автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Физические модели и уравнения износа полимерных композиционных материалов

На правах рукописи --—

Седакова Елена Борисовна

Физические модели и уравнения износа полимерных композиционных материалов

Специальность: 05.02.04 «Трение и износ в машинах»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 6 СЕН 2013 005533539

Санкт-Петербург 2013

005533539

Диссертация выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт проблем машиноведения РАН

Официальные оппоненты:- Скотникова Маргарита Александровна

доктор технических наук, профессор, зав. каф. «Машиноведение и основы конструирования» Института металлургии, машиностроения и транспорта Санкт-Петербургского государственного политехнического университета

- Цветков Юрий Николаевич

доктор технических наук, профессор, зав. каф. «Технология судоремонта» Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова

- Годлевский Владимир Александрович

доктор технических наук, профессор Ивановского государственного университета

Ведущая организация: — Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей»

Защита состоится «17» октября 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 002.075.01 на базе Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт проблем машиноведения РАН по адресу: 199178, Россия, Санкт Петербург, В.О., Большой пр., д. 61. Телефон/факс: (812)321 -47-78/(812)321 -47-82

С диссертацией можно ознакомиться в ОНТИ Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт проблем машиноведения РАН Автореферат разослан // сентября 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес Совета.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

77

СО-,,

В.В. Дубаренко

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Статистический анализ отказов показывает, что более 80% подвижных сопряжений машин выходят из строя вследствие их повышенного износа. Поэтому для увеличения срока службы машин, оборудования и приборов необходимо проведение дальнейших исследований, приводящих к разработке мер для повышения износостойкости материалов пар трения. В современных условиях это приходиться реализовывать при резком возрастании требований к нагрузочно-скоростным параметрам трибосистем и окружающим условиям их эксплуатации. Трудность решения поставленной проблемы объясняется тем, что трение и изнашивание представляет собой сложный процесс, в котором тесно переплетены интересы разных фундаментальных и прикладных наук: механики, физики, физической химии, материаловедения. В настоящее время развитие потенциала фундаментальных и прикладных знаний в области трения и изнашивания и, в том числе, в области разработки антифрикционных материалов во многих случаях отстает от потребностей современного машиностроения.

В последние десятилетия полимерные материалы и композиты на их основе с различными мелкодисперсными наполнителями находят широкое применение в трибосопряжениях. Они обладают целым рядом высоких триботехнических характеристик и, особенно, способностью работать как в присутствии смазочного материала, так и при его отсутствии. Несмотря на перспективность этого направления, можно отметить недостаток теоретических разработок, направленных на оптимизацию свойств композитов. Существующая практика создания новых антифрикционных полимерных композитов основывается на некотором перечне эмпирических знаний, полученном из анализа экспериментальных исследований. Подобный подход не может учесть многообразие факторов, приводящих к созданию материалов с различной дисперсностью и пространственной структурой наполнителя, а также к созданию композиций наиболее подходящих к условиям их эксплуатации по заданной износостойкости в сочетании с требуемой теплопроводностью и нагрузочной способностью.

В данной работе рассматриваются актуальные проблемы науки о трении и изнашивании, связанные с определением триботехнических характеристик полимерных композитов, и вопросы триботехнического материаловедения, связанные с и оптимизацией состава композитов на стадии их разработки путем создания физических моделей износа, учитывающих комплексы параметров внутренних структурных характеристик композитов. В представляемой работе физические модели износа созданы как на основе традиционного уравнения износа, так и на основе оригинального уравнения износа с включением в них соответствующих физических структурных комплексов. Разработка универсального уравнения износа позволила создать метод ускоренного определения характеристик износа, что важно для оперативного внедрения новых композиционных материалов.

Цель работы состоит в разработке, теоретическом обосновании и практической реализации универсального уравнения износа, а также физических моделей износа, служащих для определения характеристик износостойкости полимерных композиционных материалов с учетом различных механизмов износа.

Задачи исследований: -разработка и обоснование универсального уравнения износа полимерных композиционных материалов в диапазоне рабочих нагрузок с привлечением методов термодинамики и акустической эмиссии;

-создание физических моделей композитов с дисперсным наполнителем; -разработка уравнений для расчета распределения контактного давления в композитах с различной структурой дисперсного наполнителя; -разработка физической модели износа для прогнозирования триботехнических свойств композитов;

-синтез алгоритма, позволяющего определять среднюю длину случайных агрегатов частиц наполнителя в зависимости от концентрации; -разработка системы диагностики износа композитов с использованием величин среднеквадратичных отклонений сигналов акустической эмиссии.

