автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Диагностика надмолекулярной структуры смазочного слоя методом поляризационной трибометрии

На правах рукописи

ЖЕЛЕЗНОВ Антон Геннадьевич

ДИАГНОСТИКА НАДМОЛЕКУЛЯРНОЙ СТРУКТУРЫ СМАЗОЧНОГО СЛОЯ МЕТОДОМ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ ТРИБОМЕТРИИ

Специальность 05.02.04 - Трение и износ в машинах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

11 ДПР 2015

005567501

Санкт-Петербург - 2015

005567501

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный университет»

Научный руководитель: БЕРЕЗИНА Елена Владимировна,

доктор технических наук, доцент

Официальные ЦВЕТКОВ Юрий Николаевич,

оппоненты: доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой технологии судоремонта ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова»

БРЕКИ Александр Джалюльевич,

кандидат технических наук, доцент кафедры «Машиноведение и основы конструирования» ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный

химико-технологический университет»

Защита состоится 28 мая 2015 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 002.075.01 в Институте проблем машиноведения Российской академии наук по адресу: 199178, Санкт-Петербург, В.О., Большой пр., д. 61.

С диссертацией можно ознакомиться в ОНТИ Института проблем машиноведения и на сайте института по адресу http://www.ipme.ru.

Автореферат разослан «£)--р» апреля 2015 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

В.В. Дубаренко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы обусловлена тенденцией отказа от использования в качестве присадок к смазочным материалам (СМ) химически активных соединений, содержащих, например, серу, хлор и фосфор. В качестве альтернативы таким компонентам перспективными представляются мезогенные соединения, способные к формированию на трибосопряжённых поверхностях физически адсорбированных граничных слоев (ГС). Их свойства отличаются от объёмных характеристик СМ вследствие надмолекулярной самоорганизации. Этому процессу, как в объёме, так и в ГС, способствуют присадки поверхностно-активных веществ (ПАВ), формирующие так называемые эпи-тропные жидкокристаллические (ЭЖК) слои.

Повышение смазочного эффекта за счет оптимальной молекулярной структуры смазочного слоя (СС) является предпочтительным ещё и с точки зрения экологической безопасности используемых СМ. Однако теоретическое описание и экспериментальное обоснование «структурного» смазочного действия, обусловленного надмолекулярной самоорганизацией, находится на начальном этапе. В связи с тем, что приповерхностный адсорбционный слой является структурно упорядоченным, актуальной представляется задача адаптации к описанию СС моделей мезоморфного состояния вещества и экспериментальных методик его исследования, например, поляризационной микроскопии.

Разработка моделей описанных выше структур, процессов, происходящих в них при различных режимах смазки, а также экспериментальных методов диагностики структуры и свойств СС является важной проблемой современной трибологической науки, решение которой имеет первоочередное значение для совершенствования научных основ разработки эффективных смазочных составов. Достижение прогресса в этой области позволит облегчить и ускорить процесс разработки новых эффективных и экологически безопасных СМ различного функционального назначения.

Степень разработанности темы. Молекулярное строение ГС в масштабе нескольких размеров молекул остаётся малоизученным вопросом как с точки зрения построения моделей строения ГС, так и с позиций экспериментальных исследований структуры и свойств таких образований. В литературе представлен ряд пространственных моделей (У.Б. Харди, А. Адамсон, Б.В. Дерягин, A.C. Ахматов и др.), описывающих предположительные молекулярные конфигурации в ГС. Идеологически наиболее близкими работами в направлении проблем молекулярной структуры СС являются работы Института металлополимерных систем HAH Беларуси (Б.Н. Купчинов и С.Ф. Ермаков). В работах этих авторов применены идеи физики жидких кристаллов для решения задач технической и биологической смазки. Вклад в теорию лиотропного жидкокристаллического состояния и практику применения мезогенных соединений в качестве трибоактивных присадок к СМ внесла

Н.В. Усольцева. Идею метода поляризационной трибометрии исследования СМ предложил в 1980-е годы В.А. Левченко.

Цель и задачи. Целью работы является разработка метода диагностики трибосистем с надмолекулярной самоорганизацией в смазочных слоях.

В работе решались следующие задачи:

1. Экспериментальное обоснование разработки метода диагностики мезогенного СС.

2. Создание прибора, позволяющего в режиме стационарного трения одновременно оценивать реологические и оптические характеристики трибо-системы со структурированным СС.

3. Построение гидродинамической модели течения СМ с присадками мезогенных компонентов.

4. Разработка теоретического описания взаимосвязи реологических и оптических эффектов при трении с использованием мезогенного СМ.

5. Проведение тестовых испытаний стандартных и модельных СМ с целью демонстрации возможностей разработанного метода.

