Nacionalni projekti

arrs1.png

 

Raziskovalni projekti so (so)financirani s strani Javne agencije za raziskovalno dejavnost.

  • Članica UL: UL Fakulteta za strojništvo
  • Šifra projekta: J2-7115
  • Naslov: Nanoinženiring kontaktnih površin in mejnih filmov za doseganje zelenih tehnologij mazanja
  • Trajanje: 01.01.2016 - 31.12.2018
  • Letni obseg: 1,45 FTE
  • Vodja: prof. dr. Mitjan Kalin
  • Veda: Tehniške vede 
  • Sodelujoče RO: Povezava
  • Sestava projektne skupine: Povezava
  • Bibliografske reference: Povezava
Vsebinski opis projekta:

Projekt se osredotoča na snovanje novih, inovativnih, visoko-zmogljivih ter okolju prijaznih mejnih filmov v kontaktih, ki bi zadostili strogim zahtevam o omejevanju emisij toplogrednih plinov ter uporabi nevarnih snovi. Ti so nujni za delovanje večine visoko obremenjenih mazanih mehanskih sistemov.

Trenutne uredbe o zmanjšanju emisij že močno vplivajo na industrijsko/avtomobilsko panogo, medtem ko bodo stroge omejitve v prihodnje zahtevale opustitev ključnih in široko uporabljanih mazalnih aditivov. Kljub temu nova tehnologija mazanja zaenkrat še ni na voljo. Nepravočasna vpeljava učinkovitih rešitev, ki bi ugodile strogim zahtevam, lahko privede do zmanjšanja zmogljivosti in učinkovitosti strojev, ter negativnih tehničnih in ekonomskih posledic. Zamenjava obstoječih tehnologij z okolju prijaznim (zelenim) in hkrati visoko-zmogljivim mazanjem kontaktov sodi med najvišje prioritete na področju s tribologijo povezanega konstruiranja naprav, inženiringa površin in kemije maziv.

V okviru tega projekta smo konstruirali učinkovite zelene kontakte s kombiniranjem namenskih prevlek na osnovi diamantu podobnega ogljika (DLC), ki izkazujejo nizko stopnjo obrabe ter nizek koeficient trenja, in nenevarnih organskih aditivov (alkoholi, maščobne kisline). Ta novi zeleni koncept, ki je bil predlagan pred kratkim v naši skupini in čigar dokaz o delovanju predstavljajo naši preliminarni rezultati, je bil že deležen povečane pozornosti akademskih in industrijskih raziskav. Za industrijsko implementacijo le-teh paše vedno manjka nekaj ključnih dokazov in bazičnega razumevanja. V sklopu tega projekta je bilo tako za dosego zastavljenih ciljev izvedenih več nalog; (1) Zasnovan je bil eksperiment, kjer je bilo tribološko preizkuševališče implementirano v napravo z nevtronskim snopom za »in-situ« nevtronsko reflektometrijo na subnano-nivoju z namenom preiskave adsorpcije mejnih filmov. (2) Z uporabo mikrotehtnice s kvarčnim kristalom (QCM) je bila določena adsorpcijska kinetika mejnih filmov kot funkcija temperature in koncentracije, kar je ključno za razumevanje mehanizmov površinskih vezi. (3) Izvedena je bila verifikacijska tribološka študija pri realnih kontaktnih pogojih, kar je dalo odgovor o učinkovitosti mazanja in trajnosti tribološkega kontakta DLC-aditiv. (4) Tribološki filmi so bili podvrženi natančni površinski in kemijski analizi na nano-nivoju (XPS, AES, FT-IR, ToF-SIMS, AFM, optični interferometer), s čimer smo dobili manjkajoče informacije za razvoj nove zelene tehnologije mazanja. Ti cilji, skupaj z novim konceptom »DLC-okolju prijazni aditivi«, omogočajo postopne spremembe v zelenih tehnologijah mazanja in kontaktnega inženiringa, z znatnim učinkom na okolje, gospodarstvo in družbo.

Faze projekta in njihova realizacija:

Izvajanje projekta je potekalo v skladu z zastavljenim programom dela in cilji.

Nevtronska reflektometrija za izvedbo in-situ triboloških eksperimentov, za določitev debeline in gostote plasti aditivov, ki se tvorijo med tribološkim testom.

V okviru delovnega sklopa WP2 smo izvedli večino zastavljenih nalog. Zasnovali smo unikatno tribološko preizkuševališče za namestitev v nevtronski reflektometer (WP2) (Slika 1, Priloga) ter v sodelovanju s podjetjem Sulzer/Oerlikon Sorevi razvili novo/posebno tehnologijo nanosa DLC-prevlek na atomsko gladke površine brez vmesnih plasti za izboljšanje adhezije ter z izredno majhno debelino (WP1). V sodelovanju z raziskovalnim institutom v Modeni (CNR Nanoscience Institute, Unimore University of Modena, dr. Alberto Rota) smo pripravili tudi vzorce Fe-prevlek, ki so ustrezale vsem zahtevam nevtronske reflektometrije (WP1). Prav tako smo zasnovali nov postopek testiranja na nevtronskem reflektometru v prisotnosti tribološkega preizkuševališča.

