Фуллерены: синтез, исследование, свойства фуллереновой сажи

Трибология. Первые зарубежные публикации, а также патенты Японии и США, выданные в начале 90-х годов [22], показали, что фуллерены перспективны в качестве антифрикционных покрытий, твердых смазок и присадок к смазочным маслам. Изучение трибологических свойств фуллеренов и фуллеренсодержащих материалов ведется в Институте проблем машиноведения РАН (Санкт-Петербург) с 1994 г. Эксперименты показали: введение фуллеренсодержащих присадок к жидким маслам и консистентным смазкам, нанесение фуллереновых покрытий способны значительно улучшить параметры трения и износа деталей и механизмов, в отдельных случаях - многократно. Это делает их применение перспективным для широкого круга машин и промышленного оборудования [22, табл. 2]. Небольшой весовой процент требующихся добавок и достаточно хороший во многих случаях результат, который уже дает применение лишь фуллереновой сажи, позволяют рассчитывать на реальный внедренческий эффект. Материалы с улучшенными трибологическими свойствами получают также путем введения в полимерное связующее полиэдральной многослойной углеродной наноструктуры фуллероидного типа [23] и высокотемпературного прессования смесей порошков железа или кобальта и фуллеритов [24]. Во втором случае благодаря формированию сверхтвердых углеродных частиц в металлической матрице износостойкость получаемых композитов намного выше, чем высоколегированных инструментальных сталей.

Композиты универсальны: могут использоваться в самых разнообразных условиях трения. Перспективный для экономических приложений метод разработан и запатентован учеными Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН (Москва) [25].

Металлургия. Значительный интерес для материаловедов представляет синтез фуллеренов и их соединений в структуре железоуглеродистых сплавов. Российскими учеными обнаружено зарождение фуллеренов в расплавах сталей в процессе их кристаллизации и подтвержден факт присутствия углеродных скоплений в виде фуллеренов на примере серого чугуна [26]; проведено исследование закономерностей формирования фуллеренсодержащих фаз в материалах, полученных методом порошковой металлургии [27]. Работы продолжаются в Государственном научном центре порошкового материаловедения Пермского государственного технического университета и в Уфимском государственном нефтяном техническом университете совместно с Институтом металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН. Получаемые результаты (три российских патента коллектива из Перми) открывают перспективы создания новых конструкционных материалов с улучшенными физико-механическими характеристиками на основе углеродистой стали.

Иные области приложения. Материалы и технологии, основанные на применении фуллеренов, во многих случаях имеют двойное назначение, что может обусловить эффект «перекрестного опыления» и соответствующую экономию. Так, разработанная российским изобретателем углеводородная смесь высокой реакционной способности, содержащая углеродные нанотрубки [28], пригодна как для оборонных приложений (обезвреживание боевых отравляющих веществ), так и для гражданских (ликвидация последствий разлива нефтепродуктов и тушения пожаров). Известно, что слой фуллеренов свободно пропускает слабое излучение, но способен мгновенно увеличить уровень поглощения при усилении излучения.

На этом свойстве основано создание оптического затвора для защиты оборудования и аппаратуры от интенсивного лазерного излучения (лазерного удара) или приборов ночного видения от любой яркой резкой вспышки в ночное время. Такая защита важна и для органов зрения персонала, работающего с лазерной техникой. Работы ведутся в НИИ ЛФ при участии Ленинградского оптико-механического объединения [19]. Настоящего прорыва в создании легких неметаллических покрытий для защиты авиационных конструкций от разрядов молнии, электромагнитного излучения, радиопомех (Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов, Москва) специалисты ожидают от ферромагнитного коврового полимера фуллерена C60, который был Перспективы развития приоритетных направлений фундаментальных исследований открыт с участием российских ученых [11]. Вообще, как считают специалисты этого института, фуллерены - особый универсальный объект для широкого круга прикладных разработок. Использование их в качестве наномодификаторов позволяет существенно улучшить характеристики (прочность, тепло- и электропроводность) конструкционных углепластиков для военного авиастроения [8, с. 90], а применение в специальных многофункциональных полимерных покрытиях способствует обеспечению скрытности по различным физическим полям объектов военной техники [29].

