Результат интеллектуальной деятельности: Способ управления трением в парах трения

Изобретение относится к управлению трением в парах трения и может найти широкое применение в различных отраслях техники, таких как станкостроение, транспортное машиностроение, приборостроение и других.

Из существующего уровня техники известны способы управления трением в парах трения, например способ управления трением в паре трения подшипника скольжения, заключающийся в том, что, исключая смазочные материалы, скольжение осуществляют между отдаленными слоями воздуха путем организации сжатых магнитных полей размещенных постоянных магнитов, при этом магниты устанавливают одноименными полюсами напротив на расстоянии воздушного зазора 0,1l÷0,6l, где 1 - расстояние начала нулевого реагирования постоянных магнитов, одновременно обеспечивая фиксированное расположение подвижной части подшипника скольжения за счет наличия сил магнитного отталкивания (RU 2311571 С2, опубл. 27.11.2007).

К недостаткам известного способа следует отнести его нетехнологичность, дороговизну и крайне высокую сложность реализации.

Наиболее близким к заявленному - прототипом - является способ регулирования трения в парах трения, заключающийся в выравнивании коэффициентов трения во вращающихся опорах, обеспечивая тем самым повышение эффективности и устойчивости компенсации сил трения вращения (RU 2242806 С2, опубл. 20.12.204).

В отличие от аналога способ-прототип относительно легко реализуем, однако обладает весьма нестабильным регулированием, обусловленным необходимостью опосредованного выравнивания коэффициентов трения во вращающихся опорах, основываясь на измеряемых параметрах положения оси, при этом во главу угла поставлено выравнивание коэффициентов трения, а не их прямое регулирование в широком диапазоне.

Означенное обстоятельство свидетельствует о том, что эффективность такого управления крайне низка.

Задача изобретения - обеспечение монотонного изменения коэффициента трения в широком диапазоне вплоть до очень низких значений в элементах пары трения при монотонном изменении разности потенциалов между ними при одновременном увеличении диапазона изменения коэффициента трения.

Технический результат - повышение эффективности управления трением в парах трения.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в способе регулирования трения в элементах пары трения предварительно на элементы пары трения наносят покрытие из дихалькогенида переходного металла, причем на один элемент наносят дихалькогенид переходного металла, легированный примесью, обеспечивающей полупроводник n-типа, а на другой - дихалькогенид переходного металла, легированный примесью, обеспечивающей полупроводник р-типа, при этом легирующие примеси используют в концентрации от 1 до 10 атомов примеси на 10⁷ молекул дихалькогенида переходного металла, затем на элементы пары трения подают постоянный ток с регулируемой разностью потенциалов, причем положительный потенциал подают на элемент с покрытием из дихалькогенида переходного металла, легированного примесью, обеспечивающей полупроводник n-типа, а отрицательный потенциал подают на элемент с покрытием из дихалькогенида переходного металла, легированного примесью, обеспечивающей полупроводник р-типа, при этом напряжение изменяют от 0 до напряжения пробоя сформированного элементами пары трения р-n-перехода, в качестве примеси, обеспечивающей полупроводник n-типа, рекомендовано использовать элементы 5-й группы Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, в качестве примеси, обеспечивающей полупроводник p-типа, рекомендовано использовать элементы 3-й группы Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, в качестве дихалькогенида переходного металла оптимально использовать MoSe₂ или MoS₂ или WS₂ или WSe₂, при этом максимальный эффект наблюдается, когда для обоих элементов пары трения используют одинаковый дихалькогенид переходного металла, при этом оптимально в качестве примеси, обеспечивающей полупроводник n-типа, использовать фосфор, а в качестве примеси, обеспечивающей полупроводник р-типа, использовать бор.

Изобретение основано на известном явлении снижения коэффициента трения дихалькогенидов переходных металлов при облучении их поверхности каким-либо ионизирующим излучением, обычно в вакууме. Еще с 1970-х годов известно, что облучение поверхности дихалькогенидов переходных металлов ионизирующим излучением приводило к необнаружимо малому в условиях эксперимента коэффициенту трения (Духовской Е.А., Пономарёв А.Н., Силин А.А., Тальрозе В.Л. Явление аномально низкого трения при электронной бомбардировке трущейся поверхности дисульфида молибдена/ Письма в ЖЭТФ. - 1974 (20), вып. 4, с. 268-272). Однако физический механизм этого явления до последнего времени оставался невыясненным. Работы авторов предлагаемого изобретения (С.Н. Григорьев, О.В. Лановой, А.М. Мандель, О.Б. Ошурко, Г.И. Соломахо / O механизме эффекта радиационного снижения трения в покрытиях из халькогенидов переходных металлов // Трение и износ. – 2013, т. 34, №3, с. 315-321; Веселко С.В., Кулиш С.М., Мандель A.M., Ошурко В.Б., Соломахо Г.И., Шарц А.А. / Динамическая электроупругая теория сухого трения // Труды научно-технической конференции «Трибология - машиностроению». М., «ИМАШ РАН», 19-21 ноября 2014, с. 219-221) позволяют понять этот механизм и предложить концептуально новый способ управления трением в парах трения.

