Композиция для получения покрытия для снижения механических потерь высокоскоростного ротора электрической машины

Композиция для получения покрытия для снижения механических потерь высокоскоростного ротора электрической машины относится к гибридным органо-неорганическим нанокомпозиционным покрытиям, способным снижать механические потери высокоскоростного ротора электрической машины в охлаждающей газообразной среде. Композиция включает золь с силикатной составляющей на основе водно-спиртового раствора тетраэтоксилана или метилтриэтоксилана и дополнительно содержит модифицирующую добавку в виде соединения, обладающего пиро- и/или пьезоэлектрическими свойствами с размером частиц и их агрегатов 50-100 нм, при следующем соотношении компонентов (вес.%): золь с силикатной составляющей - 96-99; модифицирующая добавка - 1-4. Использование в составе золя метилтриэтоксилана обеспечивает адгезию с нержавеющей сталью без высокотемпературной обработки и 11-12 класс шероховатости поверхности. Использование в качестве модифицирующей добавки кристаллов пьезоэлектрика турмалина в виде спиртовой суспензии или порошка кристалла обеспечивает антифрикционные свойства покрытия. 1 ил., 3 пр.

 

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.

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 SnO₂.

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.

Промышленная применимость заявленного изобретения подтверждается результатами экспериментов на модельной машине при частоте вращения ротора 18000 мин^-1. 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.

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.