Влияние параметров микронеровностей поверхности на процесс адсорбции

УДК 629.03

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ МИКРОНЕРОВНОСТЕЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ПРОЦЕСС АДСОРБЦИИ

В.Б. Косолапов, доцент, к.т.н.,

Ю.В. Рукавишников, ст. преподаватель, ХНАДУ

Аннотация. Рассмотрен вопрос влияния микрогеометрии металлических поверхностей на свойства адсорбированной на них пленки ПАВ. Проведено исследование теоретических основ формирования поля поверхности как функции параметров ее микрорельефа.

Ключевые слова: адсорбция, вицинальная грань, ступень “желе", электронный газ, микронеровность.

Введение

В узлах трения гидроприводов ключевым звеном, обеспечивающим снижение износа поверхностей трения, является адсорбированная на них пленка поверхностно-активных веществ (ПАВ). Ее параметры определяются природой смазочного материала, природой и микрорельефом поверхностей трения и режимом работы.

Как показали проведенные ранее исследования, улучшение адсорбционной способности ПАВ может быть достигнуто путем усиления взаимодействия ПАВ с поверхностью трения. Такое усиление возможно за счет формирования необходимого микрорельефа на поверхностях трения.

Цель и постановка задачи

Целью исследования является разработка теоретических основ влияния микрогеометрии металлических поверхностей на свойства адсорбированной на них пленки ПАВ.

Адсорбированный слой молекул ПАВ является функцией адсорбционно-десорбционного равновесия

WnAB = WT,

где Wu^ - энергия взаимодействия молекулы ПАВ с поверхностью трения; WT - тепловая энергия молекулы ПАВ.

Энергия взаимодействия молекулы ПАВ с поверхностью трения Wn^ является функцией поля ПАВ и поля поверхности трения. Поле ПАВ зависит от природы и для данного вида ПАВ является const. Поле поверхности трения является функци-

ей многих переменных, среди которых, при прочих равных условиях, основную роль играет ее микрорельеф.

Задачей данного исследования является установление функциональной связи между величиной поля поверхности трения и параметрами ее микрорельефа.

Теоретические основы поля поверхности как функции ее микрорельефа

Поверхности трибосопряжения современных машин имеют микронеровности столь малой величины что, характер их может быть описан через шероховатость граней кристаллов поверхностей.

Произвольную микронеровность в первом приближении можно представить в виде 2-х наклонных вицинальных граней, рис. 1.

Рис. 1. Микронеровность в виде 2-х наклонных вицинальных граней

Поверхность вицинальной грани может рассматриваться как состоящая из ступенек. Если грань (в случае двумерного кристалла) имеет индексы (п, I), то ступени образуются путем чередования

перемещении по горизонтали на п единиц, .кратных периоду решетки, и на одну единицу по вертикали. Вицинальные грани имеют удельную поверхностную энергию сф, мало отличающуюся от энергии основной (плоскоИ) грани Со. Отнесенная к единице длины основной грани величина сф может быть записана в виде

W

СТФ=СТ0 + NW =ст0 +у tga .

Электронная плотность вблизи ступеньки распределяется так, как показано на рис. 2 [1] (модель “желе”). Поверхностный «электронный газ» концентрируется в области фокусировки поля положительного фона металла.

Таким образом, в окрестности излома ступени экранируется лишь часть поля ионного остова. Это приводит к образованию вблизи вершины излома ступеньки положительно заряженных центров, сумма полей которых определяет величину поля ступеньки.

+0,4

5,0

-5.0

-10

10

х, ат.ед.

Рис. 2. Электростатический потенциал вблизи ступеньки в модели “желе”

Если допустить, что функция распределения поля на ступеньке является одинаковой для всех ступенек, образующих грань, то результирующее поле участка поверхности грани X будет равно сумме полей при вершинах ступенек “желе”, расположенных на этом участке.

величина поля грани такой неровности будет постоянна по всей грани и равна

/ • sin a 1 ю-sin a

ст = —----------------ю— =----------------------

I

a

a

Так как ю1, 1х и а являются константами по условию, то видно, что стх определяется величиной sina т. е. величиной угла наклона грани а. Чем больше угол а, тем больше стх, т.е. тем больше суммарное поле грани поверхности.