Одним из интереснейших и перспективных направлений по пластичным смазочным материалам является применение при их производстве углеродных наноструктур типа фуллерен С60-С70 и фуллереносодержащей сажи.

Применение наноструктурных добавок различного происхождения (фуллерена, нанотрубок, ФПС и др.) в смазочных материалах является эффективным средством снижения износа поверхностей в тяжелонагруженных узлах трения. Область их применения расширяется, изучаются как положительные, так и отрицательные сопутствующие эффекты.

Первый опыт применения наночастиц в смазках связан с материалами, в которых реализован принцип создания наночастиц железа посредством разложения нестабильных соединений железа в стабилизирующей полимерной среде. Полученный продукт в виде геля добавляется в различные смазочные материалы, в том числе и в пластические смазки.

Группой исследователей разработан новый класс минеральных смазок типа Флоран с применением фуллерена С60, а также фуллереносодержащей сажи. Полученные образцы обладают улучшенными антифрикционными, противоизносными и антизадирными свойствами.

Смазка Флоран разработана по совершенно новой технологии. В качестве дисперсной среды используется легкое нефтяное масло (И-12, И-20, Т-1500 и др.), а загустителем служит растительное масло, предварительно обработанное дешевым промотором.

Новизна заключается в следующем: во-первых, в использовании двойных связей, имеющихся в составе растительного масла, что приводит к образованию прочной структуры получаемой смазки; во-вторых, при синтезе смазки Флоран были использованы добавки фуллерен С60 и фуллереносодержащей сажи (в пределах 0,1-0,5 % фуллерена и 1,0-5,0% фуллереносодержащей сажи от объема).

Смазка отличается от своих аналогов высокой коллоидной стабильностью и отличными трибологическими характеристиками, особенно аномально высоким индексом задира (>400) несмотря на очень легкую дисперсную среду. В составе смазки не используются никакие присадки. Присутствие фуллерена С60 в минеральных смазках защищает их от термической и окислительной деструкции и инициирует образование защитной фуллерено-полимерной пленки толщиной 70-80 нм на поверхностях контртел. В результате, увеличивается срок службы узлов трения в аварийных ситуациях, прекращение подачи смазки в 3-4 раза, увеличивает несущую способность узлов трения в 2-3 раза.

Фуллерены имеют относительно высокую стоимость (10-15$ за грамм), и их использование в качестве наполнителей экономически выгодно только в концентрациях до 1%.

В одном из исследований были взяты порошки, содержащие фуллеренов до 99% и углеродный порошок - шунгит (около 5% фуллеренов). В качестве основы была выбрана смазка Литол-24.

Наполнитель вводили в смазку при 60 и 120°С с последующим перемешиванием до полного равномерного распределения в объеме с последующей гомогенизацией. Введение фуллеренов незначительно влияет на объёмно-механические свойства смазок (пенетрация, температура каплепадения).

Значительного улучшения трибологических свойств, определенных на четырехшариковой машине трения, при температуре ввода наполнителя -1200 С - не наблюдалось. При использовании шунгита проявлялось его абразивное действие. Определено, что важным фактором применения фуллеренов в качестве наполнителей является технология их введения. Температура - 60оС является оптимальной. Для смазки Литол-24 с концентрации фуллеренов от 0,5 до 1,5% мас. улучшаются трибологические характеристики смазки Литол-24, в частности увеличиваются критическая нагрузка сваривания, индекс задира, снижается диаметр пятна износа.

Применение фуллеренов благодаря их уникальным свойствам практически во всех случаях значительно улучшает рабочие параметры оборудования, упрощает и делает более эффективными технологии, повышает качество готовой продукции. Вместе с тем фуллерены как одна из форм углерода обладают целым набором полезных свойств, общих с другими его формами: углерод как сырье в изобилии присутствует на Земле; углерод - базисный элемент органических экосистем, поэтому углеродные соединения и материалы в экологическом плане более приемлемы, чем неуглеродные; уже накопленные фундаментальные и технологические знания об углероде позволяет надеяться, что коммерциализация фуллереновых (углеродных) материалов могла бы оказаться более простой, экономичной и менее рискованной; сформировавшаяся привязанность потребителей к уже существующим продуктам на основе углерода способна облегчить продвижение новых продуктов, основанных и на фуллеренах.