В работах авторов для объяснения эффекта снижения трения под действием ионизирующего излучения было показано, что существует чисто «зарядовый» механизм, приводящий к уменьшению трения до аномально низких значений. Согласно этому механизму в диэлектриках и широкозонных полупроводниковых материалах в общем случае возникает следующая картина. Электроны с энергией ~2 кэВ проникают в вещество на глубину порядка 50-90 нм. При этом за счет ударной ионизации возникают многочисленные вторичные электроны с меньшей энергией и другой длиной пробега. В тонком поверхностном слое (порядка длины свободного пробега электрона) вторичные электроны всегда покидают поверхность, оставляя этот слой положительно заряженным. Сами же первичные электроны при торможении остаются захваченным в объеме образца на относительно больших глубинах (до 1000 нм). Часть вторичных электронов рассеивается в глубине образца, оставляя области с положительным зарядом, а часть рекомбинирует, снижая положительный заряд. Картину при этом осложняют токи утечки, диффузионные токи и т.п. В любом случае, в итоге возникает тонкий поверхностный заряженный слой, причем тонкий поверхностный слой - толщиной, равной длине свободного пробега электрона - как правило, все-таки заряжается положительно. Концентрация такого заряда, измеренная в практически аналогичных условиях в разных диэлектриках в работе (Semenov А.P. On the Possibility of Improving Antifriction Properties of MoS₂ Coatings by Alloying // Journal of Friction and Wear. - 2012 (33), no. 2, 160-165), составляла ~10¹⁹ элементарных зарядов/см³. Это вызывает между отдельными слоями силы отталкивания значительной величины. Даже в рамках макроскопического закона Амонтона-Кулона это эквивалентно снижению нормальной нагрузки и уменьшению силы трения. В работах проведены оценки этой силы, оказавшейся в согласии с экспериментальными данными. Установлены следующие факты, подтверждающие описанный механизм: (1) кривая эволюции коэффициента трения в дисульфиде молибдена во времени при включении и выключении внешнего ионизирующего облучения оказывается идентична известной кривой эволюции объемного заряда, созданного таким облучением в диэлектрике или широкозонном полупроводнике; (2) проведены оценки, показавшие, что концентрация зарядов, создаваемая в таких условиях в поверхностном слое покрытия, более чем достаточна для полной компенсации ван-дер-ваальсовых сил притяжения между отдельными слоями; и, кроме того, (3) известны сильные механические эффекты ионизирующего излучения (в частности, кулоновский взрыв). В результате очевидно, что самым простым и «естественным» механизмом практически полного исчезновения трения в покрытиях из полупроводниковых дихалькогенидных материалов во внешнем ионизирующем излучении является все-таки кулоновское отталкивание поверхностных слоев. Очевидно, что подобный зарядовый механизм снижения трения является достаточно общим и не зависящим ни от способа создания поверхностного заряда, ни от знака заряда поверхностных слоев.

Вышеприведенные работы позволили сформулировать предположение, что кулоновское взаимодействие в р-n-переходе элементов пары трения с подачей на них разнополярных потенциалов позволит управлять, по сути, коэффициентом трения путем изменения разности потенциалов, обеспечив снижение коэффициента трения на порядок и более. В самом деле, хорошо известно, что при подаче на р-n-переход «запирающей» разности потенциалов в области контакта возникают два слоя нескомпенсированного заряда - положительного в полупроводнике n-типа и отрицательного в полупроводнике р-типа. Тогда, если концентрация нескомпенсированного заряда в каждой такой области оказывается сравнима с концентрацией в эффекте отмеченной работы (Духовской Е.А., Пономарёв А.Н., Силин А.А., Тальрозе В.Л. Явление аномально низкого трения при электронной бомбардировке трущейся поверхности дисульфида молибдена/ Письма в ЖЭТФ. - 1974 (20), вып. 4, с. 268-272), то, очевидно, будут сформированы два новых интерфейса трения (один - в области нескомпенсированного положительного заряда, другой - отрицательного) с аномально низким трением в каждом интерфейсе по механизму, изложенному выше.

