吉耳纳米技术简介

纳米技术,即原子或分子规模(典型的1至100纳米)物质的操纵,已成为机械工程的有力工具。 纳米技术是无数机器中的基本组成部分 — — 从汽车传输和飞机发动机到工业机器人和风轮机 — — 其表面特性直接影响到效率、噪音、振动和工作寿命。 通过将纳米技术应用于齿轮表面,工程师可以实现以前无法实现的材料增强,而传统冶金或涂层技术则无法实现。 本条探讨了纳米技术和纳米结构技术如何转变齿轮性能、减少摩擦和磨损以及延长运行寿命 — — 所有这些都为动力排设计中的减重和能效开辟了新的可能性。

用于增强地表的纳米材料

已经探索和部署各种纳米材料,以改善齿轮表面特性。

  • 钻石-类似碳(DLC): DLC涂层显示超低摩擦系数(低至0.02)和极端硬度. DLC作为纳米级薄膜应用时,会显著降低重载齿轮接触中的滑动磨损和扭伤.
  • 金属二硫化物(MoS2,WS2): 这些层材料提供了极佳的固体润滑. 嵌入在齿轮表面或润滑油中的钼二硫化物或钨二硫化物的纳诺普粒子产生低 ⁇ 耳平面,降低摩擦力,防止金属- ⁇ -金属接触.
  • 葡萄糖和碳Nanotubes(CNTs): 石墨烯的高抗拉强度和热导力使其最理想地用于强化齿齿表面. CNT可以添加到涂料或润滑剂中,以提高载荷容量和热散.
  • 陶瓷纳米粒子(Al2O3,Si3N4,TiO2): 将陶瓷纳米粒子分散到金属基质(如无电镍或铜)中,产生具有出色的耐磨性和防腐蚀性的复合涂层.
  • 无结构硬皮层(TIN,CrN,TiAlN): 纳米层硝化物的物理蒸汽沉降(PVD)提供了硬,低的软皮表面层,可以抵抗擦伤和粘合的磨损.

纳米技术对地表水的惠益

增加可流水性和肥胖期

纳米涂层和纳米结构表面大大降低了微裂缝的启动和传播。 比如,在高接触压力下,2–3微米的DLC涂层可以延长齿轮寿命的百分之百。 纳米尺度的谷物边界阻碍脱轨运动,从而提升了经过处理齿轮侧的硬度。

减少滑动和能源损失

变速箱的软滑损耗占机械系统能源浪费的很大一部分。 纳米结构表面,特别是具有自润性能的表面,如MOS2或石墨烯强化涂层,可以比未涂装的钢降低30-50 % 的摩擦系数。 这直接意味着热发电减少、操作温度降低、以及可测量的燃料或电力节约。

腐蚀和氧化抗药性

在潮湿、海洋或化学攻击性环境中运行的齿轮容易生锈和发生裂纹. 以铝或硅为原料的纳米复合物涂层提供密集的惰性屏障,防止腐蚀剂到达底物,此外,某些纳米材料(如氧化钙纳米粒子)可以对齿轮金属和润滑油进行自由基的切除和缓慢的氧化降解。

强化润滑剂制度

添加到油或油脂中的纳米粒子在气温和接触界面平滑之间滚动,在操作过程中还沉积在金属表面,形成一种自我补充的保护性三波胶片。这种混合固体液润滑效应在齿轮启动、关闭或瞬间超载时常见的边界和混合润滑系统方面特别有益。

纳米技术应用于齿轮的技术

通过蒸汽机沉降的纳米剂

物理蒸汽沉降(PVD)和化学蒸汽沉降(CVD)被广泛用于沉积薄薄(0.5–5μm)纳米复合涂层. 磁性喷射或阴极弧蒸发等PVD过程产生密集的,井状的DLC,TiN或CrN层到齿齿轮表面. CVD方法,包括等离子增强CVD(PECVD),可以精确控制涂层成分和厚度,甚至对带有内线的复杂齿轮进行测算.

