении с этими же характеристиками, полученными с применением другого оборудования (мешалок, мельниц и т.п.).

Перспективное применение АВС – механоактивация графитовой смазки

Накопленный нами опыт в плане практического применения аппаратов вихревого слоя свидетельствует о том, что они имеют перспективу для механоактивации графитовых смазок.

Суть гипотезы заключается в следующем. При обработке графитовых смазок в аппарате вихревого слоя происходит уменьшение размеров частиц графита и его слойности, то есть возможно образование графеновых структур, что улучшит трибологические характеристики графитовых смазок.

Преимущества аппаратов вихревого слоя

Применение аппаратов вихревого слоя при производстве графеновых смазок имеет следующие преимущества:

• аппарат равномерно распределяет графен по всему объему смазки независимо от количества, вплоть до десятых и сотых долей процента;
• аппарат потребляет не много мощности. Компанией GlobeCore выпускаются модели аппарата вихревого слоя АВС-100 и АВС-150 с потребляемой мощностью 4,5 и 9 кВт соответственно;
• процесс смешивания компонентов в аппарате вихревого слоя протекает очень быстро (считанные секунды и минуты) за счет воздействия интенсифицирующих факторов в виде ультразвука, кавитации, высоких локальных давлений, вращающегося электромагнитного поля и др.;
• аппарат работает в потоковом режиме и может легко встраивается в действующие технологические линии по производству графеновых смазок как вместо основной мешалки с емкостью (экономия площади), так и устанавливаться после них для дообработки компонентов;
• аппарат прост и неприхотлив в обслуживании. Он не имеет узлов трения, требующих постоянного ухода;
• долговечность. Срок службы аппаратов в зависимости от условий эксплуатации может достигать десятков лет.

Для получения дополнительной информации или заказа проведения эксперимента воспользуйтесь контактной информацией из соответствующего раздела нашего сайта.