کاهش اتلاف انرژی و اصطکاک و بهبود روانکاری در آسانسورهای هیدرولیک با نانوصفحات دی سولفید تنگستن WS۲
امیر خرمی، میترا مهدوی – «روانکاری» به عنوان علم تسهیلکننده حرکت نسبیِ سطوحِ در تماس با یکدیگر، تعریف شده اسـت. در هر کجا که سطوحِ همجوار و در تماس با یکدیگر، دارای حرکتی نسبی هستند، روانکاری نقش مهمی در انجام حرکت به نحـو صحیح، مداوم و اقتصادی ایفا میکند. روانکاری در کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک نقش بسزایی دارد. عدم روانکاری صحیح ماشینآلات علاوه بر آنکه باعث کاهش راندمان مکانیکی و پایین آمدن بازده زمانی ماشین میشود، سبب فرسایش بیش از حد، فرسودگی و از کار افتادگی زودرس نیز میشود.
در این مقاله، به بررسی چگونگی بهبود روانکاری و کاهش اصطکاک و اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک با استفاده از نانو صفحات دیسولفید تنگستن (WS2) پرداختهایم. همراه ما باشید تا به نتایج جالب این روش نوین دست پیدا کنیم.
اصطکاک و ساییدگی: چالشهای کاهش عمر و کارایی قطعات
هر زمان که سطوح اجسام در جوار و در تماس با یکدیگر حرکت نسبی داشته باشند، دو پدیده اصطکاک و ساییدگی هر دو وجود خواهد داشت. اصطکاک، عبارت از نیروی مقاومت در برابر حرکت نسبی و گذر سطوح در تماس نسبت به یکدیگر است. ساییدگی، عمل تخریب و گسستگی ذرات ماده است که در نتیجه تماس سطوح در حرکت نسبی و به دلیل اثر نیروی اصطکاک پدید میآید.
به غیر از موارد خاصی که وجود اصطکاک برای وقوع حرکت و یا ایجاد سکون در حرکت مورد نیاز و مطلوب است، در اکثر موارد و بهخصوص در اغلب مکانیسمهای متحرک در ماشینآلات که برای تحمل بار و انتقال نیرو و حرکت طراحی شدهاند، دو پدیده اصطکاک و ساییدگی؛ پدیدههای نامطلوبی بهحساب میآیند. به عنوان مثال، در سیستمهای مکانیکی خاص مانند آسانسورهای هیدرولیک، کاهش اتلاف انرژی اهمیت ویژهای دارد.
اصطکاک موجب از بین رفتن انرژی مکانیکی و تبدیل آن به حرارت ناخواسته میشود و کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک، نقش مهمی در افزایش کارایی این سیستمها دارد. ساییدگی نیز سبب از دست رفتن همشکلی و تجانس قطعات با یکدیگر و درنهایت تقلیل عمر مفید ماشین میشود.
تاریخچه روانکاری و اهمیت آن در کاهش اصطکاک
دانش عملی روانکاری از نوع روانکاری حدی و روانکاری با لایه نازک از زمانهـای دیرینـه به وسیله بشر شناسایی و بهکار برده شده است. در حقیقت، تاریخ بشر پر از شواهدی اسـت کـه نشـان مـیدهـد در روزگـاران گذشته به طور معمول از چربی حیوانات و روغنهای گیاهی به عنوان روانکننده محور ارابهها و گاریها استفاده میشده اسـت و حتی روانکنندههای جامد نظیر گرافیت و پودر تالک برای تسهیل حرکت روی سطوح در تماس با یکـدیگر مالیـده مـیشدند.
بر دیوارهای مقبره فرعون مصری توتی هتاپ، که به تاریخ ۱۶۵۰قبل از میلاد (بیش از ۳ هزار و ۶۰۰ سال پیش)، نقوشی وجود دارد که روش مالیدن روغن زیتون روی الوارهای چوبی برای آسان کردن جابهجایی قطعات بزرگ سنگ و مجسمهها و مصالح ساختمانی را نشان میدهد. ظاهراً روانکنندههای معمول از اعصار گذشته تا قرن نوزدهم شامل انواع روغنهای نباتی و حیـوانی که دارای پایـداری نسبی در هوا بوده و بهراحتی تبخیر و خشک نمیشوند، بوده است و بهخصوص روغن زیتون، برزک، کرچـک و روغـن درخـت نخل و همچنین روغن نهنگ، خوک دریایی و چربی خوک، پاچه گاو و پشم گوسفند مورد استفاده قرار میگرفته است. با اختراع ماشین بخار به وسیله «جیمز وات» نیاز به روغنها و گریسهای روانکننده پایـدار و در عـین حـال ارزانقیمت یکباره بهشدت بالا گرفت.