纳米结构的表面纹理

激光表面纹理(LST)和射尿可以在齿轮侧面产生正常的纳米尺寸模式(凹陷、凹陷或柱子)。这些纹理可以起到油库和陷阱的磨损碎片作用,减少摩擦并防止第三者骨折。 当与随后的纳米涂装相结合时,好处是添加了-衬线和涂层齿轮的摩擦率可以比未处理的低60%。

将纳米粒子嵌入润滑剂和表面层

直接将纳米粒子添加到变速箱油是一种简单、方便改装的方法。 MoS2、WS2、氧化石墨和CuO纳米粒子作为石油添加剂在市场上可以买到。 更先进的技术是,通过电解(如镍-二亚蒙德复合电镀)或通过纳米粉-金属混合物的热静态压(HIP),用纳米粒子表面浸渍纳米粒子,提供长效自我修复的三元特性。

溶胶和喷雾涂层方法

对于大型齿轮或野外修理,溶胶涂层提供液相途径,以产生纳米级陶瓷薄膜。 前体溶液被喷洒、浸泡或旋蚀到齿轮上,然后经过热解,形成硬氧化物层(例如TiO2或ZrO2)。 虽然厚度控制比聚氯乙烯更精确,但溶胶涂层可以就地应用,并且对中等性能收益具有成本效益。

挑战和限制

尽管纳米技术有其承诺,但融入齿轮制造面临着若干障碍:

  • 成本和可扩展性: PVD/CVD设备和高纯度纳米粒子仍然昂贵. 用于汽车或消费者应用的纳米装具齿轮的经济量生产需要进一步的工艺创新.
  • 粘合和粘合性:[ 薄纳米粘合物必须承受高赫兹接触应力(最高可达几GPa)和循环弯曲. 粘合性差会导致脱色和灾难性的失败. 高级的层间设计和表面激活正在开发,以改善粘合性.
  • 环境和健康问题: 纳米粒子如果在制造或处置过程中吸入或释放,就可能有毒。
  • 纳米结构的暂时可忽略性: 随着纳米结构表面的磨损或纳米粒子耗尽,一些纳米结构表面随时间而退化. 正在进行的研究侧重于在操作过程中释放新鲜纳米粒子的再生涂层(例如通过嵌入式储层).
  • 标准化和测试: 齿轮纳米涂装性能缺乏全行业标准。 在现实载荷、速度和温度下进行寿命测试是耗时的,但对于航空航天或医疗设备等关键应用的资质而言是必要的。

未来方向和新兴研究

以纳米贮器自燃

研究人员正在开发带有微量或纳米微量表面的齿轮,这些齿轮充当固体润滑剂纳米粒子的储油层。在负载下,孔孔孔会向接触区释放润滑剂;在闲置期间,毛细毛质会迫使人们重新吸收多余的材料。这模仿了生物润滑系统,并可能消除某些低载齿轮箱对油的需求。

具有感知能力的智能涂装

纳米复合涂层与导电纳米粒子(如碳纳米管)嵌入,可以作为磨损传感器的双倍。 通过对齿轮牙电阻的变化进行监测,工程师可以实时检测刚起伏的溅射或挤压。 这种“智能”齿轮表面将有利于预测维护和减少故障时间。

混合润滑系统

将纳米加固齿轮与纳米颗粒-增强油结合,可带来协同效益。涂层提供了永久的基准性能,而添加剂包则适应了不同的操作条件。 早期的测试表明,用石墨烯-石油悬浮物运行的DLC-加固齿轮在边界润滑下可实现0.01以下的摩擦系数。

生物电磁结构

受莲花叶和鲨鱼皮的启发,工程师们正在设计带有分级纳米微纹理的齿轮表面,以驱除污染物并促进石油扩散. 激光诱发的周期性表面结构(LIPSS)可以在钢齿轮上高速生产,形成降低摩擦和抑制食品加工设备细菌生长的规律.

结论

纳米技术提供了增强齿轮表面特性的变革性途径 — — 提高耐久性、减少摩擦和赋予全新的功能。 从DLC和MOS2纳米涂装到石墨内浸润润润滑剂和激光外衬表面,如今可用的工具已经通过可测量的边际提高了齿轮箱的效率。 成本、可伸缩性和环境安全的挑战仍然是积极研究的领域,但创新的步伐正在加快。 随着制造过程的成熟和标准出现,纳米技术将成为汽车、航空航天、可再生能源和工业自动化部门高性能齿轮设计的一个组成部分。 采用这些技术的工程师和设计师们现在将完全有能力提供下一代更安静、更强大、更有效的机械系统。

关于三溴化纳米涂料的进一步解读,请参考AZoM关于钻石的碳涂料和科学司对工程纳米涂料的概述[. 关于纳米颗粒润滑剂添加剂的技术审查,见本研究报告,载于《材料》. 纳米结构齿轮涂料工业案例研究,可查阅 Gear Technologyal Magine。