Литература

Dunne L.J., Clark A.D., Chaplin M.F. and Katbamna H. Electronic, magnetic, and structural properties of amorphous carbons and the discovery of the fullcrenes // Carbon - 1992. - V.30 - P. 1227 - 1233

Egashira М., Araki Т., Korai Y., Mochida I. Some properties of carbon disks prepared from the toluene insoluble fraction in fiillerene soot // Carbon 1999. -- V.37 -- №1 -- P. 27-31

Egashira M., Koura H., Korai Y., Mochida I., Crelling J.C. Carbon framework structures produced in the Fullerene related materials // Carbon -- V.38 - №4 -- P. 615-621

Endo M., Kim Y.A., Hayashi T. et al. Microstructural changes induced in "stacked cup" carbon nanofibers by hit treatment // Carbon -- 2003. - V.41 -- P. 1941 - 1947

Goel A., Hebgen P., Vander Sande J.B., Howard J.B. Combustion synthesis of fullerenes and fullerenic nanostructures // Carbon - 2002. - V.40 - №2 - P. 177- 182

Grieco W.J., Howard J.B., Rainey L.C., Vander Sande J.B. Fullerenic carbon in combustion-generated soot // Carbon - 2000. - V.38 - №4 -- P. 597-614

Kosaka M., Ebbesen T.W., Hiura H. and Tanigaki K. Annealing effect on carbon nanotubes. An ESR study // Chem. Phys. Lett. - 1995. - V.233 - P. 47-51

Kroto H.W., Heath J.R., O'Brien S.C., Curl R.F. and Smalley R.E. // Nature- 1985.-V.318-P. 162-163

Mochida I., Ku C.H., Egashira M., Kimura M., Korai Y. Anodic performances of unconventional non-graphitic carbons // Denki Kagaku - 1998. - V.66 - №12 -- P. 1281 - 1287

Mott N.F., Davis E.A. Electronic Processes in Non-Crystylline Materials (Oxford: Clarendon), 1971. - P. 250

Nagano Y., Gouali M., Monjushiro H., Eguchi Т., Ueda Т., Nakamura N., Fukumoto Т., Kimura Т., Achiba Y. Air oxidation of carbon soot generated by laser ablation//Carbon- 1999. - V.37 - №10-P. 1509- 1515

Silva S.A.M., Perez J., Torresi R.M., Luengo C.A., Ticianelli E.A. Surface and electrochemical investigations of a fiillerene soot // Electrochimica Acta 1999. - V.44 - №20 - P. 3565 - 3574

Singer L.S., Wagoner G. Electron spin resonance in polycrystalline graphite // J. Chem. Phys. - 1962. - V.37 - P. 1812 - 1817

O'Reilly D.E., Anderson J.H. Chem. and Phys. Of the organic solid state, 1965.-V.2-P.120

Singer L.S. Proceedings of the fifth conference on carbon, Proc. 5th Carbon conf., 1963.-V.2-P.37

Ugarte D. High-temperature behaviour of "fullerene black" // Carbon - 1994.-V.32-P. 1245- 1248

Ugarte D. Morphology and structure of graphitic soot particles generated in arc - discharge C60-production // Chem. Phys. Lett. - 1992. - V. 198 - P. 596 -602

Ugarte D. Curling and closure of graphitic networks under electron-beam irradiation // Nature - 1992. - V.359 - P. 707 - 709

Yang Z.H., Wu H.Q. Electrochemical intercalation of lithium into fullerene soot // Mat Lett. -- 2001. - V.50 - №2-3 -- P. 108-114

Zhang Q.L., O'Brien S.C., Heath J.R., Liu Y., Kroto H.W. and Smalley R.E. Reactivity of large carbon clusters: Spheroidal carbon shells and their possible relevance to the formation and morphology of sootV/ J. Phys. Chem. 1986. -- V.90 -- P. 525 -528

www.relaxon.net

Бавер А.И., Бардина И.А., Ковалева H.B., Никитин Ю.С. Влияние окисления на адсорбционные свойства графитированных углеродных волокон из гидрагцеллюлозы // Вести. Моск. Ун-та. Сер.2. Химия. - Т.40 - №2 - С. 93 - 97

Размещено на Allbest.ru