بهبود عملکرد با انتخاب روانکار مناسب
انتخاب روانکار مناسب تأثیر ویژهای بر عملکرد ماشینها دارد. روانکارها با ایجاد یک لایه نازک مناسب روی سطوح دارای اصطکاک، آنها را از یکدیگر جدا میکنند و گرما و سایش ایجاد شده را برطرف میکنند. در این راستا، کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک یکی از چالشهای مهم است که میتواند با انتخاب روانکار مناسب بهبود یابد. بهتازگی تحقیقات بسیار زیادی روی روشهای گوناگون، به منظور بهبود خواص روانکاری روغن پایه اختصاص یافته است. یکی از روشهای بهبود خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی روانکارهای پایه، بهرهگیری از مواد افزودنی مختلف با خواص منحصر به فرد است.
استفاده از فناوری نانو در بهبود روانکنندهها
در این راستا به منظور افزایش و بهبود عملکرد روانکنندهها و کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک از فناوری نانو نیز بهره برده شده است. به عبارتی کارایی یک روانکار به مقدار زیادی به نوع و مقدار ماده افزودنی مورد استفاده در روغن پایه بستگی دارد. در سالهای اخیر استفاده از نانو مواد در روانکنندهها به دلیل بهبود خواص سطحی و قابلیت انتقال حرارت، افزایش بازده موتور و کاهش هزینههای تعمیرات، به عنوان یک ایده نو بسیار مورد توجه واقع شده است. سنتز نانوذرات و جایگزینی مولکولهای آلی با ذرات بسیار کوچک مواد جامد به آسانی امکانپذیر نیست. همچنین به دلیل آنکه محلولهای کلوئیدی اساساً ناپایدار هستند، بهرهگیری از این فناوری در روانکنندهها را با چالش بزرگی رو بهرو کرده است.
تاثیر نانو مواد در بهبود عملکرد روانکارها
پژوهشگران انواع مختلفی از نانومواد ساخته شده از مواد فلزی، آلی و معدنی را برای ساخت نانو روانکارها مورد استفاده قرار دادهاند. مهمترین مزیت استفاده از نانو مواد در روانکارها به دلیل اندازه کوچک آنهاست. در محدوده نانومتری، پوشش کامل سطح مشترک غلتکی صورت میگیرد. همچنین سنتز ذرات کامپوزیت با ویژگیهای مختلفی چون کاهش اصطکاک، سایش و خوردگی امکانپذیر میشود.
نانوافزودنیها نسبت به افزودنیهای معمول، تا حدودی به دما حساس نیستند و واکنشهای اصطکاکی در آنها بسیار محدود است. همچنین اندازه نانومتری این مواد سطوح تماس را بیشتر میکند و در دمای محیط نیز کارآمد نیست. مکانیسم ضدسایشی نانو افزودنیها به دو صورت شکل میگیرد: نانوذرات ممکن است ذوب شوند و به سطح اصطکاکی بپیوندند و یا اینکه با واکنش با سطح، تشکیل یک لایه محافظ دهند.
در این راستا انتظار میرود استفاده از نانوساختارهای متخلخلی مانند سیلیکاتهای متخلخل به دلیل داشتن ویژگیهای ساختاری از قبیل سطح ویژه بسیار بالا، داشتن حفراتی در ابعاد نانو، ظرفیت جذب بالا، نفوذپذیری زیاد و گزینشپذیری خوب، کارایی نانوذرات را به میزان زیادی افزایش دهند.
تأثیر افزودنیهای شیمیایی بر خواص روانکارها
خواص روانکارها با اضافه کردن افزودنیهای شیمیایی مخصوص به روغن پایه تغییر میکند. برای مثال پایداری روغن موتور دربرابر اکسایش با افزودن مواد ضداکسایش مانند زینک دی آلکیل دیسیو فسفات بهبود مییابد، همچنین فسفرها و سولفورها به عنوان مواد بهبوددهنده فشار نهایی و خواص ضدسایشی در روغنهای چرخدنده استفاده میشوند. در این زمینه، استفاده از افزودنیهای شیمیایی در بهبود خواص روانکاری و کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک بسیار حائز اهمیت است.
نانوذرات به عنوان افزودنیهای نوین در روانکاری
بهتازگی نیز نانوذرات به دلیل اندازه، شکل و دیگر خواص منحصر به فردشان به عنوان افزودنی جدید پدیدار شدهاند. نانو روانکارها نوعی روانکار مهندسی شده از نانوذرات، پراکندهکنندهها و روانکار پایهاند که خواص روانکاری و خواص انتقال حرارت بهبودیافته نسبت به روانکارهای متداول دارند. استفاده از روانکارهای حاوی نانوذرات مختلف به دلیل بهبود خواص سطحی، قابلیت انتقال حرارت، افزایش بازده موتور و کاهش هزینه تعمیرات بسیار جذاب و مورد توجهاند. این نانو روانکارها در کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک نیز تاثیر زیادی دارند.