Научная новизна

1. Предложена гидродинамическая модель течения СМ с мезогенными трибоактивными присадками в зазоре между параллельными плоскостями.

2. Теоретически обоснован метод поляризационной трибометрии исследования структурного состояния упорядоченных СС, основанный на анализе поляризованного света, прошедшего сквозь СС в процессе трения.

3. Разработана приборная реализация метода - поляризационный три-бометр, позволяющий в режиме стационарного трения одновременно оценивать реологические и оптические характеристики СС.

Теоретическая и практическая значимость

1. Разработана и реализована конструкция поляризационного трибо-метра, на которую подана заявка № 2014113720/28(021485) на патент РФ от 08.04.14.

2. Создан и экспериментально обоснован метод диагностики и испытаний мезогенных СМ на поляризационном трибометре.

3. Получены результаты диагностики СС модельных мезогенных СМ с помощью нового прибора и экспериментальной методики.

4. Результаты используются в учебном процессе на физическом факультете ИвГУ в лекционных спецкурсах, лабораторных практикумах, при выполнении курсовых и дипломных работ.

Методология и методы исследования. При решении задач использованы следующие методы исследования: 1. Математическое моделирование. 2. Оптическая поляризационная микроскопия. 3. Поляризационная трибометрия. 4. Ротационная вискозиметрия. 5. Дифференциальная сканирующая микрокалориметрия. 6. Трибометрия.

Положения, выносимые на защиту

1. Математическая модель течения СМ, трибоактивные присадки которого формируют упорядоченные ЭЖК-слои на поверхностях трения.

2. Теоретически обоснованный метод исследования структурного состояния СС при помощи анализа поляризованного света, прошедшего сквозь слой СМ непосредственно в процессе трения.

3. Приборная реализация разработанного метода диагностики - поляризационный трибометр - для одновременной регистрации реологических, триботехнических и оптических свойств СМ.

4. Экспериментальное обоснование эффективности предлагаемого метода при помощи исследования стандартных и модельных CK на поляризационном трибометре.

Соответствие паспорту специальности. Содержание диссертации соответствует следующим областям исследования паспорта специальности 05.02.04 - трение и износ в машинах: п.4 - «Смазочное действие: гидро- и газодинамическая смазка, гидро- и газостатическая смазка, эластогидродина-мическая смазка, граничная смазка», п. 8 - «Триботехнические свойства смазочных материалов», п. 11 - «Термодинамика и самоорганизация трибоси-стем», п. 13 - «Диагностика трибосистем», п. 14 - «Микро- и нанотриболо-гия».

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность и обоснованность основных результатов и выводов настоящей работы обеспечена согласованием теоретических результатов с полученными в ходе работы и анализа литературы экспериментальными данными; корректным применением известаых методик триботехнических и физико-химических исследований к выбранным классам СМ; применением статистической обработки результатов эксперимента.

Результаты, изложенные в настоящей диссертации, были представлены автором на следующих научно-технических конференциях (НТК), совещаниях, симпозиумах, семинарах и конкурсах научных работ: городском семинаре по механике ИПМаш РАН, Санкт-Петербург, 2015; юбилейной НТК «Проблемы машиноведения: трибология - машиностроению», Москва, 2014; школе-семинаре молодых учёных «Жидкие кристаллы: вчера, сегодня, завтра», Иваново, 2014; V Всероссийской НТК «Надёжность и долговечность машин и механизмов», Иваново, 2014; молодёжном научно-инновационном конкурсе «УМНИК», Ярославль, 2014; конкурсе «УМНИК» в рамках III Ивановского инновационного конвента «Образование. Наука. Инновации», Иваново, 2014; V Международном симпозиуме по транспортной триботехнике «Транстрибо - 2013», Санкт-Петербург, 2013; I, II, IV конференциях с элементами научной школы для молодёжи «Органические и гибридные наноматериалы», Иваново, 2008, 2009, 2013; региональной молодёжной НТК «Актуальные проблемы трибологии», Иваново, 2008; четырнадцатой Всероссийской научной конфе-

ренции студентов-физиков и молодых учёных, Уфа, 2008; IV Ивановском инновационном салоне «Инновации-2007», Иваново, 2007; I - IV научных конференциях молодых учёных Регионального научно-образовательного центра по наноматериалам «Жидкие кристаллы», Иваново, 2006 - 2009; научном семинаре кафедры общей и теоретической физики ИвГУ, 2013 -2015.

Исследования по теме диссертационной работы выполнены в рамках гранта Минобразования РФ 2009-2011 гг. (проект АЦВП № 2.1.2/4670), гранта Минобразования РФ 2014-2017 гг. (проект № 9.700.2014/К) и гранта победителя конкурса «УМНИК» фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (договор № 2677ГУ1/2014).

