Projekti / Programi
Nanoinženiring kontaktnih površin in mejnih filmov za doseganje zelenih tehnologij mazanja
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.11.03 |
Tehnika |
Konstruiranje |
Specialna razvojna znanja |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T000 |
Tehnološke vede |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
Mazanje, trenje, obraba, tribologija, DLC prevleke, mejni filmi, onesnaževanje okolja, emisije, tehnologije zelenega mazanja
Raziskovalci (15)
Organizacije (2)
Povzetek
Predlagani 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 zelenim in hkrati visoko-zmogljivim mazanjem kontaktov sodi med najvišje prioritete na področju s tribologijo povezanega konstruiranja naprav, inženiringa površin in kemije maziv.
V predlaganem projektu bomo inovativno konstruirali učinkovite zelene kontakte s kombiniranjem namenskih prevlek na osnovi diamantu podobnega ogljika (DLC), ki izkazujejo nizko stopnjo obrabe ter nizek koeficient trenja, in povsem nenevarnih organskih aditivov (alkoholi, maščobne kisline). Ta novi zeleni koncept, ki je bil predlagan pred kratkim v naši skupini, je bil že deležen povečane pozornosti industrijskih in akademskih raziskav.
Dokaz o delovanju predlaganega koncepta tega projekta predstavljajo naši obstoječi relevantni preliminarni rezultati. Kljub temu za industrijsko implementacijo še vedno manjka nekaj ključnih dokazov in razumevanja.
V sklopu tega projekta bo za dosego zastavljenih ciljev izvedenih več edinstvenih ambicioznih nalog;
(1) Zasnovan bo nov in v svetu edinstven eksperiment, kjer bo tribološko preizkuševališče implementirano v napravo z nevtronskim snopom za »in situ« nevtronsko reflektometrijo na nano nivoju z namenom preiskave adsorpcije mejnih filmov pri sočasnem delovanju triboloških dejavnikov. Ta edinstven eksperiment bo nedvoumno razkril nastanek/odstranitev in fizikalne lastnosti novih zelenih mejnih mazalnih filmov neposredno v tribološkem kontaktu. Eksperiment bo izveden v odvisnosti od inženirsko pomembnih parametrov mazanja (temperatura in koncentracija aditiva).
(2) Z uporabo mikrotehtnice s kvarčnim kristalom (QCM) bo določena adsorpcijska kinetika mejnih filmov kot funkcija temperature in koncentracije, ki je ključna za razumevanje mehanizmov površinskih vezi.
(3) izvedena bo verifikacijska tribološka študija pri realnih kontaktnih pogojih, kar nam bo dalo odgovor o učinkovitosti mazanja in trajnosti zelenega tribološkega kontakta DLC-aditiv.
(4) Tribološki filmi iz zgoraj omenjenih tehnik bodo podvrženi natančni površinski kemijski analizi na nano nivoju (XPS, AES, FT-IR, ToF-SIMS), s čimer bomo dobili še zadnje manjkajoče informacije za razvoj nove zelene tehnologije mazanja.
Ti cilji, bodo skupaj z novim konceptom »DLC-okolju prijazni aditivi«, predstavljali svetovno noviteto, ki do sedaj še ni bila dosežena. Omogočili bodo postopne spremembe v zelenih tehnologijah mazanja in kontaktnega inženiringa, z znatnim učinkom na okolje, gospodarstvo in družbo.
Projekt bo posebej zagotovil dva temeljna, (a) znanstvenega in (b) industrijsko-aplikativnega, rezultata:
(a) Nedvoumno temeljno razumevanje kemijske narave, kinetike in nastanka organskih mejnih filmov na DLC prevlekah, z »in-situ« nano in makroskopskim ovrednotenjem.
(b) Učinkovito konstruiranje inženirskega kontakta na nano-nivoju, ki bo v celoti osnovan na zelenih tehnologijah mazanja.
Ta interdisciplinarni mednarodni projekt (4 države) bo izveden v sodelovanju z svetovno znanimi raziskovalci iz petih institucij, ki so že sodelovale med seboj: dve univerzi (Univerza v Ljubljani, Slovenija in Doshisha Kyoto University, Japonska), dva inštituta (Inštitut Jožef Stefan, Slovenija in Paul Sherrer Institute, Švica) in industrijska korporacija (Oerlikon Sorevi, Fr
Pomen za razvoj znanosti
V projektu bomo predlagali več povsem novih rešitev, ki predstavljajo znanstveni preboj na področju preučevanja mehanizmov mejnega mazanja DLC prevlek z organskimi zelenimi aditivi:
1. Prvič bo v objektu za nevtronsko reflektometrijo nameščeno in uporabljeno tribološko preizkuševališče, kar bo pri sočasnem delovanju različnih triboloških pogojev omogočalo raziskovanje adsorpcije z ločljivostjo, manjšo od nanometra.
2. Razvoj takšnega preizkusa bo razširil namembnost uporabe nevtronske reflektometrije na novo področje tj. inženiring površin in tribologijo.
3. Prvič bo za vrednotenje nastanka in odstranitve tribo-filmov med »in-situ« tribološkim dogajanjem sočasno izveden niz skrbno načrtovanih triboloških preizkusov in nevtronske reflektometrije.
4. Prvič bodo razkrite »in-situ« fizikalne lastnosti (debelina, gostota) mejnih adsorbiranih filmov kot funkcija inženirsko pomembnih mazalnih parametrov (temperatura in koncentracija aditivov).