Методы исследований. В работе применены как стандартизованные методы исследований физико-механических характеристик, так и специально разработанное оборудование для испытаний на износ, а также оригинальные методы обработки экспериментальных данных. Все испытания на износ проводили на специально разработанной установке, которая реализует схему трения кольцо по плоскости или палец по диску. Используемая установка отличается тем, что позволяет варьировать величину нагрузки, перекрывая весь диапазон возможных значений рабочих нагрузок полимерных композиционных материалов. Физико-механические свойства материалов определялись на разрывной машине «Инстрон». Для изучения морфологии частиц износа использовалась система "Видеолаб 2.2". Регистрация сигналов акустической эмиссии АЭ производилась с применением стандартной установки АФ-15, с последующим использованием запатентованного автором метода анализа сигналов АЭ.

Новые научные результаты

1. Разработан и физически обоснован эмпирический закон изнашивания (ЭЗИ), описывающий износ полимерных композитов в диапазоне нагрузок от нуля до допустимых значений. Отличительная особенность ЭЗИ состоит в одновременном учете действующих составляющих изнашивания и их температурных зависимостей в рассматриваемом диапазоне нагрузок. Использование математического выражения ЭЗИ позволяет получить уточненные величины износостойкости композитов в области малых и средних нагрузок, что существенно для слабонагруженных узлов трения.

2. На основании исследования взаимосвязи структурных и физических характеристик составляющих композита получены математические выражения для определения структурного параметра - "нагруженность матрицы". Величина нагруженности матрицы характеризует распределение

давления между матрицей и наполнителем на поверхности трибоконтакта, что оказывает влияние на общую износостойкость композита.

3. Разработан критерий для оценки триботехнической эффективности наполнения композитов на стадии их разработки, который представляет собой величину износа композита по отношению к матрице. При выводе выражения для критерия использовались как стандартное степенное уравнение износа, так и математическое выражение ЭЗИ, преобразованные в физические модели износа за счет включения в них разработанного структурного параметра - "нагруженность матрицы".

4. Разработана физическая модель износа композитов на основе предложенного способа объединения коэффициентов ЭЗИ для матрицы и наполнителя в эквивалентные коэффициенты композита. Модель дает возможность прогнозирования износостойкости разрабатываемых модельных композиционных материалов.

5. Рассчитан диапазон оптимальных концентраций наполнителя при введении в полимерную матрицу порошков металлов, обладающих низкой износостойкостью, но высокой теплопроводностью.

Практическая ценность работы. Результаты исследований, изложенные в диссертации, позволяют оптимизировать подбор полимерных композиционных материалов для узлов трения и минимизировать энергетические и материальные затраты при разработке новых композиций. С этой целью:

- на основе ЭЗИ построены номограммы для определения интенсивности линейного изнашивания композитов в зависимости от контактного давления и скорости скольжения;

- показана применимость физических моделей износа для сравнительного анализа созданных композитов и для прогнозирования свойств композитов на стадии их разработки;

- разработан способ определения диапазона оптимальных рабочих нагрузок на основе ЭЗИ, признанный патентом на изобретение № 2338178 от 10.11.2008;

- разработан способ неразрушающего контроля износа композитов, основанный на анализе амплитуды среднеквадратичного отклонения сигналов АЭ, признанный патентом на изобретение №2263891 от 05.04.2005. Апробация работы. Основное содержание работы и ее отдельные положения доложены на международных и отраслевых конференциях и семинарах: «Энергодиагностика», г. Москва, 1995, первая международная конференция; «Разработка и внедрение новых нетрадиционных методов контроля состояния турбо- и гидрогенераторов», г. Санкт-Петербург, 1996, семинар; «Второй международный симпозиум по трибофатике», г. Москва, 1996; «Износостойкость машин» II международная конференция; г. Брянск, 1996; «Metrology and Properties of Engineering Properties», Goteborg, 1997, Sweden; «Проблемы машиноведения», посвященная 10-летию Нф ИМАШ РАН г. Нижний Новгород, 1997; «О природе трения твердых тел» международный симпозиум г. Гомель, 2002; «МЕХТРИБОТРАНС 2003», международный конгресс г. Ростов-на-Дону, 2003; «Моделирование акустической эмиссии