تأثیر نانوذرات بر بهبود خواص روانکاری و کاهش اصطکاک
پژوهشگران زیادی گزارش کردهاند نانو روانکارها در کاهش اصطکاک و سایش و نیز انتقال حرارت بهتر، مؤثرند. آنها انواع مختلفی از نانوذرات ساخته شده از مواد پلیمری، فلزی، آلی و غیر آلی را برای ساخت نانو روانکارها استفاده کردهاند. برای نمونه خواص روانکاری دو نوع روغن، شامل روغن موتور API-SF و روغن پایه حاوی نانو ذرات TiO2،CuO و نانو الماس را بررسی شد، آزمایشهای اصطکاک و سایش به کمک یک دستگاه آزمون لغزشی رفت و برگشتی انجام گرفت.
نتایج آنها نشان داد نانوذرات افزوده شده به روغنها تأثیر بهسزایی در کاهش اصطکاک و سایش داشتند، بهگونهای که ضریب اصطکاک در روغنهای API-SF و روغن پایه حاوی نانو ذرات CuOبهترتیب ۱۸/۴درصد و ۵/۸ درصد کاهش یافت. این نتایج میتواند در کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک نیز بسیار مؤثر باشد. در سایر آزمایشها خواص روانکاری نانو ذرات فولرن افزوده شده به روغن معدنی به عنوان تابعی از غلظت حجمی نانو ذرات بررسی شد.
آزمایشها با یک دستگاه آزمون دیسک روی دیسک تحت بارهای عمودی مختلف و غلظتهای حجمی مختلف نانو ذرات فولرن انجام گرفت. در این مطالعه خواص روانکاری از طریق اندازهگیری دمای سطح و ضریب اصطکاک ارزیابی شدند. نتایج نشان داد نانو روغنهای با غلظت حجمی بیشتر نانو ذرات، ضریب اصطکاک کوچکتر و سایش کمتری را در دیسک ثابت نتیجه میدهد، که این نشانه بهبود خواص روانکاری روغن معدنی بر اثر افزودن نانوذرات است.
تأثیر نانوذرات بر بهبود خواص روانکاری و انتقال حرارت
علاوه بر این، رفتارهای روانکاری نانو ذرات فولرن (C60) افزوده شده به روغن معدنی بررسی شدند، خواص فشار نهایی و ضد سایش آنها با استفاده از آزمون چهار ساچمه و نیز دستگاه آزمون دیسک روی دیسک تحت بارهای عمودی مختلف، ارزیابی شد و نتایج آنها بیانگر بهبود خواص روانکاری نانو روغنها نسبت به روغنهای بدون نانوذرات بود. نانوسیالات بهتازگی به دلیل گزارشهای پرشمار درباره افزایش چشمگیر خواص حرارتی بهشدت مورد توجه قرار گرفتهاند. مطالعات اخیر آشکار میکنند برخی از ساختارهای کربنی، هدایت حرارتی خیلی خوبی دارند.
بنابراین تعداد چشمگیری از مطالعات با استفاده از نانوساختارهای کربنی، مانند گرافیت، فولرن، نانو لولههای کربنی تک دیواره، نانو لولههای کربنی چند دیواره، نانو الماس و گرافن روی خواص حرارتی نانوسیالات انجام گرفته است. قابلیت هدایت حرارتی نانوسیال ساخته شده از اتیلن گلیکول و نانو لولههای تک دیواره بررسی شدند. بیشترین افزایش هدایت حرارتی، ۱۴/۸ درصد در غلظت حجمی ۰/۲ درصد وزنی با استفاده از روش سیم داغ گذرا تعیین شد. این پیشرفتها میتوانند در کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک نیز مؤثر باشند.
بیشتر بخوانید:
انواع افزودنیها به روانکارها
روانکنندههای مورد مصرف در صنعت را میتوان به روانکنندههای گازی، روانکنندههای مایع، روانکنندههای نیمه جامد و روانکنندههای جامد دستهبندی کرد. اصلیترین وظایف روانکارها شامل روانکاری، انتقال حرارت، حفاظت از سطوح، ضربهگیری، انتقال ذرات و آببندی است. کلیه روانکارها از دو قسمت روغن پایه و مواد شیمیایی موسوم به مواد افزودنی تشکیل شدهاند. برای اینکه روغنهای روانکننده همه خواص لازم را داشته باشند و بتوانند وظایف خود را به طور کامل انجام دهند، به آنها مواد افزودنی اضافه میشود. مهمترین موادی که به منظور تأمین ویژگیهای مناسب به روغن پایه افزوده میشوند، عبارتند از:
پاککنندهها و معلقکنندهها
این مواد افزودنی با روغن پایه مخلوط میشوند تا قطعات موتور را تمیز کرده، آلودگیها را رفع و ذرات حاصل از احتراق را به صورت معلق در روغن نگهدارند. نتیجه این عمل جلوگیری از تشکیل لجن و ایجاد رسوب، روی قطعات مختلف موتور است. مواد افزودنی پاککننده که در روغن موتور به کار برده میشوند، از نوع ترکیبات آلی- فلزی (فلزات کلسیم، باریم و منیزیم) هستند. مواد معلقکننده مورد استفاده در روغن موتور از نوع مواد پلیمری بدون خاکستر است.