Анализ исследований показывает, вершины микронеровностей обладают некоторой кривизной и в идеальном случае стремится к образованию сферического сегмента при вершине с характерным радиусом кривизны Я1 [2].

Я,

Рис. 3. Кривизна микронеровностей

Вершина микронеровности может быть представлена в виде набора ступенек “желе” рис. 4.

Рис. 4. Поверхность при вершине неровности, образованная ступеньками “желе”

Вектор поля участка поверхности Е2 направлен по нормали к поверхности, а функция распределения поля вдоль поверхности может быть оха-растеризована плотностью локальных полей ступенек “желе” на поверхности грани.

ст = -

ю-N

X

Учитывая, что отдельная микронеровность характеризуется параметрами 1х, а, а, кх, то удельная

Высота ступенек “желе” в первом приближении может быть принята равной S = const и является функцией кристаллической решетки. [2, 3]

Из рис. 4 видно, что по мере перемещения к вершине сегмента происходит уменьшение Z a, и соответственно удлинение основной грани. В соответствии с выражением (4) можно сделать вывод, что при увеличении Z a, происходит уменьшение плотности поля поверхности.

0

Таким образом, плотность поля микронеровности распределяется по ней неравномерно, и на вершине микронеровности достигает своего минимума.

Для вычисления энергетических характеристик полуограниченных поверхностей металлов наиболее часто используется метод функционала плотности [4, 5].

Полная энергия ограниченной металлической поверхности является функционалом электронной пе(г) и ионной п,(х) плотностей: Е = Е[пе(г), п^г)]. Распределения концентраций па(г) должны минимизировать Е = Е [па(г)] при фиксированном числе электронов N и ионов Ni (Ие=И).

Ионная подсистема металлической поверхности моделируется однородным положительным фоном. Распределение ионов п,(г) жестко задано: п(г) = п+0(Я - г).

С увеличением радиуса кривизны на 5Я будет происходить уменьшение плотности желе Бп(г) [6]

8ni

где 5Я = Я5п+/3(п+ - 5п+). При этом изменение энергии электродного газа можно записать в виде

Я+5Я

5Е = -4п ^ ф

о

Для металлических поверхностей, в которых доля поверхностных атомов относительно невелика и энергия Е[пе(г)] представима в виде

« к

Е = N-в++ 4п Я1 .

к=0 Я

Чтобы определить энергетические характеристики металлической поверхности, необходимо установить вид функционала Ещ[па(г)].

Выводы

Рассмотренные идеализированные представления о распределении плотности поля поверхности с

учетом параметров микронеровностей позволяют сделать такие выводы:

- наличие неоднородности плотности поля поверхности неизбежно вызывает перераспределение электронной плотности электронного газа у поверхности. Плотность электронного газа увеличится на участках с повышенной плотностью поля поверхности и уменьшается на участках с уменьшенной плотностью поля поверхности;

- перераспределение электронного газа вблизи поверхности должно приводить к количественному изменению функции распределения поля на ступеньке “желе”, без изменения ее характера в целом;

- перераспределение электронного газа вызовет усиление локализации максимума поля при вершине субмикронеровности;

- определение поля участка поверхности микронеровности вблизи ее вершины вызывает значительные затруднения, поэтому его целесообразно определять с использованием эмпирических зависимостей устанавливающих связь между энергией поля и кривизны поверхности микронеровности. Для этого необходимо провести лабораторные исследования по изучению вклада кривизны вершин микронеровностей в результирующее поле поверхности.

Литература

1. Зенгуил Э. Физика поверхности. - М.: Мир,

1990. - 536 с.

2. Суворов А.Л. Структура и свойства поверхно-

стных атомных слоев металлов. - М.: Энер-гоатомиздат, 1989. - 296 с.

3. Потапов Л.Г. Автоионная микроскопия спла-

вов. - М.: Металлургия, 1981. - 193 с.

4. Теория неоднородного электронного газа / Под

ред. Лундквиста С., Марча Н. - М.: Мир, 1987. - 400 с.

5. Партенский М. Б. //Успехи физ. наук. - 1979. -

Т. 128. - С. 69.

6. Vannimenus J., Budd Н. F. //Sot St. Commun.

1974. - V. 15. - P.1739.

Рецензент: В.В. Ничке, профессор, д.т.н., ХНАДУ. Статья поступила в редакцию 9 февраля 2005 г.