Публикации по теме диссертации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 14 научных работах, в том числе 2 статьях в рецензируемых научных изданиях, входящих в Перечень ВАК, 11 статях в сборниках научных трудов и материалах конференций.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, включающего 116 наименований. Работа изложена на 147 страницах машинописного текста, содержит 52 рисунка и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, раскрыты научная новизна и практическая значимость работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 проведен анализ опубликованных к настоящему времени данных по составу, структуре, свойствам и методам исследования ГС; рассмотрены основы реологии сплошных сред применительно как к объёму СМ, так и к ГС; приведены данные об индуцированной сдвигом оптической анизотропии и методах её исследования в СС с мезоморфной структурой; сформулированы выводы по обзору литературы; определены цель и задачи научного исследования; обоснован выбор материалов для экспериментальной части работы.

В главе 2 кратко охарактеризованы стандартные методы физико-химических и трибологических исследований СМ, такие как поляризационная микроскопия, мини-трибометрия, ротационная вискозиметрия, дифференциальная сканирующая микрокалориметрия.

Глава 3 посвящена экспериментальному обоснованию повышения смазочного эффекта при введении в состав СМ структурно-активных компонентов, формирующих ЭЖК-слои. Рассмотрен гомологический ряд эфиров холестерола: холестерилпеларгонат, холестерилкапринат, холестелилтриде-цилат, холестерилпальмитат, холестерилстеарат. При помощи метода ротационной вискозиметрии проведены исследования температурной зависимости вязкости указанных соединений как в области существования мезофазы, так и

и

п

Р

у, с

Рис. 1. Типичная зависимость энергии активации вязкости от скорости сдвига на примере пеларгоната холестерола.

при температурах, соответствующих изотропном)' расплаву. Экспериментальные данные аппроксимировались активационной моделью типа Аррениуса:

и_

Л = 110е«-, (1) где и - энергия активации вязкого течения, имеющая смысл потенциального барьера, который должны преодолевать молекулы для осуществления вязкого течения. Пример зависимости энергии активации вязкого течения от скорости сдвига приведён на рис. 1. Анализ зависимостей, подобных приведённой на рис. 1, свидетельствует, что энергия активации вязкого течения в мезофазе ниже, чем в фазе изотропной жидкости. Это означает, что в высоковязких анизотропных структурах, к которым относятся и ЭЖК-слои, облегчен процесс скольжения слоёв молекул друг относительно друга. Этот факт, с одной стороны, приводит к

Ш уменьшению эффективного

потенциального барьера вязкого течения (что снижает трение), с другой - обусловливает устойчивость СС.

В главе 4 описана схема (рис. 2) и принцип работы поляризационного трибометра. Происходит относительное вращение плоскопараллельных оптических окон с заданным зазором, заполненным СМ. В процессе испытания регистрируются момент трения и величина фототока. Имеется возможность изменения скорости рабочего движения в диапазоне от 20 до 110 об/мин, регулирования величины зазора с помощью микрометрического винта в пределах от 1 см до 30 мкм.

Рис. 2. метра:

Схема поляризационного трибо-1,2 - подвижное и неподвижное оптические окна, 3 — микрометрическое устройство, 4 — лазер, 5 - диафрагма, 6 - поляризатор-анализатор, 7 - фотоприёмник.

С целью автоматизации сбора экспериментальных данных было выполнено сопряжение разработанного прибора с персональным компьютером (ПК) при помощи программируемого логического контроллера ОВЕН ПЛК 154-А-220 (схема представлена на рис. 3).

ПЖ ¡.М-А-220

Питание: >20 В .'90 .261 В)

Рис. 3. Сопряжение ПЛК154-А-220, поляризационного трибометра и ПК.

В ходе тестовых испытаний модельных СМ на разработанном приборе были выработаны следующие методические рекомендации для проведения поляризационно-трибометрических исследований:

1) Приготовление гомогенного смазочного состава. 2) Очистка оптических стёкол пары трения. 3) Помещение исследуемого образца в чашу трибометра в объёме до 5 мл. Высоковязкие образцы следует равномерно распределить по чаше во избежание образования воздушных пузырей. 4) Запуск двигателя для проверки нуля отсчёта крутящего момента и установки начальной скорости вращения подвижного стекла (при необходимости установка нуля крутящего момента). 5) Подводка чаши к подвижному оптическому окну при помощи микрометрического устройства и установка необходимой толщины зазора. 6) Создание условий постоянства освещённости рабочей зоны. 7) Включение лазерного устройства и, при необходимости, установка нуля отсчёта интенсивности светового потока. 8) Одновременный запуск вала двигателя и системы автоматизированной регистрации данных на ПК. 9) Снятие показаний трибометра в течение не менее 30 с. 10) Остановка программы автоматизированной регистрации данных. 11) Проведение операций по уменьшению толщины зазора при помощи микрометрического устройства и установлению новой скорости вращения. 12) Удаление излишков исследуемого СМ. 13) Проведение операций, указанных в пп. 7-11, для повторного проведения цикла измерений. 14) Отключение двигателя и лазерного устрой-