مواد افزودنی ضدسایش
این مواد افزودنی از سایش قطعات موتور که در اثر تماس فلز با فلز رخ میدهد، جلوگیری میکنند.
مواد افزودنی ضداکسیداسیون
این مواد از جمله اکسیژن به روغن پایه که باعث اکسید شدن روغن پایه و در نتیجه افزایش گرانروی آن میشود، جلوگیری میکنند. اکسید شدن روغن، سبب تولید اسیدهای آلی و در نتیجه ایجاد خوردگی در یاتاقانهای از جنس مس- سرب خواهد شد.
مواد افزودنی بهبوددهنده شاخص گرانروی
این دسته مواد افزودنی باعث کم شدن تغییرات گرانروی در برابر تغییرات درجه حرارت میشوند. این مواد در کاهش مصرف سوخت، بهبود خواص جریان در درجه حرارتهای پایین و جلوگیری از تشکیل کریستالهای واکس در روغن نقش دارند.
مواد افزودنی ضدزنگزدگی و ضدخوردگی
این مواد از طریق خنثی کردن اسیدهای آلی و جلوگیری از رسیدن رطوبت به سطوح فلزی باعث کاهش زنگزدگی و خوردگی میشوند.
مواد ضدکف
این مواد افزودنی، کشش سطحی روغن را کم کرده و اجازه میدهند هوای حبس شده در روغن، از درون آن فرار کند. همچنین این مواد به علت کم کردن تماس روغن با اکسیژن، تا حدودی از اکسید شدن روغن نیز جلوگیری میکنند.
بهبوددهنده اصطکاک
این دسته از مواد باعث کاهش اصطکاک داخلی روغن شده و در نتیجه با کم شدن اصطکاک، مصرف سوخت نیز کاهش مییابد.
مواد افزودنی پایین آورنده نقطه ریزش
این مواد از تشکیل کریستال در روغن جلوگیری کرده و باعث میشوند روغن در درجه حرارتهای پایین یخ نزده و به خوبی جریان داشته باشد.
نانو افزودنیهای مورد استفاده در روانکارها
در ادامه این مطلب درباره انواع نانو افزودنیهای مورد استفاده در روانکارها صحبت میکنیم.
نانو ذرات فولرن (C60)
فولرنها، خانوادهای از کربنهای چندشکل با شبکه سه بعدی از این اتمها هستند. فولرن انواع گوناگون و متعددی دارد و میتواند به صورت کرهای، بیضیگون یا استوانه باشد. مولکولهای فولرن معمولاً به صورت قفسههایی متشکل از ۶۰ اتم هستند که به صورت ششضلعی و پنجضلعی به یکدیگر متصل شدهاند. شکل (۱) ساختار سه بعدی فولرن را نشان میدهد. فولرن یا C60 میتواند به عنوان افزودنی در روغنهای روانکننده به کار برده شود.
مولکولهای فولرن سبب جدا کردن سطوح در حال تماس از یکدیگر میشوند. این دسته از ترکیبات به دلیل مقاومت و پایداری بالا، در شرایط بارگذاری زیاد نیز خصوصیات چرخش بلبرینگ مانند خود را حفظ میکنند. استفاده از نانو ذرات فولرن در سیستمهای هیدرولیک مانند آسانسورهای هیدرولیک میتواند به کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک کمک کند.
شکل (۱): ساختار سه بعدی فولرن
اثر افزودن نانو ذرات فولرن روی ویژگیهای روانکنندگی روغن معدنی بر اساس غلظت حجمی نانو ذرات بررسی شدند. در این مطالعه خواص روانکاری با اندازهگیری دمای سطح اصطکاک و ضریب اصطکاک از طریق آزمون دیسک روی دیسک انجام شد. این آزمون تحت بارهای عمودی و غلظتهای حجمی مختلف نانو ذرات فولرن صورت گرفت. نتایج بیانگر نقش ویژه نانو ذرات فولرن با غلظت حجمی بالاتر است.
حضور این نانو ذرات، ضریب اصطکاک کوچکتر و سایش کمتری را موجب شده است. بنابراین، خصوصیات روانکاری روغن معدنی با افزودن نانو ذرات فولرن بهبود یافته است. این بهبود در خواص روانکاری میتواند در کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک مؤثر باشد.