гетерогенных материалов» международная научная конференция г. Санкт-Петербург, 2004; «Полимерные композиты в триботехнике. Проблемы создания и применения. Опыт эксплуатации» 3-5 международные научно-технические конференции г. Санкт-Петербург, 2005, 2008, 2012; «Городской семинар по механике» г. Санкт-Петербург, 2012; «Трибология и проблемы МЧС РФ» III международный научно-практический семинар г. Иваново, 2012; «Современное машиностроение. Наука и образование» 3-я Международная научно-практическая конференция г. Санкт-Петербург, 2013.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 292 наименований и приложения (пакет разработанных компьютерных программ, патенты на изобретения (на 2 страницах), акты внедрения на 2 страницах). Работа изложена на 296 страницах текста, содержит 92 рисунка и 37 таблиц.

Основное содержание работы

В главе 1 приведен обзор состояния научных исследований по рассматриваемым в диссертационной работе проблемам, в контексте которых рассмотрены виды трения скольжения. После чего изложен общий подход к износостойкости полимерных композитов и затем проанализировано влияние наполнителей на надмолекулярную структуру полимерной матрицы композита. Известны многочисленные исследования в области трибологического поведения полимеров и композитов на их основе. Среди них необходимо особенно отметить работы И.В. Крагельского, Б.И. Костецкого, В.А. Белого, Д.Н. Гаркунова, И.Г. Горячевой, Ю.Н. Дроздова, И.Н. Черского, Ф. Боудена, Д. Тейбора, Г. Флайшера, Э. Рабиновича, Н.П. Су, К. Фридха, С. Баходура, К. Лудемы, Г. Савьера, Дж. К. Ланкастера и др. В Санкт-Петербурге широко вопросами трения и износа занимаются В.Е. Бахарева, А.Я. Башкарев, Б.М. Гинзбург, П.М. Лысенков, Л.И. Погодаев, М.Е. Подольский, М.А. Скотникова, Ю.А. Фадин, Ю.Н. Цветков, С.Г. Чулкин и др. Важной темой, затронутой в обзоре, является роль пленок переноса в повышении износостойкости композитов. Отдельный раздел обзора посвящен вопросам возможного влияния на износостойкость структур наполнителя и особенно процессам, связанным с обогащением поверхности трения частицами наполнителя. Промежуточный вывод состоит в том, что износ полимерных композитов во многом связан с ролью структуры, создаваемой наполнителем, и в меньшей степени связан с изменениями свойств полимерной матрицы.

До настоящего времени исследования износостойкости композитов ведутся в двух направлениях. С одной стороны применяется широкий спектр экспериментальных исследований триботехнических характеристик и структуры композитов. Такой способ анализа можно объединить под общим термином - описательные модели. С другой стороны известны соотношения, в которых характеристики износа связаны с параметрами износа при помощи математических зависимостей. Такие зависимости можно объединить под общим названием - уравнения износа или математические модели. В этой

области основополагающие исследования были проведены Д.Ф. Арчардом, М.М. Хрущовым, М.Н. Добычиным, И.Г. Горячевой, Ю.Н. Дроздовым, Г.А. Лущейкиным, Э.Д. Брауном, К.С. Лудемой, Х.С. Менгом, С.К. Рхи.

Имеющиеся уравнения достаточно точно описывают износ материалов в диапазоне действия определенного механизма изнашивания. Рассмотрим широко используемое в настоящее время уравнение износа

1„=хрь'у* , (1)

где Ь - интенсивность линейного изнашивания материала; р — давление в области контакта; v — скорость скольжения; х, Ьс, g — коэффициенты. Уравнение (1) применимо в диапазоне действия одного механизма износа. В связи с тем, что показатели степени в нем положительные, зависимость /А, построенная по (1) имеет восходящий характер и отражает усталостный износ. Однако многие исследователи триботехнических свойств полимерных композитов отмечают наличие зон стабилизации или обратной зависимости параметров износа от условий нагружения. Поэтому имеется необходимость в разработке уравнения износа, учитывающего действие различных механизмов износа и применимого во всем диапазоне нагрузок. При введении в уравнение износа структурного параметра оно преобразуется в физическую модель износа, которая позволяет решать вопросы прогнозирования триботехнических свойств композитов и сравнительной оценки износостойкости композитов.