ства, отключение прибора от сети. 15) Выведение чаши трибометра из-под подвижного оптического окна при помощи микрометрического устройства. 16) Удаление остатков СМ с поверхностей чаши и подвижного оптического окна. 17) Выгрузка файлов с расширением Лгс! из памяти ПК и их анализ. 18) Интерпретация полученных данных в соответствии с теоретическими положениями, изложенными в главе 5 настоящей работы.

В главе 5 первый раздел посвящен гидродинамическому описанию процессов, происходящих в объёме СМ и граничных ЭЖК-слоях при стационарном течении СМ в поляризационном трибометре предлагаемой конструкции. Приведены результаты математического моделирования сдвигового течения СМ для двух случаев структурообразования на поверхностях трения: 1) модель жёсткого срезаемого течением слоя с бесконечно большой вязкостью; 2) модель ЭЖК-слоя постоянной вязкости.

ф ( | Рассмотрена задача о движе-

нии вязкой жидкости в зазоре толщиной а? между неограниченными плоскостями, при их относительном вращении с постоянной угловой скоростью ю (рис. 4). Движение жидкости описывается уравнением Навье-Стокса, которое применительно к цилиндрически-симметричной задаче об установившемся течении вязкой несжимаемой жидкости для единственной ненулевой компоненты скорости V — (г, 2) записывается следующим образом: 1 э

AQ Y

т IN i1 i мин

d Г-tr г 1 R <

T i 1

i

i i

-3 ,2 ■1

л

Q

гдг

Рис. 4. Схема рабочей ячейки поляризационного трибометра: 1,3 — ЭЖК-слои, 2 — СС, Л - лазер, А - поляризатор-анализатор, Ф - фотоприёмник.

ничными условиями (3) позволило получить выражения поля скоростей в слое (4) и момента сил вязкого трения (5):

ЛТ]еС0Й4

Граничные условия имеют вид:

L-*. (3)

v(r, 0) = 0; v{r, d) = cor Решение уравнения (2) с гра-

v(r,z) = cor 7

а

М = . (5)

2 <1 У '

где г\е - эффективная регистрируемая прибором вязкость СМ, Я - радиус вращающегося диска.

В качестве исследуемой жидкости рассмотрим СМ с трибоактивной присадкой «структурного» действия, когда трибоактивный компонент образует приповерхностные ЭЖК-слои толщиной В модели жёсткого среза-

емого слоя полагаем, что вязкость r)s ЭЖК-слоя бесконечна, и жидкость с вязкостью т]0 совершает движение между двумя дисками в зазоре толщиной

h = d- 2ds. (6)

В этом приближении, с использованием уравнений (5) и (6), получено выражение, позволяющее рассчитать толщину формирующегося ЭЖК-слоя: d ^ = = тхпос^

s 2 2 2 4М V >

Измерение параметров d, t)0, w и М обеспечивает принципиальную возможность расчёта толщины ds пристенных слоев на поверхностях трения при помощи уравнения (7).

В модели ЭЖК-слоя постоянной вязкости жидкость в зазоре содержит пристенные структурированные слои толщиной ds с коэффициентом вязкости ris, между которыми заключён слой жидкости толщиной h с объёмной вязкостью т|0. Для решения задачи о движении такой двухфазной вязкой жидкости необходимо, в дополнение к уравнению (2), потребовать выполнения граничных условий, включающих условия сцепления пристенных слоев с поверхностями, а также сопряжения скоростей и касательных напряжений на границах раздела областей с различными вязкостями. Таким образом, имеем: Г 1^(0,2) = O.-ViO.O) = Oj^Cr.dJ = v2(r,ds);

joiCr,^) = a2(r,ds);v2(0,z) = 0;v2(r,d - ds) = i73(r,d-ds); (8) (o2(r,d-ds) = o3(r,d - ds); Vj(0,z) = 0; v3(r,d) = шг где О; = av2i = rji i = 1,2,3 - напряжения в областях 1,2 и 3 (рис. 4).