همچنین ، نقش نانو ذرات فولرن افزوده شده به روغن معدنی ارزیابی شد. آزمونهای چهار ساچمه و دیسک روی دیسک با اعمال بارهای عمودی مختلف، انجام گرفت. نتایج حاکی از بهبود قابل ملاحظه خواص روانکاری روغن حاوی این نانو ذرات نسبت به روغن معدنی بود، از روغن حاوی فولرن برای بهبود عملکرد کمپرسورهای یخچالی خانگی استفاده شد که با تحقیق صورت گرفته، مشخص شد ضریب اصطکاک نانوروغن با افزایش غلظت نانوذرات در روغن پایه معدنی به طور قابل توجهی کاهش مییابد.
نانو الماسها
نانو الماسها معمولاً با انفجار ناگهانی تری نیتروتولوئن در یک محفظه بسته بدست میآیند. متوسط اندازه این نانو ذرات ۶-۴ نانومتر بوده و دارای سطح ویژه ۴۰۰-۳۵۰ m²/g هستند. هدف از به کار بردن نانو الماسها به عنوان افزودنی روانکنندهها، اندودکاری سطوح لغزشی است. این اندودکاری موجب افزایش مقاومت در مقابل سایش، توانمندسازی روانکاری لغزشی میان سطوح و کاهش اصطکاک میشود. استفاده از نانو الماسها در سیستمهای هیدرولیک مانند آسانسورهای هیدرولیک میتواند به کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک کمک کند.
نانو الماسها با پوشش سطح تماس موجب کاهش قابل توجه ضریب اصطکاک میشوند. پوشش نانو الماس موجب کاهش سطح تماس شده و درنتیجه نیروی کششی میان فصل مشترک دو سطح نیز کم میشود. نانو الماس به عنوان یک ماده افزودنی به روغن موتور، موجب کاهش مصرف بنزین و افزایش عمر موتور میشود. این خواص میتوانند در کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک بهینهسازی عملکرد سیستم را به همراه داشته باشند. شکل (۲) تصویر روند کاهش اندازه نانو الماسها را نشان میدهد.
شکل (۲): روند کاهش اندازه نانو الماسها
با افزودن ppm ۵۰-۱۰۰ نانو الماس به روانکنندهها، کاهش سایش در آزمون میله روی صفحه مشاهده شد. همچنین نقش افزودن نانو الماسها روی ویژگیهای روغنهای موتور و سایش بخشهای داخلی موتور بررسی شده است و افزودن نانو الماس، موجب بهبود چشمگیر خواص و عملکرد روغن موتور نسبت به نمونه روغن موتور بدون نانو ذرات الماس شده است. این بهبودها همچنین میتواند در کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک موثر باشد.
خواص تریبولوژیکی مایع پارافین حاوی نانو الماس روی مقدار سایش و افزایش طول عمر قطعات نشان داد که با افزایش ذرات نانو الماس به پارافین، ضریب اصطکاک کاهش مییابد. دلیل این رفتار ساختار کروی و هشتضلعی این ذرات است که همانند یک عنصر تماس حلقوی بین دو سطح عمل میکند.
نانو ذرات فلزی
براساس نتایج اکثر محققان، دسته دیگر از نانو افزودنیهای مورد استفاده در روانکارها، نانو ذرات فلزی گروه طلا، نقره و مس است. نانو ذرات فلزی ناپایدار بوده و به راحتی به شکل توده درمیآیند. به عبارت دیگر نانو ذرات در اثر تماس با یکدیگر، به هم چسبیده و رشد کرده و ساختار نانومتری و خواص منحصر به فرد خود را از دست میدهند. هنگامی که این نانو ذرات به روغن افزوده میشوند، رسوب میکنند.
پایداری، قابلیت انحلال و توزیع ضعیف این سه نانو ذره در روغنهای روانکننده، کاربرد مضاعف آن ها را به عنوان ماده افزودنی در فرمولاسیون روانکنندهها محدود کرده است. یکی از روشهای انحلال مؤثر، پوشش دادن آنها با لایهای از مولکولهای آلی است؛ به صورتی که ترکیبی از یک گروه قطبی و یک زنجیره بلند آلکیل ایجاد شود.
گروه قطبی پوشش باید توانایی جذب شیمیایی بسیار قوی ترکیب فعال سطحی را که روی سطح نانو هستههای معدنی وجود دارد، داشته باشد. در صورتی که زنجیره بلند آلکیلی پوشش باید طول و ساختار مناسبی داشته باشد تا نانو ذرات معدنی در روغن قابل حل باشند. شکل (۳) نمونهای از پوششدهی ذرات توسط ملکولهای آلی را نشان میدهد.