V okviru delovnega sklopa WP2 smo najprej izvedli celovito študijo interakcij aditiva ZDDP z različnimi DLC-prevlekami (a-C, a-C:H, SiDLC) ter s Fe-prevleko. Eksperimente na nevtronskem reflektometru AMOR (PSI, Švica) smo izvedli pri statičnih ter dinamičnih pogojih (v prisotnosti tribološkega kontakta) pri različnih temperaturah ter za različne čase izpostavljenosti prevlek raztopini ZDDP. Rezultati te študije so bili nedavno sprejeti za objavo v reviji Frontiers in Mechanical Engineering. Pri tem je potrebno omeniti, da so bili eksperimenti in​-situ analize tribo​-adsorpcije z nevtronskim reflektometrom planirani že v drugi polovici leta 2016, vendar so bili zaradi nenadne in nepričakovane okvare nevtronske tarče odpovedani in prestavljeni na drugo polovico leta 2017. Zaradi tega so bili vsi nadaljnji eksperimenti zamaknjeni, kar je nekoliko vplivalo na potek dela in kasnejšo pridobitev rezultatov. Kljub temu je bila opravljena večina meritev, 2-3 članki so v pripravi.

Mikrotehtnica s kvarčnim kristalom (QCM) za določitev kinetike tvorbe adsorbiranih plasti (sicer stopnjo adsorpcije, prekritost površine, celotno adsorbirano maso) pri statičnih pogojih

V okviru delovnega sklopa WP3 smo opravili večino zastavljenih nalog. Pripravili smo vzorce za izvedbo študije kinetike tvorbe adsorbiranih plasti (WP3). DLC-prevleke so bile v sklopu sodelovanja s partnerjem Sulzer/Oerlikon Sorevi nanešene na zlate kvarčne kristale (WP1). V laboratoriju smo zasnovali lasten QCM sistem, ki omogoča merjenje adsorpcije aditivov iz viskoznega medija. S pomočjo tega sistema ter komercialne QCM tehtnice (Open QCM), ki je služila validacijo našega sistema smo izvedli preliminarne teste za adsorpcijo ZDDP aditiva ter heksadekanojske kisline na različne prevleke (Slika 2, Priloga). Detajlne meritve adsorpcije proučevanih organskih modifikatorjev trenja smo izvedli s QCMD v podjetju Total. Rezultati teh študij predstavljajo zelo dragoceno dopolnilno informacijo k rezultatom iz in-situ nevtronske reflektometrije (WP2) ter s tem k razumevanju adsorpcijskih mehanizmov iz delovnega sklopa WP6. Rezultati so bili predstavljeni na konferenci, članek je v pripravi.

Mazanje makro kontaktov. Študija tornega obnašanja na makro-skali in trajnosti izbranih kombinacij površin materialov/prevlek ter aditivov kot funkcijo temperature.

V okviru delovnega sklopa WP4 smo uresničili večino zastavljenih raziskovalnih nalog. V sodelovanju s partnerjem Sulzer/Oerlikon Sorevi smo po ustaljenem postopku pripravili vzorce DLC-prevlek (a-C:H, a-C:H:Si, a-C:H:F) na izbrane podlage (diski in kroglice iz standardnega ležajnega jekla) ter zasnovali izvedbo triboloških eksperimentov (kontaktni pogoji, temperatura,…). Izvedli smo tribološke preizkuse, in sicer najprej za ZDDP aditiv ter za različne kontaktne konfiguracije. Del rezultatov te študije (adsorpcija ZDDP na jeklo in različne prevleke) je bil objavljen v obliki raziskovalnega članka, drugi obsežnejši del rezultatov te študije pa je v fazi oddaje v revijo. Rezultati teh študij so bili predstavljeni na več mednarodnih znanstvenih konferencah. V nadaljevanju so bili izvedeni tribološki preizkusi v prisotnosti organskih modifikatorjev trenja pri različnih temperaturah (25 , 50 in 100 °C) za kontaktne konfiguracije jeklo/jeklo, a-C:H/a-C:H ter a-C:H:Si/a-C:H:Si. Članek je v pripravi, oddaja v revijo s faktorjem vpliva bo izvedena do konca leta 2019.

Kemijska karakterizacija površinskih mejnih filmov iz treh pod-študij delovnih sklopov WP2, WP3 ter WP4.

V okviru tega delovnega sklopa (WP5) smo izvedli obsežno karakterizacijo površin ter adsorbiranih/tribo plasti iz različnih delovnih sklopov (WP2-WP4 ter tudi WP7). Del analiz (XPS, TOF-SIMS, AES) se je opravilo pri slovenskem projektnem partnerju dr. J. Kovaču, del pa v laboratoriju TINT (ATR FT-IR, AFM ter optična interferometrija). Rezultati teh analiz so bistveno prispevali k razumevanju mehanizmov adsorpcije in mazanja.