При решении уравнения (2) с граничными условиями (8) методом Фурье были найдены выражения для полей скоростей в каждой из областей 1, 2 и 3 (рис. 4), позволившие рассчитать напряжение силы вязкого трения и момент этой силы М, действующий на подвижный диск радиуса R:

_ Г|о иг тгпрый4

откуда получено расчётное выражение для толщины ЭЖК-слоя в модели слоя постоянной вязкости:

= 00)

Is

Выражение (10) позволяет по известным значениям объёмной вязкости г]0 и вязкости Г],, измеренной на сверхтонких прослойках, когда в слое присутствуют только ЭЖК-слои, рассчитать толщину слоя, состоящего из адсорбированных поверхностями трения молекул трибоактивных присадок в случае течения двухфазного СМ между твердыми поверхностями.

Значение вязкости во многом определяет степень разделения взаимодействующих поверхностей. Разумно предположить, что эффективная вязкость граничных слоёв ть является функцией скорости относительного движения поверхностей и приложенных к СС напряжений, т. е. является характеристикой неньютоновского поведения ГС. Исходя из этого, толщина ЭЖК-слоя ds является функцией тех же параметров. Этот факт свидетельствует о

том, что эффективность СК определяется не столько тем, какой толщины граничный слой способны формировать трибоактивные компоненты СМ, сколько устойчивостью этого слоя при изменении условий трения.

Второй раздел главы 5 посвящен теоретическому описанию индуцированной сдвигом оптической анизотропии СС и решению задачи об идентификации упорядочения СС в процессе стационарного сдвига.

В модели жёсткого срезаемого слоя со структурно-активными частицами оптическая анизотропия образца пропорциональна среднему значению модуля градиента величины скорости потока, которое, с учётом (3) и при условии г — ¿а « г, имеет вид:

= (11>

Тогда величина двойного лучепреломления в рассматриваемой модели будет выражена как:

Д щ = О0п0]М^ = ^(г + (12)

где О0 — динамооптическая постоянная СМ.

Вследствие возникновения двойного лучепреломления, в образце распространяются два луча света с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации, разность фаз между которыми равна:

8=?Д=^Дпо(«1-2 = + (13)

АЛ Л \ ог /

где А. - длина волны излучения.

Поскольку свет, прошедший сквозь анизотропную среду, превращается в эллиптически поляризованный, фотоприёмник регистрирует интенсивность излучения, которая, с учётом (13), имеет вид:

/=/о5/„2!2^3»(1 + <Ё^!)> (14)

где V = ы • г - линейная скорость относительного перемещения поверхностей пары трения в зоне измерения на расстоянии г от оси вращения (рис. 4).

В качестве количественного параметра анизотропии СС выступает значение интенсивности светового потока. Следует отметить, что модель жесткого срезаемого слоя может бьпъ справедлива лишь для случаев малых нормальных и касательных напряжений и адсорбционно-активных поверхностей, формирующих тонкие, сильно связанные с поверхностью ГС, что справедливо скорее для хемосорбированных слоёв. В связи с этим желательно рассмотрение модели, учитывающей наличие конечного значения вязкости.

В модели ЭЖК-слоя постоянной вязкости интенсивность светопро-пуекания определяется полями скоростей в каждой из областей 1, 2 и 3 (рис.4). На основе выражения для полей скоростей был определён средний по толщине зазора модуль градиента величины скорости и получена разность фаз обыкновенного и необыкновенного лучей в эллиптически поляризованном излучении:

S =

-Df¡|Vv(r)|

2nDl\o

|Vv(r)|

(cL - 2ds (l

(15)

Л " 4 " X

Рассмотрение двух предельных практически важных случаев приводит к результатам:

1. Случай толстых слоев d» ds. Здесь 6 = у Л= С учётом того, что V = ы ■ г, получено:

2пОг|оО)Г

(1-й)-

/ = I0sin

2. Случай сверхтонкого СС d б =

2 рРт!0У

2тт ,_ 2ттСт]0азг

Т _ л

I = Lsin

тгРПоУ

1 - 2 —(l — —) d \ г|0/

(16)

(17)

(18)

Из (16) и (18) следует, что с ростом скорости сдвига интенсивность светопропускания должна расти, а затем — уменьшаться. Учитывая малую толщину ГС, разность фаз обыкновенного и необыкновенного лучей будет столь невелика, что наблюдать периодичность значений интенсивности в экспериментах по изучению ламинарного течения возможности практически нет.

Глава 6 посвящена исследованию физико-химических и триботехни-ческих свойств СМ, способных к формированию мезоморфных СС, а также трибоактивных присадок. Раздел первый главы 6 касается рассмотрения свойств ПАВ и СМ на их основе. При выборе ПАВ для СМ были учтены следующие требования: 1) проявление трибологической эффективности при относительно малой концентрации; 2) различие в химической структуре и свойствах. Этим требованиям удовлетворяют такие ПАВ, как неонол 9/6 и неонол 9/10.