Глава 2 посвящена описанию экспериментальных методов исследования триботехнических и прочностных свойств полимерных материалов, используемых автором диссертации для получения базы данных, необходимой для разработки и проверки разрабатываемых уравнений и моделей износа. В практике инженерных исследований и расчетов находит широкое применение комплексный параметр, отражающий нагрузочную способность узла трения, в виде ру. В отличие от /гу-фактора, характеризующего предельные нагрузки, этот параметр назван совместной нагрузкой. Выбор ру в качестве нагрузочного параметра связан с тем, что развитая в работах Г. Польцера и Ф. Майсснера энергетическая теория трения, в которой основным параметром является работа трения, не нашла широкого применения в практике экспериментальных исследований. Это связано с тем, что коэффициент трения определяется поверхностными свойствами, а износ — объемными характеристиками контактирующих материалов. Представляется, что величины давления и скорости скольжения могут самостоятельно определять износостойкость материалов без учета коэффициента трения. С целью исследования износостойкости материалов в широком диапазоне изменения р и V и углубленного анализа составляющих изнашивания испытания на износ проводились на оригинальной установке -трибометре, который позволяет реализовать изменение величины ру в диапазоне 0,006 н-12,9 МПа м/с.

Исследования материалов на износ проводились без смазки. Режим трения скольжения в отсутствии смазки был выбран в связи с тем, что с одной

стороны, полимерные материалы и композиты широко востребованы в узлах сухого трения, с другой стороны, такой режим трения оправдан при лабораторных испытаниях композитов, предназначенных для работы в условиях граничного трения.

Для сокращения количества опытов без потери достаточной информации разработан метод ускоренных испытаний на износ, позволяющий оперативно решать вопросы применения полимерных композитов в узлах трения. Использование в качестве экспериментального параметра величины pv позволило при случайном варьировании на основе генератора случайных чисел величин р и v охватить весь диапазон рабочих нагрузок исследуемого материала с учетом коэффициента его расширения при ограничении количества экспериментальных точек до 8-12. Для реализации метода ускоренных испытаний разработана компьютерная программа, позволяющая задавать случайные значения р и v. Исследования на износ по разработанному методу проводились в широком интервале варьирования pv с целью определения диапазонов действия различных механизмов износа.

Объектами испытаний были чистые полимеры, промышленные композиционные материалы, экспериментальные композиты и материалы объемных фракций наполнителей. Материалом контртела во всех испытаниях была сталь 45 ГОСТ 1050-88. Широкий спектр исследованных материалов позволил создать базы данных, необходимые для разработки и подтверждения справедливости разработанного уравнения износа, для создания физических моделей износа и для прогнозирования износа на примере модельных композитов. Перечень исследованных материалов и их краткая характеристика приведены в табл. 1.

В процессе трения регистрировались коэффициент трения, сигналы акустической эмиссии, температура в зоне контакта и анализировались частицы износа. После испытаний определялся массовый износ образца Am, на основании которого рассчитывался коэффициент износа К. Температура измерялась при различных величинах pv в приповерхностной области с целью проверки значимости тепловых явлений в зоне контакта.

Для установления зависимости прочностных свойств композитов от объемной концентрации наполнителя проводились испытания образцов на прочность при растяжении.

Вследствие того, что в композиционном материале возможно зарождение трещин по границам раздела полимер - наполнитель и наполнитель - наполнитель, его прочность может существенно снижаться при превышении определенной пороговой концентрации наполнителя. Также при превышении этой концентрации возможно снижение триботехнических характеристик композита. В результате испытаний определялась пороговая концентрация, при которой наблюдалось резкое снижение прочности композитов.

Таблица 1

Характеристики исследованных материалов

Категория материала Материал Краткая характеристика

Чистый полимер Политетрафторэтилен (ПТФЭ) Термопласт. Максимальная рабочая температура 150-200°С. Температура плавления кристаллитов 315°С

Полиамид (ПА6) Термопласт. Температура стеклования 70°С. Максимальная рабочая температура 60°С

Полимерные композиты MJI Тордон На основе полиуретана

Ф4К15М5 ПТФЭ+ 15 об. % кокса + 5 об. % МоБ2

Ф4К20 ПТФЭ+ 20 об. % кокса

KB ПТФЭ + углерод

МЛ С-3 ПТФЭ + 70 вес. % углерода + 0,8 вес. % хрома + 2 вес.% Бе

ФК ПТФЭ+литейный кокс КЛ-1, образцы с концентрациями: 5, 10, 15, 20 и 25 об. %

ФМ ПТФЭ+ МоБг , образцы с концентрациями: 5, 10, 15, 20 и 25 об. %

Опытный ПА + 5 вес. % А1

Опытный 1М Полиимид + 1 % фуллерена

Опытный ЗМ Полиимид + 0,1 об. % фуллерена (технология 1)

