Tribologiczna aktywność nanomateriałów węglowych

Przegląd literatury oraz wyniki naszych badań pozwalają stwierdzić, że CNM wykazują wiele równolegle występujących mechanizmów oddziaływania w procesach tarcia. Nie wszystkie z tych mechanizmów zostały poznane, a ich zbadanie i opisanie powinno poprzedzać podejmowanie prób racjonalnego wykorzystania nanolubrykantów. Jednym z takich mechanizmów odkrytych w naszej grupie badawczej jest pośrednie oddziaływanie CNT na proces tarcia przez aktywowanie dodatków przeciwzużyciowych obecnych praktycznie we wszystkich olejach smarujących. W tym przypadku rola CNT polega na transportowaniu energii z powierzchni trącej w głąb filmu olejowego; energia ta jest niezbędna do aktywowania reakcji chemicznej dodatku przeciwzużyciowego – ditiofosforanu cynku (ZDDP, ang.: dialkyldithiophosphates). W obecności CNT reakcje ZDDP zachodzą znacznie skuteczniej w końcowym efekcie powodując powstanie grubszej warstwy przeciwzużyciowej ZDDP, która znacząco obniża zużycie powierzchni trących [Kałużny J. et al., Nanomaterials 2020 oraz Skrzypek M. et al., Lubricants, 2024].

Ważnym zjawiskiem towarzyszącym zastosowaniu CNT w oleju smarującym jest znaczące, sięgające 30% zmniejszenie drgań pracujących maszyn oraz wtórnie zmniejszenie hałasu. Efekt ten zaobserwowaliśmy w przypadku samochodowego silnika spalinowego i podjęliśmy próbę jego wyjaśnienia. Zakładamy, że jednym z mechanizmów tribologicznego oddziaływania CNTs wprowadzonych w śladowych ilościach do oleju będącego mieszaniną węglowodorów olefinowych jest zapobieganie ich przestrzennej organizacji i unikanie efektu stick-slip [Kałużny et al., Tribology International, 2020].

CNM wykazują silną tendencję do tworzenia aglomeratów w związku ze zjawiskami zachodzącymi na ich powierzchni; na przykład oddziaływania van der Waalsa sprawiają, że CNT zdyspergowane w cieczach tworzą struktury podobne do splątanych nitek makaronu. Zaglomerowane CNM tracą swoje korzystne cechy tribologiczne, dlatego warunkiem udanego ich zastosowania przemysłowego jest utworzenie stabilnych zawiesin. Testy nanolubrykantów zaczynają się w wyidealizowanych, ściśle kontrolowanych warunkach pracy tribometrów i łożysk tocznych. W następnym etapie przeprowadzimy testy w silniku spalinowym, który jest przykładem kompleksowego układu tribologicznego z wieloma parami trącymi wykonanymi z różnych materiałów metalowych i niemetalowych, pracującymi przy zróżnicowanej prędkości, nacisku i temperaturze.

W celu zweryfikowania hipotez dotyczących roli CNM w procesie tarcia konieczne jest scharakteryzowanie powierzchni trących i śladów zużycia. Podstawowymi technikami których używamy są nanometrologia 3D, mikroskopia SEM i ESEM, techniki spektroskopowe takie jak EDS, XPS, FR-IR i spektroskopia ramanowska oraz spektrometria NMR.

Przyszłościowe zastosowania CNM obejmują nie tylko ich wykorzystanie w konwencjonalnych smarach i olejach ale również w chłodziwach i cieczach do obróbki metali. Jednym z kierunków rozwoju jest zastąpienie węglowodorów cieczami jonowymi z dodatkiem nanomateriałów węglowych oraz szerokie zastosowanie chemii supramolekularnej [Wojciechowski Ł. Et al., Tribology International 2024]. W szerszym ujęciu CNM mogą być również wykorzystane w mechanice w innych pokrewnych zastosowaniach, takich jak modyfikacja paliw i tworzenie nowych systemów spalania [Kałużny J., Combustion Engines, 2017].