Исследования при помощи поляризационного микроскопа бинарной системы (неонол 9/10 - вода, 50 мае. %) показали наличие веерообразной текстуры (рис. 5). Неонол 9/6 формирует в водных системах ламеллярную фазу с текстурой миелиновых фигур.

Из вискозиметрических данных получена корреляция между параметрами мезоморфизма и смазочной эффективностью водных СМ. Кривые течения неонолоз

Рис. 5. Микрофотографии текстур в поляризованном свете: а) бинарная система неонол 9/10-вода с содержанием 50 мае. % ПАВ; б) бинарная система неонол 9/6 - вода с содержанием 50 мае. % ПАВ; николи скрещены, хЮО.

(рис. 6) свидетельствуют об их структурных различиях. Для ряда ПАВ выделяются области, в которых реализуется течение, близкое к ньютоновскому, и область резкого снижения вяз-

12

кости за счет разрушения коагуляционной структуры (неньютоновское течение).

а б

Рис. 6. Реологические исследования: а) кривые течения для неонола различной концентрации в координатах Кэссона г1^2 — у1/2; б) кривые течения для неонола 9/10, неонола 9/6 в координатах Кэссона Т1^2 — у1/2.

Существует диапазон концентраций (40 - 75 мае. %), когда вязкость системы резко возрастает (зона гелеобразования). Кривые течения гелеобраз-ного неонола приобретают характер неньютоновского по типу псевдопластичности. При гелеобразовании образуется особая «каркасная» коллоидная система. Образованная таким образом пространственная структурная сетка обладает эластичностью, оказывая меньшее сопротивление внешнему воздействию, что может быть полезно для триботехнических характеристик.

Триботехнические исследования бинарных систем с ПАВ проводились на мини-трибометре ТАУ-1. Испытанию подвергались 2 ПАВ в диапазоне концентраций от 0.1 мае. % до 100 мае. % (рис. 7). Следует отметить, что у всех исследованных веществ отмечалось уменьшение коэффициента трения в диапазоне гелеобразования (это концентрация, где наблюдается появление мезофазы и происходит резкий рост вязкости). При трении в режиме гидродинамической смазки коэффициент трения определяется вязкостью, поскольку отражает сдвиговое напряжение. Область неньютоновского состояния соответствует наибольшей трибологической эффективности для режима гидродинамического трения. Наши исследования показали, что неионогенные ПАВ способствуют более эффективной граничной смазке.

Отмечается критическое поведение, связанное с лавинообразным нарастанием вязкоупругих свойств. Зона гелеобразования снижает коэффи-

циент трения скольжения в гидродинамическом режиме за счет увеличения вязкости. Таким образом, намечаются пути к оптимизации составов СМ, исходя из принципов мезоморфизма, объемного и граничного состояния СМ.

0,30

—■— концентрат! -•—0.1 мае. % | —10 мае. % |

0,25-1 ц

0,05

0,10

0,20

0,15

0,25

2

3

4

2

3

4

Нагрузка, Н

Нагрузка, Н

а

о

Рис. 7. Зависимость коэффициента трения от нагрузки (в Н) при различной концентрации ПАВ: а) неонол 9/10; б) иеонол 9/6.

Результаты испытаний растворов ПАВ на поляризационном трибомет-ре (рис. 8) свидетельствуют о возникновении граничного упорядоченного слоя, наличие которого сказывается на оптическом отклике системы уже при толщинах зазора порядка 0,2 мм. Таким образом, проведение поляризацион-но-трибометрического эксперимента позволяет идентифицировать наличие пристенных молекулярных слоев.

Раздел второй посвящен применению метода поляризационной трибометрии к оценке трибологической эффективности смазочных композиций. Разработанные в теоретическом разделе положения подтверждаются при экспериментальном изучении 0,1% раствора олеиновой кислоты в индустриальном масле И-40А. Зависимость регистрируемой интенсивности светового потока от скорости скольжения приведена на рис. 9.

Линейные анизометричные молекулы олеиновой кислоты в растворе индустриального масла ориентируются потоком и создают анизотропный СС, что выражается в росте интенсивности светопропускания, а значит и в росте степени упорядоченности молекулярных слоев, что свидетельствует о справедливости выдвинутых теоретических положений. Важные результаты получены при изучении оптических свойств Литола-24 (рис. 10).

0,4

3 0,3 5

0,2

0,1

— ■ — 0,05 м/с

— •—0,11 м/с —А—0,17 м/с

0,0 0,2

0,4 0,6

мм

1,0

0,30 0,25 4 0,20

а

1.0.15 "" 0,10 0,05-

— •—0,05 м/с —•—0,11 м/с -А—0,17 м/с

0,0 0,2

0,4 0,6

с/, мм

0,8 1,0

Рис. 8. Поляризационно-трибометрические исследования растворов ПАВ:

а) бинарная система неонол 9/10-вода с содержанием 10 мае. % ПАВ;

б) бинарная система неонол 9/6 — вода с содержанием 10 мае. % ПАВ.