Опытный ЗМ1 Полиимид+ 0,1 об. % фуллерена (технология 2)

Углеродные материалы Нигран Углеродный графитированный материал без пропитки

АГ-600 С05 Углеродный графитированный материал, пропитанный сплавом свинца и олова

АГ-1500 С05 Углеродный графитированный материал, пропитанный сплавом свинца и олова

ЭГО-Б83 Углеродный обожженный материал, пропитанный баббитом марки Б-83

ППГ-Б83 Углеродный графитированный материал, пропитанный баббитом Б-83

В качестве дополнительных методов исследований износа и для объяснения структурных изменений в композите применялись методы, основанные на регистрации сигналов акустической эмиссии (АЭ) и на определении морфологических характеристик частиц износа.

В главе 3 излагаются результаты исследования трибологических характеристик полимерных композитов с помощью метода АЭ. Возможность применения метода АЭ при исследовании износа полимерных материалов описана работах А.И. Свириденка, Н.К. Мышкина, Т.Ф. Калмыковой и О.В. Холодилова. В данной работе метод АЭ использовался в качестве независимого физического метода исследования для проверки адекватности разработанного уравнения износа и физических моделей износа.

Известно, что среднеквадратичное значение амплитуд сигнала АЭ, Аско, равно величине постоянного сигнала, обладающего той же энергией. Для анализа внутренней структуры процесса и перераспределения энергии проводился корреляционный и спектральный анализ полученной последовательности АСко с учетом длительности паузы. Для минимизации искажений, вносимых в исследуемый процесс за счет операций усреднения, определялась величина длительности паузы между соседними сигналами АЭ. Величина АСко в этом случае определялась по приближенной зависимости:

Т.

Л —4 —а- — А

лско ~ Ллэл\ т АЭ

' -"я

5 + 1 2/аэТп

(2)

где Ааэ- амплитуда первого колебания АЭ сигнала; - длительность сигнала АЭ; 5-число осцилляций; Тп -длительность паузы; /АЭ -частота заполнения импульса АЭ.

В результате, сигнал АЭ в пределах паузы заменялся эквивалентным ему по энергоемкости постоянным сигналом равным АСко, пример которого представлен на рис.1.

А с ко , усл. ед.

22 -20 -

18 -16-

14 -

12- 1-1

8 -

2 4 6 8 10

Рис. 1. Пример случайной функции А ско сигналов АЭ

Возможность такого преобразования основана на определенной эквивалентности электрических и акустических процессов, так как пъезодатчик формирует электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна величине напряжений <т в поверхностном слое, возникающих в материале от неоднородности деформаций. Для вычисления

автокорреляционной функции рх(Лт) реализация АСко подвергалась дискретизации с постоянным шагом А1, причем временной сдвиг Ат = Акт, где т - число сдвигов точек дискретной реализации на величину шага А{. Далее рх(Ат) нормировалась на величину дисперсии случайной функции.

На рис. 2 приведены нормированные автокорреляционные функции АСко сигналов АЭ, регистрируемых при трении с у=0, 2 м/с. Эти автокорреляционные функции получены при суммарных Ат, достигающих половины времени экспериментов на износ.

р(Ат)

р(Ат)

-200 О 200 400

200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Временной сдвиг Ат, с

Временной сдвиг Ат, с а). б).

Рис. 2. Нормированная автокорреляционная функция Аско> полученных при трении материала Ф4К20 со скоростью скольжения 0,2 м/с: а), при р= 3 МПа; б), при р= 6 МПа

Зависимости, приведенные на рис. 2 имеют квазипериодический характер. Поэтому для получения спектральной плотности этих функций, проводилось дискретное преобразование Фурье.