شکل (۳): پوشش سطح نانوذرات فلزی با لایهای از ملکولهای آلی
غالب عاملهای پوششی، تیولهای آلکیلی بلندزنجیر ، اسید اولئیک و آمینها هستند. تحقیقات بسیار زیادی به ارزیابی ویژگیهای روانکنندگی نانو ذرات مس پوشش داده شده، اختصاص یافته است. نانو افزودنی مس پوششدار شده به طور چشمگیری میتواند سبب بهبود مقاومت سایشی، افزایش توان تحمل اعمال بار روغن و نیز موجب کاهش ضریب اصطکاک شود.
بررسی نقش اندازه و مقدار نانو ذرات مس روی خصوصیات روانکنندگی آنها نشان داد نانو ذرات مس با اندازه ذرات ۲ تا ۵ نانومتر که با دی آلکیل دی تیوفوسفات پوششدار شدهاند، خواص ضدسایشی پارافین مایع را بهبود بخشیدهاند. در حالی که نانو ذرات مس با اندازه ذرات ۱۲ نانومتر موجب کاهش بهبود این خاصیت گردیدهاند. یک استدلال منطقی از این پدیده را شاید بتوان به اندازه کوچکتر نانو ذرات مس نسبت داد که دارای نقطه ذوب پایینتر و واکنشپذیری بالاتر هستند. نانوذرات کوچکتر میتوانند با سطوح تماسی برهمکنش بیشتری داشته و در نتیجه لایهای تشکیل دهند که موجب بهبود خواص ضدسایشی شوند.
در تحقیق دیگری که انجام شد با استفاده از احیای فاز مایع، نانوذرات مس را سنتز کردند. براساس نتایج حاصله، ذرات مس با اندازه ۳۰ نانومتر پراکندگی بهتری در روغن روانکننده داشته و در نتیجه عملکرد بهتری را از خود نشان دادهاند. نقش نانو ذرات اکسید مس، دی اکسید تیتانیوم و نانو الماس را در خواص روانکاری روغن موتور API-SF و روغن پایه بررسی شد. براساس تحقیقات، روغن API-SF حاوی نانو ذرات، دارای ویسکوزیته بالاتری نسبت به روغن بدون نانوذرات بوده است. روغن API-SFحاوی نانوذرات TiO2 دارای بالاترین ویسکوزیته نسبت به سایر روغنها بوده و همچنین پایینترین ضریب اصطکاک را از خود نشان داده است.
همچنین آزمایشهای اصطکاک و سایش به کمک یک دستگاه لغزشی رفت و برگشتی انجام شد. نتایج نشان داد نانوذرات افزوده شده به روغنهای پایه، تأثیر بسزایی در کاهش اصطکاک و سایش دارند. این نتایج حاکی از تشکیل یک لایه محافظ روی سطح سایشی است که از تماس مستقیم سطوح جلوگیری کرده و موجب کاهش ضریب اصطکاک و رفع چسبندگی سطوح تماسی میشود.
ویسکوزیته بالاتر، عدد زومرفلدرا افزایش میدهد، به صورتی که رژیم روانکاری ممکن است از شرایط مرزی به روانکاری درهم یا هیدرودینامیک تغییر کند. بنابراین در دماهای پایین، کاهش در ضریب اصطکاک میتواند مشاهده شود و در دماهای بالاتر به دلیل آنکه ویسکوزیته روغن خیلی پایین است، برقراری لایه روغنی میان سطوح اصطکاکی آسان نیست.
تأثیر افزودن نانوذرات فلزی آهن، مس، کبالت و ترکیب آنها با روغن معدنی بررسی شد و نتایج آزمایش نشان داد افزودن هر کدام از این نانوذرات موجب کاهش قابل توجه اصطکاک و سایش میشود. همچنین نانو ذرات مس بیشترین نقش را در کاهش ضریب اصطکاک نشان میدهند.
بنابراین میتوان این اثر را به نقش پر رنگ مس در تشکیل لایه بسیار نازک روانکاری و کاهش سطح تماس نسبت داد و متوجه شد استفاده از مخلوط نانو ذرات بسیار مؤثرتر از نانو ذرات خالص است. تأثیر سوسپانسیون نانوافزودنیهای اکسید روی، مس و زیرکونیوم در روانکنندههای روغنی بررسی شد.
همچنین تأثیر افزایش نانوذرات اکسید روی، مس و زیرکونیوم در کاهش ضریب اصطکاک و سایش روغن روانکننده پلی آلفااولفین بررسی شد. تحقیقات نشان داد افزودن همه نانو ذرات، موجب کاهش اصطکاک و سایش نسبت به روغن پایه شده است. همچنین نقش نوع و مقدار نانوذرات در کاهش ضریب اصطکاک و سایش نشان داده شده است. نتایج نشان داد اکسید روی و دی اکسید زیرکونیوم رفتار ضدسایشی یکسانی را از خود نشان دادهاند. همچنین محتوای ۵۰ درصد وزنی از ZrO2 و ZnO بهترین عملکرد را در کاهش ضریب اصطکاک و سایش دارا هستند.
