КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО РОТОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
COMPOSITION FOR OBTAINING COATING FOR REDUCING MECHANICAL FAILURES OF HIGH-SPEED ELECTRIC MACHINE ROTOR

Изобретение относится к гибридным органо-неорганическим нанокомпозиционным покрытиям, в частности к покрытиям, формируемым на основе эпоксисилоксанового золя, которым придают новые полезные свойства, например способность снижать потери трения поверхности ротора, вращающего со значительной скоростью в охлаждающей газообразной среде. Композиция может быть использована в виде покрытия поверхности высокоскоростного ротора для снижения механических потерь и нагрева.
Известны различные составы антифрикционных покрытий, которые наносятся на твердые контактирующих поверхности с целью снижения коэффициента трения и износа контактных поверхностей узлов трения и способы их нанесения.
Известен способ получения полимерного антифрикционного покрытия на поверхности изделия, включающий последовательно очистку указанной поверхности очищающим агентом, сушку очищенной поверхности, нанесение антифрикционного состава - раствора фторорганического поверхностно-активного вещества - эпилама - перфторполиоксиалкиленового или перфторированного соединения полиалкиленоксида путем погружения изделия в этот раствор, термообработку покрытия, отличающийся тем, что очистку и сушку поверхности изделия осуществляют в первой емкости, причем очистку проводят путем погружения изделия в емкость с очищающим агентом с применением ультразвука, сушку осуществляют под действием инфракрасных лучей, а нанесение антифрикционного состава и термообработку покрытия осуществляют во второй емкости, причем стадию нанесения антифрикционного состава проводят путем погружения изделия в емкость с антифрикционным составом с температурой 50-60°C при воздействии ультразвука с частотой 18-22 кГц, термообработку покрытия осуществляют с помощью инфракрасного излучателя, см. патент РФ №2280051.
Известен способ получения антифрикционного покрытия на контактирующих поверхностях преимущественно плунжерных пар топливных насосов высокого давления путем нанесения антифрикционного состава, содержащего фторорганическое соединение, отличающийся тем, что в состав дополнительно вводят диспергатор - неионогенное поверхностно-активное вещество, а в качестве фторорганического соединения используют перфторполиэфирокислоту с молекулярной массой 1400-5600 при следующем соотношении компонентов, мас. %: перфторполиэфирокислота - 65-75, диспергатор - 25-35, см. патент РФ №2391369.
В настоящее время для снижения механических потерь трения поверхность ротора шлифуют, добиваясь 11-12 класса шероховатости. Дальнейшее снижение потерь трения возможно при использовании иных эффектов.
Известна полисилоксановая композиция, которая включает золь на основе водно-спиртового раствора тетраэтоксилана с добавкой неорганической кислоты, например азотной или соляной, и солей металлов, например сурьмы, марганца и др., см. статью Шиловой О.А. Силикатные наноразмерные пленки, получаемые золь-гель методом, для планарной технологии изготовления полупроводниковых сенсоров. // Физика и химия стекла. Т. 31. №2. 2005. с. 270-293. В статье дан обзор золь-гель процесса получения пленок из золей на основе водно-спиртового раствора тетраэтоксисилана с добавкой кислоты и солей металлов.
2
Данную композицию золя используют для формирования пленок на материалах электронной техники путем центрифугирования (аналогично нанесению фоторезиста в полупроводниковой технологии) с последующей термообработкой для изготовления полупроводниковых газовых сенсоров на основе SnO.
Известна композиция для получения покрытия для снижения механических потерь высокоскоростного ротора электрической машины, см. Кручинина И.Ю. и др. Проблемные вопросы создания высокоскоростных мини-турбогенераторов и пути их решения, Информационно-управляющие системы, 2012, №4, с. 30, столбец 1, абзац 1 снизу.
Данная композиция выбрана в качестве прототипа заявленного технического решения.
Известная композиция является недостаточно эффективной для получения антифрикционного покрытия, способного уменьшать потери на трение о воздух в микротурбинах, поскольку приобретает необходимые свойства (прочность, сцепление с подложкой) только после термообработки при температурах 250-300°C и выше. Такая термообработка недопустима для ротора электрической машины, так как есть вероятность размагничивания отдельных частей ротора.
Задачей изобретения является создание композиции для получения покрытия, формируемого на основе силикатных золей и обладающего способностью снижать механические потери трения поверхности высокоскоростного ротора об окружающую среду.
Сущность изобретения как технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков.