На рис. 3 представлен полученный энергетический спектр ]Уф, который для удобства нормирован по максимальной амплитуде \Утахф- Известно, что в диапазоне частот А/о,; от 0 до частоты, соответствующей величине 0,1 \¥ф! №тахф, содержится не менее 90 % всей энергии спектра. Таким образом, величина 4/ол является энергетическим параметром сигнала АЭ, связанным износом материала. На рис. 3 представлены зависимости №ф!\Утахф, полученные при р= 6 МПа и при р= 3 МПа, на которых обозначены частоты, соответствующие 0,1 )Уф! 1Утахф. Так как кривые 1, приведенные на рис. 3, имеют нестационарный характер, то величина А/01 определялась по сглаживающим кривым 2. Получено, что величина А/0_ц уменьшается с ростом величины р. Это определяется тем, что существенный вклад в энергетический спектр вносят сигналы с наибольшими АСко, которые связаны с отрывом частиц износа.

0,8-

1.0-

0.4-

0,0

0.0

0.1

/Гц

/Гц

а).

б).

Рис.3. 1- распределение нормированных амплитуд энергетического спектра последовательности величин Аско сигналов АЭ материала Ф4К20; 2 -сглаживающая кривая, а), прир= 6 МПа; б), при р= 3 МПа

Установлено, что такой метод контроля величины износа по ширине нормированного энергетического спектра на уровне 0,1 \Уф! Жтшф дает хорошие результаты при трении со скоростью скольжения не более 0,1 м/с. При у> 0,1 м/с вклад квазипериодической составляющей становится более существенным. Если учесть, что цикличность послойного разрушения составляет 15-35 с, как установлено в работах Ю.А. Фадина, то периодичность адгезионного износа должна быть на 2 порядка меньше в соответствии с общепринятой величиной отношения фактической площади контакта к номинальной. Таким образом, наибольший интерес представляет диапазон высоких частот от 3 до 7 Гц. Получено, что при частоте /тах -5 Гц, коэффициент корреляции между амплитудой нормированного энергетического спектра последовательности АСко и соответствующим экспериментальным значением массового износа достигает величины 0,94, что говорит о хорошей связи параметров на этой частоте.

Расчетная величина износа материала А тр определялась по соотношению

где - амплитуда нормированного энергетического спектра

последовательности величин АСко сигналов АЭ при у=5 Гц; Ь= - путь трения; ? - наработка; кср - размерный коэффициент, определяемый в предварительных испытаниях по величине Лт.

Величина Лтр определялась по (3) с учетом определения кср

А тр=кср\Ж,

ср

(3)

где пэкс ~ число опытов.

Результаты расчетов приведены в табл. 2.

Таблица 2

Сравнение рассчитанных по (3) величин Атр и экспериментальных величин

№ PV, Износ Амплитуд к-ср. Износ Атр, мг Погрешность

п/ МПа м/с Am, мг ы WhS, отн. мг/м определения

п ед. износа, %

1 0,03 0,35 0,025 0,01 0,30 14,3

2 0,1 0,85 0,07 0,76 10,6

3 0,2 1,07 0,12 1,24 15,9

4 0,4 1,05 0,115 1,24 18,1

5 0,6 0,5 0,055 0,60 20,0

6 0,8 0,8 0,063 0,74 7,5

Высокочастотная составляющая характеризует энергию спектра на соответствующей частоте и если эта частота связана с процессами износа, то ее величина будет коррелироваться с величиной pv, являющейся условной мощностью трения. На это указывают данные табл. 2, кроме того, видно, что разработанный способ диагностики износа по высокочастотной составляющей спектра сигналов АЭ обеспечивает достаточную точность, так как максимальная погрешность в определении износа составляет ~ 20%. Сравнительный анализ данных табл. 2 показывает, нелинейную зависимость величин Am и IV/,; при увеличении pv.

Глава 4 посвящена разработке эмпирического закона изнашивания, применимого во всем диапазоне рабочих нагрузок и представляющего собой уравнение износа полимерных композитов. В первой части главы приведен обзор имеющихся уравнений износа, которые получены с использованием некоторых физических предпосылок. Эти уравнения имеют монотонную зависимость от условий трения и поэтому пригодны для описания конкретного механизма износа. Так уравнение Арчарда выведено из предположения пропорциональности объемного износа фактической площади контакта и имеет вид

K=AV/NL, (5)

где AV- объемный износ; N — нагрузка.

Экспериментальные исследования изнашивания в широком диапазоне изменения нагрузок, в том числе и с применением метода АЭ, показывают, что регистрируемые зависимости имеют точки перегиба. Это свидетельствует о том, что в разных диапазонах изменения нагрузок преобладают определенные механизмы износа. Например, этот факт отмечается в работах

И.В. Крагельского, М.Н. Добычина, B.C. Комбалова, Ланкастера, В.Е. Бахаревой. Использование для описания износа соотношения типа (5), не отражает в полной мере физической сущности явлений, происходящих при трении. Поэтому необходима разработка физически обоснованного универсального уравнения износа.

