Полимерные присадки на наноуровне меняют трение в граничной смазке

Каждый раз при запуске двигателя на его металлических поверхностях разворачивается скрытая молекулярная драма. По мере того как смазочные материалы становятся тоньше в погоне за энергоэффективностью, масляные пленки становятся хрупкими, и трение все больше зависит от процессов в зазорах толщиной всего в десятки нанометров. В этом режиме, известном как граничная смазка, наиболее важны не объемное масло, а присадки, закрепляющиеся на поверхностях. Команда Киотского университета и Киотского технологического института с наноточной точностью проследила, как присадка полиметилметакрилат (PMA) строит, упрочняет и перестраивает свою адсорбционную пленку во время скольжения.

Присадки PMA изначально не предназначались для борьбы с трением. Они вошли в смазочные материалы как загустители индекса вязкости – длинноцепочные полимеры, добавляемые, чтобы масло не слишком разжижалось при высоких температурах. Но позже исследователи обнаружили, что некоторые молекулы PMA несут полярные группы, которые прикрепляются к металлическим поверхностям, формируя смазочные пленки толщиной примерно 10-100 нанометров, снижающие трение и износ даже тогда, когда объемное масло уже не может разделить поверхности.

Чтобы изучить поведение этих пленок, киотская команда построила испытатель трения на основе микроэлектромеханических систем (MEMS). Вместо точечных контактов между шариком и диском исследователи изготовили пленочные образцы на кремниевых пластинах со скользящей поверхностью, шероховатость которой составляла всего 0,34 нанометра. Область скольжения обеспечивала широкий контакт площадью около 1 квадратного миллиметра, вовлекая гораздо больше молекул в явление трения, чем обычные испытатели. Электростатическая нагрузка удерживала поверхности в параллельном контакте с наноразмерным масляным зазором, а пьезоэлектрический столик обеспечивал скольжение со скоростью всего 0,05 микрометра в секунду.

Команда сравнила пять масел: базовое масло API Group III, масло с олефиновым сополимером (OCP) в качестве неадсорбирующегося контроля и три масла с присадками PMA с разной молекулярной массой и содержанием полярных групп. LowPMA1 и LowPMA2 имели молекулярную массу 30 000, но LowPMA1 содержал много полярных групп, а LowPMA2 – почти ни одной. HighPMA с молекулярной массой 430 000 нес много полярных групп. При изменении скорости сдвига базовое масло и масло с OCP показали классическое поведение, а все три масла с PMA демонстрировали выраженное скольжение при низких скоростях – и, что важно, коэффициент трения оставался низким на протяжении всей этой области. При каждом из трех приложенных напряжений масла с PMA поддерживали более низкое трение, чем базовое масло и масло с OCP.

Статистический анализ показал, что толщина масляной пленки всех трех масел с PMA превышала таковую для базового масла и масла с OCP. Но присадки расходились под нагрузкой. LowPMA1, богатый полярными группами, удерживал пленку на уровне примерно 30 нанометров независимо от напряжения, формируя жесткую, сильно адсорбированную пленку. LowPMA2, почти лишенный полярных групп, демонстрировал уменьшение толщины с ростом нагрузки до примерно 23 нанометров – более сжимаемую пленку из-за более слабых сил отталкивания между редко адсорбированными молекулами. HighPMA показал самую толстую пленку до трения – около 36 нанометров, – но после нагрузки она утончилась до примерно 27 нанометров, хотя коэффициент трения остался неизменным. Исследователи предполагают, что самые длинные цепи адсорбируются преимущественно на поверхности, а более короткие слабо оседают поверх них. Во время скольжения силы сдвига удаляют этот слабо связанный верхний слой, оставляя прочно закрепленную пленку, но присутствие жертвенного слоя до скольжения поддерживало низкое трение.

Результаты переводят молекулярную структуру напрямую в поведение пленки: количество полярных групп определяет жесткость адсорбированной пленки, а молекулярная масса определяет толщину и формирование чувствительного к сдвигу верхнего слоя. Для разработчиков смазочных материалов это означает, что молекулярную массу PMA и содержание полярных групп необходимо контролировать вместе. Исследователи также обнаружили, что масла с PMA показали слабую зависимость силы трения от нагрузки, указывая на то, что присадки не только снижают трение в граничном режиме, но и могут расширять область низкого трения до более высоких нагрузок. Ключевым следующим вопросом остается температурная десорбция полимеров.

Если будущие работы подтвердят, как эти наноразмерные пленки перестраиваются под воздействием тепла, путь к более эффективным двигателям станет значительно короче.