5. Raziskava bo obravnavala popolnoma organske aditive ter različne DLC prevleke, in bo kot prva potrjevala učinkovitost nove in inovativne tehnologije mazanja.
6. Prvič bo izvedena primerjava med nanoskopskimi fizikalnimi lastnostmi tribofilmov, ki nastanejo v paru med DLC prevlekami ter okolju prijaznimi organskimi aditivi ter med DLC prevlekami v kombinaciji s sodobnimi aditivi (ZDDP). Pri tem bodo uporabljeni realni tribološki pogoji, ki bodo funkcija temperature in koncentracije aditivov.
7. S QCM bomo za izbrane kombinacije mešanic okolju prijaznih aditivov in baznih olj ter DLC prevlek pridobili celotne adsorpcijske izoterme. Dobljene izoterme bodo razkrile naravo in kinetične lastnosti adsorbiranih filmov, kot funkcije temperature in koncentracije za različne DLC prevleke. Pri tem bodo uporabljene različne DLC prevleke s širokim naborom tribokemičnih lastnosti, površinskih energij ter različni organski aditivi. Gre še za eno študijo, ki bo v svetu predstavljala novost.
8. Površinsko občutljive karakterizacijske tehnike bodo omogočile razkritje kemične narave adsorbiranih triboplasti različnih DLC prevlek, s širokim razponom tribokemijskih lastnosti, površinskih energij in različnih organskih aditivov. To hkrati predstavlja eno prvih tako sistematičnih in celovitih raziskav, ki je ključnega pomena za optimizacijo in prilagajanje kemije mazanja.
9. DLC prevleke in organski aditivi bodo raziskani v širokem razponu različnih makroskopskih triboloških parametrov. Na podlagi ugotovitev se bo ovrednotilo tribološko učinkovitost novega, okolju prijaznega koncepta mazanja, in predlagalo izboljšavo zasnove kontaktne površine. Če bo raziskava uspešna, bodo ugotovitve povzročile velik napredek na področju tehnologij mazanja.
Pomen za razvoj Slovenije
Projekt je v skladu z nacionalno in mednarodno zakonodajo in strategijami, mednarodnimi protokoli, ipd. (glej Poglavje 13), zato je vsebina projekta sama po sebi in neposredno pomembna za gospodarstvo in družbo.
Slovenija (in EU) ima močno industrijsko ozadje s številnimi podjetji, ki imajo neposredno korist z uvajanjem nizko-tornih in obrabno odpornih kontaktov, še posebej z zelenim mazanjem, kar bo postalo nuja v prihodnje. Številna so podjetja v Sloveniji in celo svetovne korporacije (glej pogl. 9.3), ki uporabljajo znanje TINT-a, kar dokazuje neposreden učinek TINT raziskav za ekonomijo in družbo, tudi v temeljnih projektih.
(1) Vpeljava DLC prevlek (nizko-trenje) v različne mehanske sisteme, predstavlja neizmeren potencialni gospodarski učinek in poziva k nenehnim izboljšavam in razvoju.
(2) Dokumentiran primer [Tribol.Int. 47 (2012)]: 30% celotne porabe goriva v avtomobilih gre na račun premagovanja trenja, kar pomeni 208.000.000.000 litrov v svetovnem merilu (2009), kar predstavlja 250.000.000.000 Evrov! Ko dodamo še druge industrijske sektorje, predstavlja to ogromen gospodarski učinek, četudi trenje zmanjšamo le za nekaj %.
(3) Enako velja za obrabo, saj DLC prevleke izkazujejo visoko obrabno odpornost. Samo v l. 2010 je trg Velike Britanije za inženiring površin, neposredno povezan z zaščito proti obrabi [A. Matthews, et all. The UK Surface Engineering Industry to 2010, NASURF] predstavljal 12.400.000.000 Evrov, kar kaže izjemen potencial DLC prevlek.
(4) Npr. Sulzer/Oerlikon Sorevi, vodilno podjetje v DLC tehnologiji, pomembno razširja DLC aplikacije v mnogo novih industrijah, tudi na podlagi znanja, ki so ga dobili s sodelovanjem v mnogih raziskovalnih projektih, tudi s TINT-om. Še več, prenos EU Patenta EP 2898237 iz TINT-a v Oerlikon, ki pravkar poteka, je neposreden dokaz učinka TINT raziskav na ekonomijo in družbo.
(5) V Sloveniji je kar nekaj industrijskih sektorjev z uspešnimi mednarodnimi podjetji. Pri tem so pogosto ključni materiali za njihove izdelke različne prevleke, in prav DLC prevleke imajo velik potencial za nadaljnje izboljšave.
(6) Ta projekt (v skladu s Kjotskim protokolom in Zakonodajo EU o emisijah) zelo vpliva na vse industrijske sektorje in na avtomobilski sektor. Pri tem je očitno, da ima onesnaževanje z emisijami toplogrednih plinov in nevarnimi snovmi ogromen vpliv na globalno segrevanje, podnebne spremembe, zdravje in tako na vse družbene sisteme.
(7) Zmanjševanje trenja bistveno izboljša izkoristek splošno energije in goriva in prispeva k ohranjanju naftnih rezerv, medtem ko manj obrabe zmanjšuje porabo surovin, investicijskih stroškov in vzdrževanja. Vse to zmanjšuje tudi emisije CO2. Zato sta tako zmanjševanje trenja in obrabe ter vpeljava čistejših okoljsko sprejemljivih tehnologij mazanja ključnega pomena za dosego teh ciljev in lahko izjemno vplivata na gospodarstvo in družbo.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