При разработке уравнения износа в качестве параметра, связанного с нагрузкой на узел трения, принималась величина pv. Совместная нагрузка, являющаяся условной удельной мощностью трения, по-видимому, оказывает влияние на зарождение и распространение очагов разрушения на поверхности трения. Для проверки роли pv при описании износа проводились исследования износостойкости ряда углеродных материалов, которые часто используются в качестве наполнителей полимерных композитов.

Для этих целей преобразуем соотношение (5) и дополним его слагаемым, содержащим pv

K = KlPv + K2, (6)

где Кг- размерный коэффициент; К2 - определяется по (5).

В качестве критерия качества аппроксимации использовалась величина дисперсии экспериментальных точек относительно уравнений (5) и (6), значения которой приведены в табл. 3. При аппроксимации данных по (6) величина К/ для всех материалов принимала отрицательное значение. Это говорит о том, что соотношение (6) может описывать ниспадающие участки зависимости коэффициента износа от условий трения.

Таблица 3

Величины дисперсии экспериментальных величин износа углеродных материалов относительно аппроксимирующих зависимостей (5) и (6)

Марка углеродных материалов Дисперсия, усл. Ед. Отношение дисперсий столбцов 2 и 3

Сравнение с соотношением (5) Сравнение с соотношением (6)

1 2 3 4

АГ-600 С05 4,32xl0"15 8,37х10"16 5,16

АГ-1500 С05 1,75х10"14 6,7х10"15 2,6

ППГ-Б83 1,02x10"14 5,26х1015 1,93

ЭГО-Б83 1,21х10"15 7,33х10"16 1,65

Из данных табл. 3 видно, что соотношение (6) более точно описывает экспериментальные данные по износу материалов, так как во всех случаях дисперсия при описании по (6) ниже, а для некоторых материалов и существенно ниже.

Из проведенных исследований можно заключить, что ниспадающие участки характеристик износа при росте нагрузок наблюдались во многих случаях. Объяснение этого, по-видимому, состоит в протекании на

поверхности трения процессов образования вторичных структур, которые связаны с термодинамическими процессами на поверхности трения.

Для учета процесса формирования вторичных структур разработан комплекс, который включает термодинамические параметры пары трения, следующего вида

К =Кго

/Ч '

(7)

где ко — коэффициент; уй - термодинамический коэффициент переноса; Уд — коэффициент диффузии; р - плотность материала; А„ — номинальная площадь трибоконтакта.

Если принять, что величины, входящие в (7), кроме у0, постоянны, то необходимо найти зависимость ув от условий трения. Для этого с позиций неравновесной термодинамики рассмотрены процессы, происходящие в зоне трибоконтакта композиционного материала с более износостойким контртелом. Допустим, что на поверхности композита имеется вторичная структура. На поверхности этой структуры размещен источник тепловой энергии. Между вторичной структурой и материалом основы действует градиент химического потенциала, который вызывает перенос материала во вторичную структуру, что необходимо для сохранения ее функциональности. На рис. 4 показана схема термодинамических процессов в зоне трения.

Рис. 4. Схема термодинамических процессов в зоне трения при формировании вторичной

структуры: 1- композит; 2-вторичная структура; (КЗ1 и ёСЬ - потоки тепла, вызываемые трением и

теплоотводом соответственно; ёгП| потеря массы материала за счет износа; с1т2 - перенос материала во вторичную структуру

В рассматриваемой неравновесной термодинамической системе учитываются изменения энтропии, связанные только с одним телом (вторичной структурой). Такая модель подходит для большинства систем, в которых образование вторичных структур при трении происходит в основном за счет одного менее износостойкого материала. Скорость производства энтропии в рассматриваемой термодинамической системе можно записать в виде

с/Б _ с13г

с/5,

(8)

сЛ Л Л сЛ ' где ¿й1/ - изменение энтропии за счет потока тепла; с/5'2 - изменение энтропии за счет процесса переноса; с1Б3 - уменьшение энтропии системы за счет износа, т.е. выноса вещества за пределы термодинамической системы. Стабильное

состояние вторичной структуры возможно только в том случае, если гй? »ей?.