С целью расширения области применения разработанного метода представляло интерес решение вопроса о возможности применения поляризационной трибометрии к пластичным СМ. Их оптические и реологические свойства даже в толстых слоях должны быть подобны аналогичным свойствам граничных упорядоченных адсорбционных слоев. А если так, то их оптический параметр анизотропии - интенсивность светового потока - должен описываться уравнением (18). Тогда стоило ожидать, что при уменьшении толщины слоя регистрируемая интенсивность оптического сигнала должна увеличиваться. Именно такая зависимость и отмечается на рис. 10.

0,8 1,2 1,6

V. м/с

Рис. 9. Зависимость светопропуска-ния СС масла И-40А + 0,1% олеиновой кислоты от скорости скольжения для СС различной толщины, мм.

Тля, - Т ■

V

• —- — 0,4 м/с -•-0,6 м/с ,—» — 0,8 м/с -» — 1,0 м/с -•—1,2 м/с .... . .1. ■■-

г \ •

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 мм

Рис. 10. Зависимость светопро-пускания СС Литола-24 от толщины рабочего зазора при различных скоростях скольжения.

Ещё одним соединением, используемым в качестве компонентов СМ является неионогенное ПАВ синтамид-5. При проведении поляризационно-трибометрических исследований с веществом в состоянии поставки (50% водная паста) выяснилось (см. рис. 11а), что он ведёт себя в оптическом отношении как структурно-однородный СМ (интенсивность светового потока увеличивается с увеличением толщины слоя). Об этом же свидетельствует ньютоновское поведение момента силы трения в зависимости от скорости (рис. 116). Несмотря на отсутствие в синтамиде-5 структурирования в чистом виде, интересными оказались данные о структурообразовании в трёхкомпо-нентной системе синтамид-5 - вода - олеиновая кислота (рис. 12).

2,6 2,4 2,2

4

" 2,0

5

1,8

1,6-1

1,4

0,03 0,06 0,09 0,12 0,15

V, м/с

0,025 0,020

5 0,015

0,010 0,005

— ■ — 0,35 мм -•-0,25 мм

0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 V, м/с

а 6

Рис. 11. Поляризационно-трибометрические исследования ПАВ синтамид-5: зависимость интенсивности необыкновенного луча (а) и момента силы трения (б) от скорости вращения подвижного оптического окна.

а б

Рис. 12. Микрофотографии текстур образцов трёхкомпонентного СМ синтамид-5 - вода - олеиновая кислота состава 3:2:1,5 (а) и 3:2:1 (б); николи скрещены, хЮО.

Проведённые исследования позволили установить, что данный состав, претендующий быть подробно исследованным в качестве смазочного, обладает лиотропным мезоморфизмом, идентифицируемым как при помощи поляризационной микроскопии (см. рис. 12), так и при исследованиях на поляризационном трибомеггре, показавших максимальную интенсивность оптического сигнала в широком диапазоне скоростей и толщин рабочего зазора.

ВЫВОДЫ

1. В ходе экспериментальных исследований температурной зависимости вязкости холестерических жидких кристаллов показано, что повышение смазочного эффекта в трибосистеме с ЭЖК-слоями обусловлено более низкими, по сравнению с течением изотропной жидкости, значениями потенциального барьера относительного скольжения смазочных слоев.

2. Разработан и изготовлен поляризационный трибометр, позволяющий в режиме стационарного трения одновременно оценивать реологические, оптические (мезоморфные) и триботехнические характеристики СС, таким образом устанавливая связь между эффектами молекулярной ориентации в СС и силой трения.

3. Построена гидродинамическая модель течения СМ с трибоактивны-ми присадками, формирующими на поверхностях трения упорядоченные ГС в приближениях жёсткого срезаемого слоя и ГС постоянной вязкости. Получены выражения, позволяющие оценить равновесную толщину ГС в изотермических условиях трения.

4. Разработано теоретическое описание взаимосвязи реологических и оптических эффектов при трении с использованием мезогенного СМ, на базе которого предложен количественный метод исследования структурного состояния упорядоченных СС, основанный на анализе поляризованного света, прошедшего сквозь слой СМ непосредственно в процессе трения. Получены соотношения, пригодные для идентификации как граничного, так и объёмного упорядочения структурно-активных компонентов СМ.