Композиция для получения покрытия для снижения механических потерь высокоскоростного ротора электрической машины, которая включает золь с силикатной составляющей на основе водно-спиртового раствора тетраэтоксилана или метилтриэтоксилана с добавкой неорганической кислоты и модифицирующую добавку в виде соединения, обладающего пиро- и/или пьезоэлектрическими свойствами, выбранного из борсодержащих алюмосиликатов и титаната бария, с размером частиц и их агрегатов 50-100 нм при следующем соотношении компонентов (вес.%): золь с силикатной составляющей - 96-99; модифицирующая добавка - 1-4.
Непосредственным техническим результатом, достигаемым при реализации совокупности существенных признаков заявленного изобретения, является то, что нахождение в композиции сколов кристалла пиро- или пьезоэлектрика приводит к ионизации окружающего пространства при комнатной температуре, что в свою очередь приводит к антифрикционному эффекту по отношению к воздуху, т.е. улучшению аэродинамических свойств предметов, на которые нанесена заявленная композиция.
Использование в составе золя метилтриэтоксилана обеспечивает адгезию с нержавеющей сталью без высокотемпературной обработки и 11-12 класс шероховатости поверхности.
При использовании в качестве модифицирующей добавки кристаллов борсодержащих алюмосиликатов (турмалинов) в виде спиртовой суспензии или порошка кристалла, приводит к тому, что покрытие из такой композиции обладает антифрикционными свойствами за счет возникновения заряда на поверхности покрытия. Такой заряд способен создавать дополнительный слой между поверхностью предмета и окружающей средой. Пьезоэлектрические свойства турмалина используют в датчиках гидростатического давления, в акустической электронике, оптике, сложной радиотехнике.
Нижний предел введения модифицирующей добавки 0,01 г определяется снижением антифрикционных свойств. Введение модифицирующей добавки в количестве более 0,4 г нецелесообразно, так как само покрытие осыпается и теряет механическую прочность.
Пример 1
Заявляемая композиция может быть приготовлена следующим образом.
1. Приготовление силикатной составляющей золя: к 2 мл МТЭОС приливают 1,14 мл этилового спирта и по каплям 0,36 0,1 М раствора соляной кислоты и интенсивно перемешивают в течение 1 часа. Мольное соотношение компонентов в золе 1:0,535:1,25:0,002. Процентное соотношение: 28,08:58,18:13,7:0,04.
2. Введение в результирующий золь модифицирующей добавки: отбирают навеску золя, равную 2 мл, и смешивают со спиртовой суспензией порошка турмалина (10 мл этилового спирта и 0,2 г турмалина). В результате образуется мутный опалесцирующий золь.
3. Старение золя: золь выдерживают перед использованием в течении 2х часов на воздухе (в закрытой емкости) при комнатной температуре.
4. Нанесение покрытий на поверхность осуществляют с помощью распыления.
5. Сушка сформированных покрытий: в сушильном шкафу при температуре 65-80°C.
Пример 2
Получение состава, содержащего 0,2 г титаната бария размером частиц 60-80 нм Композиция готовится аналогично примеру 1. В качестве источника пьезоэлектических свойств используется титанат бария. Мольное соотношение компонентов в результирующем золе следующее: 1:0,195:0,54:0,0007:0,029 Процентное соотношение: 47,34:35,67:10:6,96 (этиловый спирт, МТЭОС, вода, неорганическая кислота и титанат бария).
Пример 3
Аналогично примеру 1. В качестве алкоксисоединения использован тетраэтоксисилан в тех же пропорциях.
1. Приготовление силикатной составляющей золя: к 2,24 мл ТЭОС приливают 1,14 мл этилового спирта и по каплям 0,36 0,1М раствора соляной кислоты и интенсивно перемешивают в течение 1 часа. Мольное соотношение компонентов в золе 1:0,536:1,25:0,002. Процентное соотношение: 25,55:61,94:12,47:0,04 (этиловый спирт, ТЭОС, вода и неорганическая кислота).
2. Введение в результирующий золь модифицирующей добавки: отбирают навеску золя, равную 2 мл и смешивают со спиртовой суспензией порошка титаната бария (10 мл этилового спирта и 0,2 г титаната бария). В результате образуется мутный опалесцирующий золь.
3. Старение золя: золь выдерживают перед использованием в течение 2х часов на воздухе (в закрытой емкости) при комнатной температуре
4. Нанесение покрытий на поверхность осуществляют с помощью распыления.
5. Сушка сформированных покрытий: в сушильном шкафу при температуре 65-80°C.
-1
Промышленная применимость заявленного изобретения подтверждается результатами экспериментов на модельной машине при частоте вращения ротора 18000 мин. На ротор было нанесено заявленное покрытие из титаната бария. При повышении температуры вала от 30 до 50°C наблюдалось существенное снижение общих механических потерь.
Заявленная органосиликатная композиция проста в приготовлении и удобна в эксплуатации. Производство этой композиции может быть реализовано промышленным способом в условиях серийного производства с использованием известных технических и технологических средств.