طلا بهترین و مناسبترین پوشش برای جداره داخلی سیلندرهاست، ولی به دلیل قیمت بسیار بالای طلا و محدودیت در روشهای ریزکردن آن، کمتر از آن استفاده میشود. بهکارگیری نانو ذرات طلا در روانکارها موجب افزایش پایداری دمایی، افزایش پایداری شیمیایی، آببندی بسیار مناسب به دلیل نرمی طلا، افزایش رسانایی حرارتی، افزایش قابلیت جذب سطحی و در نتیجه فعالیت بالاتر روانکارها شده است.
کاهش اصطکاک و رفتارهای ضدسایشی نانو ذرات به اندازه، شکل و غلظت آنها بستگی دارد. اندازه آنها غالباً در محدوده ۱۲۰-۲۰ نانومتر است. تأثیر اندازه ذرات با استفاده از نانوذرات طلای ۵ تا ۲۰ نانومتر بررسی شد و نتایج نشان داد نانو ذرات طلای ۲۰ نانومتری اثر بیشتری در کاهش اصطکاک و سایش نسبت به نانوذرات طلای ۵ نانومتری دارند.
اثر نانوذرات مس، روی سطوح اصطکاکی با استفاده از روش دینامیک مولکولی بررسی شد و نتایج تحقیق نشان داد تأثیر نانوذرات مس، روی کاهش اصطکاک در سرعت های پایین بیشتر از سرعت های بالاست که علت آن تشکیل فیلم نانو ذرات مس روی سطح است.
تحقیق دیگری روی پایه سیلیکون با استفاده از فیلم اکتان تیول خودآرایی شده شبه ساندویچی حاوی نانو ذرات نقره صورت پذیرفته است. آزمایشهای تریبولوژی انجام شده نشاندهنده تشکیل یک فیلم سهلایههای است. این فیلم سهلایهای به علت ساختار شبه ساندویچی خود باعث کاهش اصطکاک و سایش میشود.
لایه درونی این فیلم سه لایهای به عنوان یک بستر اولیه برای چسبیدن نانوذرات روی پایه سیلیکونی عمل میکند. لایه وسطی که حاوی نانوذرات نقره است قادر به افزایش ظرفیت حمل بار و لایه بیرونی، فیلم اکتان تیول خودآرایی شده است که نرم بوده و میتواند تنش برشی را کاهش دهد.
نانو ذرات کلوئیدی
مکانیسم کاهش اصطکاک و خواص ضدسایشی نانو ذرات در روانکنندهها به صورت تأثیر کلوئیدی، تأثیر غلتشی، لایه محافظ و جسم سوم گزارش شده است مکانیسم عمل نانوذرات جامد کلوئیدی را در روغنهای روانکار بررسی شده است. مطالعات نشان میدهد در فیلم نازک، نانو ذرات کلوئیدی به صورت تماسهای هیدرودینامیک کشسانی از طریق مکانیسم به تله افتادن مکانیکی نفوذ میکنند.
کلوئیدها در سرعتهای پایین تماسهای غلتکی، لایه مرزی به ضخامت حداقل یک یا دو برابر اندازه ذره تشکیل میدهند. ، محدوده وسیعی از نانوذرات جامد کلوئیدی را با استفاده از آزمون چهار ساچمه مورد ارزیابی قرار دادند. رسوب محصولات واکنش اصطکاکی تولیدشده توسط نانو ذرات در طول فرایند میتوانند منجر به تشکیل لایه مرزی و کاهش تنش برشی شود.
باید به این نکته نیز توجه کرد که همه محصولات واکنش در فرایند روانکاری نمیتوانند سبب بهبود مقاومت در مقابل سایش شوند. برای مثال نانو ذرات CeF3 فشار بسیار خوبی از خود نشان دادهاند و عملکرد مناسبی نسبت به کاهش اصطکاک داشتهاند، ولی خواص ضدخوردگی خوبی را دارا نیستند. دلیل این رفتار سطح اتمهای F- درCeF3 است که خاصیت شیمیایی فعالتری داشته و در نتیجه خوردگی افزایش مییابد.
نانو افزودنی اسید بوریک (H3BO3)
ساختار لایهای بلوری اسید بوریک موجب خاصیت خود روانکنندگی آن میشود. آزمونهای اصطکاک و سایش با قرصهای اسید بوریک توسط دستگاه میله روی صفحه انجام میشود. پاشش پودرهای اسید بوریک به سطوح لغزشی به طور چشمگیری موجب کاهش ضریب اصطکاک شده است. نتایج نشان میدهد پاشش پودرهای اسید بوریک به سطوح تماسی، موجب کاهش ضریب اصطکاک از ۰/۸ به کمتر از ۰/۵ شده است.