Это предположение нашло полное подтверждение в проведенных численных экспериментах метом молекулярной динамики. Так, показано, что нанесение на элементы пары трения покрытия из дихалькогенидов переходных металлов (причем на один элемент наносят дихалькогенид, легированный примесью, создающей полупроводник n-типа, на другой элемент наносят дихалькогенид, легированный примесью, создающей полупроводник р-типа) и управление коэффициентом трения путем изменения напряжения от 0 до напряжения пробоя, позволяет варьировать коэффициент трения μ от μ до величины, определяемой точностью численных расчетов, соответствующей 10^-7 μ.

Дихалькогениды переходных металлов являются традиционными материалами для антифрикционных покрытий. С другой стороны, известно, что дихалькогениды переходных металлов являются широкозонными полупроводниками, близкими к чистым диэлектрикам. Тем самым, возможно легирование этих материалов для создания полупроводников n- и р- типа. Из практики создания р-n-переходов известно, что в качестве примеси, создающей полупроводник n-типа, возможно использование элементов 5-й группы Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, а в качестве примеси, создающей полупроводник p-типа, возможно использование элементов 3-й группы Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. При этом установлено, что в свете поставленной задачи наибольшей стабильностью обладают следующие дихалькогениды переходных металлов: MoSe₂ (диселенид молибдена), MoS₂ (дисульфид молибдена), WS₂ (дисульфид вольфрама), WSe₂ (диселенид вольфрама) в сочетании со следующими примесями: создающей полупроводник n-типа - Р (фосфор), создающей полупроводник p-типа - В (бор).

С точки зрения достижения наиболее широкого диапазона регулирования коэффициента трения μ оптимально концентрацию легирующих примесей устанавливать от 1 до 10 атомов примеси на 10⁷ молекул дихалькогенида переходного металла. Установлено, что при количестве примесей менее 1 атома на 10⁷ молекул дихалькогенида переходного металла резко снижается чувствительность коэффициента трения μ к подаваемому напряжению (уменьшается диапазон регулирования), а при превышении количества примесей свыше 10 атомов примеси на 10⁷ молекул дихалькогенида переходного металла снижается напряжение пробоя (что также уменьшает диапазон регулирования).

Так, при концентрации носителей заряда порядка 10²² атомов на 1 м³ (порядка 9 атомов примеси на 10⁷ молекул дихалькогенида переходного металла) легко достигается сила кулоновского отталкивания порядка атмосферного давления (не ниже 10⁵ Н/м²).

Во избежание сомнений, отметим, что при изменении полярности подаваемого на р-n-переход напряжения (по аналогии с прототипом), коэффициент трения с возрастанием напряжения будет расти.

Пример реализации заявленного способа

В качестве примера реализации заявленного способа были проведены численные эксперименты метом молекулярной динамики. В экспериментах использовалась трехмерная сетка молекул из 20 слоев по 30*30=900 молекул в каждом. Верхней половине молекул (10 слоев) задавалась одинаковая начальная скорость, определявшая эту часть вещества как движущийся слайдер по поверхности подложки. Связи между молекулами устанавливались равными известной энергии химической связи (~2 эВ); между последним слоем слайдера и первым слоем подложки - энергии Ван-дер Ваальсова взаимодействия (~0.1 эВ). Молекулам второго и третьего слоев в слайдере приписывался положительный заряд, равный по величине усредненному заряду слоя в экспериментах по радиационному снижению трения; аналогичный отрицательный заряд приписывался второму и третьему (от слоя контакта слайдер-подложка) слоям подложки. Как оказалось, в этом случае действительно формируются два интерфейса трения в области заряженных слоев и латеральная сила, действующая на верхнюю часть слайдера при его движении оказывается равной нулю в пределах ошибки эксперимента.

Изложенное позволяет сделать вывод о том, что поставленная задача - обеспечение изменения коэффициента трения в элементах пары трения в широком диапазоне вплоть до очень низких значений при монотонном изменении разности потенциалов между элементами пары трения - решена, а заявленный технический результат - повышение эффективности за счет управляемого снижения трения и износа в парах трения - достигнут.

При этом

объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к управлению трением в парах трения и может найти широкое применение в различных отраслях, таких как станкостроение, транспортное машиностроение, приборостроение и других;

для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления;

объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.