5. Экспериментально продемонстрированы возможности применения нового метода диагностики надмолекулярной структуры смазочного слоя путём проведения тестовых исследований взаимосвязи гидродинамических, оптических и триботехнических характеристик как уже известных, так и модельных СМ с присадками структурного действия, обеспечивающими снижение трения за счет эффекта надмолекулярной самоорганизации в СС.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

Статьи в рецензируемых журналах из Перечня ВАК

1. Березина, Е.В. Аналитическое описание структурированного смазочного слоя / Е.В. Березина, В.А. Годлевский, А.Г. Железнов, Д.С. Фомичев // Жидкие кристаллы и их практическое использование. - 2014. - № 1. -С. 74-79.

2. Березина, Е.В. Регистрация индуцированной сдвигом оптической анизотропии смазочных слоев / Е.В. Березина, А.Г. Железнов, В.А. Годлевский // Жидкие кристаллы и их практическое использование. -2014.-№4.-С. 40-48.

Статьи в других изданиях

3. Железнов, А.Г. Об информативности совместного исследования оптических и механических свойств смазочного слоя / А.Г. Железнов, В.А. Годлевский, Е.В. Березина // Труды X юбилейной Всероссийской научно-технической конференции с участием иностранных специалистов «Трибология - машиностроению». М., Россия. 2014. - С. 49 - 50.

4. Березина, Е.В. Новые методы одновременной оценки оптических и три-бологических характеристик смазочных материалов / Е.В. Березина, В.А. Годлевский, А.Г. Железнов, Ю.Н. Моисеев, В.А. Сандлер, Д.С. Фомичев // Вестник Ивановского института ГПС МЧС России. -2014. - № 1. — С. 44 - 50.

5. Березина, Е.В. Определение толщины структурированного смазочного слоя при помощи поляризационного трибометра / Е.В. Березина, В.А. Годлевский, А.Г. Железнов, Д.С. Фомичев // Сборник материалов V Всероссийской научно-практической конференции «Надежность и долговечность машин и механизмов». Иваново, Россия. 2014. - С. 205 - 209.

6. Березина, Е.В. Исследование оптических свойств смазочных материалов в процессе трения / Е.В.Березина, В.А.Годлевский, А.Г.Железнов, Д.С. Фомичев // Сборник материалов V Всероссийской научно-практической конференции «Надежность и долговечность машин и механизмов». Иваново, Россия. 2014. - С. 197 - 200.

7. Березина, Е.В. Индуцированная сдвигом анизотропия смазочного слоя / Е.В. Березина, В.А. Годлевский, А.Г. Железнов, Д.С. Фомичев // Труды V Международного симпозиума по транспортной триботехнике «Транс-трибо - 2013». СПб., Россия. 2013. - С. 285 - 289.

8. Березина, Е.В. Взаимосвязь фазового состояния и трибологических характеристик бинарных систем ПАВ-вода / Е.В. Березина, А.Г. Железнов

// Материалы четвертой конференции с элементами научной школы для молодёжи «Органические и гибридные наноматериалы». Иваново, Россия. 2013.-С. 59-63.

9. Железнов, А.Г. Влияние строения эфиров холестерола на их реологические свойства и мезоморфизм / А.Г. Железнов // Материалы четвертой конференции с элементами научной школы для молодёжи «Органические и гибридные наноматериалы». Иваново, Россия. 2009. - С. 137 —

139.

10. Железнов, А.Г. Влияние химического строения на реологические характеристики производных холестерола / А.Г. Железнов // Материалы XIV Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых учёных. Уфа, Россия. 2008. - С. 102 - 103.

11. Железнов А.Г. Влияние химического строения на реологические характеристики производных холестерола / А.Г. Железнов // Молодая наука в классическом университете. Иваново, Россия. 2008. - С. 33 -34.

12. Железнов А.Г. Триботехнические исследования смазочных материалов с мезогенными присадками / А.Г. Железнов // Молодая наука в классическом университете. Иваново, Россия. 2008. - С. 64 - 65.

13. Железнов А.Г. Методические особенности вискозиметрических измерений по схеме «конус-плита» / А.Г. Железнов // Молодая наука в классическом университете. Иваново, Россия. 2007. - С. 91.

14. Железнов А.Г. Механизм структурообразования мезогенных соединений / А.Г. Железнов // Молодая наука в классическом университете. Иваново, Россия. 2006. - С. 62 - 63.

ЖЕЛЕЗНОВ Антон Геннадьевич

ДИАГНОСТИКА НАДМОЛЕКУЛЯРНОЙ СТРУКТУРЫ СМАЗОЧНОГО СЛОЯ МЕТОДОМ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ ТРИБОМЕТРИИ

Специальность 05.02.04 - Трение и износ в машинах

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано в печать 19.03.2015. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 0,89. Тираж 100 экз.

Издательство «Ивановский государственный университет» 153025, г. Иваново, ул. Ермака, д. 39 Тел. (4932) 93-43-41 E-mail: publisher@ivanovo.ac.ru