همچنین نتایج عملکرد روانکاری از طریق اندازهگیری ضریب اصطکاک توسط آزمایش میله روی صفحه تعیین شده است. هنگامی که از PAO خالص استفاده شده، متوسط ضریب اصطکاک حدود ۰/۱۵ بوده است، ولی هنگامی که از ۵ درصد وزنی نانو ذرات اسید بوریک استفاده شده، ضریب اصطکاک ۰/۴۰ کاهش یافته است . اثر افزودنیهای بور روی عملکرد روغن موتور بررسی شده است.
از روغن پایههای حاوی دو نوع ترکیب بور با غلظتهای مختلف استفاده شد و نتایج، نشاندهنده تشکیل یک تریبو فیلم در شرایط مرزی یا روانکاری مخلوط است. همچنین نتایج بدست آمده نشان داد افزایش ترکیبات بور، سبب کاهش ضریب اصطکاک از ۱۰ تا ۵۰ درصد در شرایط آزمایشی متفاوت میشود. غلظت بهینه ۴ درصد برای اسید بوریک و نیز نیترید بور ششوجهی بدست آمد.
نانو ذرات و نانو صفحات دی سولفید تنگستن (WS2)
نانو افزودنی WS2 را به عنوان روانکننده جامد نه تنها در شرایط متعارف بلکه تحت شرایط دشوار، مانند دما و فشار بالا، بار زیاد، خلأ زیاد، تابش و محیط خورنده میتوان به کار برد. این نانو افزودنی دارای ساختار لایهای بسته ششضلعی است که در شکل (۴) نشان داده شده است. هر اتم تنگستن به دو اتم سولفور متصل است. اتم تنگستن و سولفور با پیوندهای قوی شیمیایی به یکدیگر متصل شدهاند، در حالی که اتمهای سولفور با پیوند ضعیف مولکولی به یکدیگر اتصال دارند.
استفاده از نانو افزودنی WS2 در سیستمهای هیدرولیک میتواند به کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک کمک کند. این نانو افزودنی، با کاهش اصطکاک و بهبود روانکاری، موجب بهینهسازی مصرف انرژی در این سیستمها میشود.
نانو افزودنی WS2 یک ترکیب شیمیایی بیاثر است که به سختی در محیطهایی مثل آب، روغن، الکل و اسید حل میشود ولی به گاز فلوئور، اسید سولفوریک داغ و اسید فلوئوریدریک حساس است. این ترکیب غیر سمی بوده و موجب زنگزدگی و خوردگی فلزات نمیشود. همچنین دارای مقاومت حرارتی بالایی بوده و نسبت به اکسید شدن مقاوم است.
شکل (۴): ساختار کریستالی دی اکسید تنگستن
اثر افزودن نانوذرات WS2 به روغنهای پایه در بهبود خواص تریبولوژیکی
بررسی اثر افزودن WS2 به روغنهای پایه در محدوده گستردهای از شرایط عملیاتی برحسب فشار تماس، سرعت لغزشی و ویسکوزیته انجام شد. افزایش نانوذرات WS2 به روغنهای پایه، باعث کاهش ۵۰ درصدی ضریب اصطکاک در شرایط مختلف روانکاری میشود. بنابراین WS2 دارای خصوصیات برجستهای است که میتوان در زیر ذکر کرد:
- نانو افزودنی WS2 دارای قابلیت نفوذ بسیار خوبی در منافذ بسیار ریز است.
- مانع تخریب سطوح در تماس با یکدیگر میشود.
- باعث ایجاد سطوح خود روانکننده میشود.
این ویژگیها میتوانند در کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک بسیار موثر باشند، بهویژه در کاهش اصطکاک و سایش در سیستمهای هیدرولیک که منجر به بهبود عملکرد و صرفهجویی انرژی میشود.
از فیلم کامپوزیت WS2-Ni برای بهبود خواص تریبولوژی و مقاومت استفاده شد. نتایج نشان داد فیلم کامپوزیت حاوی مقادیر کم نیکل (۵ درصد) دارای مقاومت سایشی بالاتری نسبت به فیلم WS2 است. همچنین مشخص شد مقادیر بالای نیکل (۱۰ درصد) دارای نتیجه معکوس بوده و سبب کمتر شدن مقاومت سایشی نسبت به فیلم WS2 میشود. این تغییرات در مواد افزودنی همچنین میتواند به کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک کمک کرده و کارایی سیستم را افزایش دهد.
در مطالعه دیگری این محقق و همکارانش از فیلم کامپوزیت WS2-Ag برای بهبود خواص تریبولوژی و مکانیکی استفاده کردند که فیلم کامپوزیت حاوی ۹ درصد نقره از مقاومت سایشی و قدرت چسبندگی بهتری نسبت به فیلم WS2 برخوردار است.
مطالب مرتبط
