Исследователи открыли неизвестный до сих пор механизм образования кавитационных пузырьков с помощью модельного расчета. В журнале Science Advances они описывают, как маслоотталкивающие и маслопритягивающие поверхности влияют на проходящий поток масла. В зависимости от вязкости масла в переходной зоне образуется паровой пузырь. Эта так называемая кавитация может повредить материал, напр. судовые гребные винты или насосы. Однако это может иметь и положительный эффект, так как может удерживать компоненты на определенном расстоянии и, таким образом, предотвращать их повреждение.
Исследователи материалов и трения хотели узнать, какое влияние химически различные поверхности оказывают на текучесть смазочного материала. В частности, их интересовало поведение потока в смазочных зазорах нанометрового размера, критический случай, близкий к граничному трению, то есть незадолго до того, как поверхности вступят в непосредственный контакт. Для этого они создали математическую модель, в которой варьировали вязкость смазки и поверхностные свойства стенок. «Мы были очень удивлены, обнаружив кавитацию в переходной зоне поверхностей, то есть на границе между маслопритягивающими и маслоотталкивающими», - сообщают д-р Ларс Пастевка и профессор Питер Гамбш из Института прикладных материалов КИТ.
Кавитация - это известное физическое явление, которого боятся из-за его разрушительной силы. «Существующие модели кавитации предполагают определенную геометрию, вызывающую кавитацию, например, сужение в насосе или корабельный гребной винт, обеспечивающий высокую скорость потока», - объясняет Пастевка. Здесь действует физический закон Бернулли, согласно которому статическое давление жидкости уменьшается с увеличением расхода. Если статическое давление падает ниже давления испарения жидкости, образуются пузырьки пара. Если давление снова возрастет, т.е. если скорость потока жидкости уменьшается после прохождения сужения в насосе, пар в пузырьках внезапно конденсируется, и они взрываются. Результирующие экстремальные пики давления и температуры приводят к типичным кавитационным кратерам и значительной эрозии даже закаленной стали.
«Этот внезапный взрыв пузырьков пара, однако, не происходит в большинстве трибосистем со смазкой», - говорит д-р Даниэле Савио, который тем временем начал работать в Институте механики материалов им. Фраунгофера во Фрайбурге. «Поскольку жидкостный зазор между двумя контактирующими поверхностями обычно очень узок, кавитационные пузырьки не могут расти и, следовательно, остаются устойчивыми. Кавитационный пузырь при этом не оказывает разрушительного действия и даже служит буфером, уменьшающим износ и трение поверхностей. поэтому важно создавать этот положительный эффект контролируемым образом», - добавляет он.
Имитационная модель Савио и его коллег подтверждает, что химически чередующиеся поверхности могут приводить к образованию кавитационных пузырьков. Их публикация в Science Advances начинается с вопроса о том, является ли кавитация правилом или исключением в ситуациях, когда смазка течет между двумя поверхностями. «Обычно поверхности в двигателях или системах цилиндров никогда не бывают однородными, то есть только маслопритягивающими или маслоотталкивающими», - отмечает Савио. «Эффект, рассчитанный нами, поэтому может наблюдаться везде, где существуют чередующиеся свойства соседних поверхностей в смазываемых двигателях и насосах».
До сих пор кавитация считалась геометрическим эффектом, возникающим исключительно из-за сил сдвига, скорости потока и разницы давлений. «Это совершенно новое открытие, что кавитация может также возникать в переходных зонах с переменными свойствами поверхности», - подчеркивает Пастевка. Исследователи убеждены, что за счет специальной настройки химического состава поверхности можно значительно улучшить взаимодействие между поверхностью и смазкой. В модельном моделировании наблюдалось улучшенное разделение поверхностей на 10%.
«Увеличение расстояния на 10 % означает, что обычные усилия и грузоподъемность подшипников скольжения могут быть увеличены», - добавляет Савио. В любом случае химия поверхности должна быть переоценена как элемент дизайна в машиностроении, соглашаются ученые.