В термодинамике необратимых процессов предполагается существование линейных соотношений между термодинамическими силами X и потоками ./. Тогда скорость производства энтропии применительно к рассматриваемой системе определяется соотношением

= 1 + Х2-12 , (9)

где — энтропия в единице объема.

Первое слагаемое в (9) описывает процесс теплопроводности, а второе слагаемое - процесс переноса. Используя аппарат неравновесной термодинамики, производство энтропии во времени в данной системе при трении можно записать в виде

^уд = ЦРУ)1 | Гр(Я^р)2 Л ЛТ2 Т ' (10)

где Л - коэффициент теплопроводности; <р - химический потенциал; Т -абсолютная температура.

Как в равновесных, так и в неравновесных термодинамических системах, возможно постоянство во времени термодинамических параметров. В неравновесных системах такое состояние называется стационарным и постоянство во времени термодинамических параметров поддерживается за счет внешних воздействий. Отметим, что неравновесные термодинамические системы в стационарном состоянии обладают минимумом производства энтропии. Проанализируем условия, при которых достигается минимальная величина уо в зависимости от р\, приняв допущение, что износ вторичной структуры пропорционален ув. Для этого продифференцируем (10) по ру и проинтегрируем полученное уравнение. В результате получаем

Яру)2

У»-гпо хт{ягас1ф)г. (11)

Из (11) следует, что с ростом ру может наблюдаться снижение величины Уо, если выполняются условия стационарности термодинамической системы.

Тогда, подставив (11) в (7), получаем

т _!■ кр/(ру)2ур

1"=1м~ЛТ^гас1(р)2рАп ' (12)

т _ ^-р/роур

где ао . соответствует начальному состоянию системы.

РА,

Выражение (12) показывает, что в области стационарного состояния рассмотренной термодинамической модели происходит снижение величины Д с увеличением величин р и v. Таким образом, термодинамическая модель

подтверждает тот факт, что зависимость износа от нагрузки может быть немонотонна.

Уровень температуры в зоне трения зависит от ру и его можно оценивать по степенным зависимостям. Причем, как следует из (12), в условиях переноса вещества на контртело рост температуры приводит к снижению износа.

Для экспериментального подтверждения вывода из (12) были проведены испытания материалов на износ с последующим расчетом К и построением зависимости К от ру. Аппроксимация экспериментальных данных проводилась по соотношению, вида

К = аруе-Ьр* + с(ефу -1), (13)

где а, Ъ, с, ¿/—размерные коэффициенты.

В (13) температурные явления при трении учтены введением в уравнение износа температурного параметра в виде показателей степени экспонент в обоих слагаемых. На износ исследовались промышленный композит Ф4К15М5 и композит МЛ С-3. Результаты исследований представлены на рис. 5. Коэффициент корреляции между экспериментальными величинами и аппроксимирующими зависимостями составляет 0,7- 0,85.

К процессам изнашивания, описываемым первым слагаемым (13), следует отнести процессы, вызывающие образование вторичных структур. Вторичные структуры осуществляют защитные функции, позволяющие локализовать структурные изменения, вызванные трением, в тонких поверхностных слоях.

К, м3/Н м

Рис. 5. Зависимость величины коэффициента износа от совместной нагрузки для материалов: 1 - Ф4К15М5; 2 - МЛ С-3; о - экспериментальные точки Ф4К15М5; ■ - экспериментальные точки МЛ С-3

ру, МПа м/с

Второе слагаемое (13), отражает монотонный рост К с увеличением ру. К группе процессов, описываемых вторым слагаемым (13), следует отнести механические процессы, например, отслаивание, пропахивание микронеровностями, усталостное разрушение. На эти процессы оказывает влияние снижение твердости материала, увеличение фактической площади контакта и снижение прочностных свойств. Учитывая вышесказанное, первую группу процессов назовем механохимическими, а вторую -

механическими. Из рис. 5 и соотношения (13) следует, что во всем диапазоне изменения аргумента в величину К материала вносят одновременно вклад как механические, так и механохимические процессы.

Полученные размерные коэффициенты входят и в выражение для определения интенсивности линейного изнашивания. Учитывая, что

, из (13) получаем

111^ар2ув^+ср(е^-1) . (14)

На рис. 6 приведены зависимости, построенные по (14) для материала МЛС-3

Рис. 6. Величина Д в зависимости от условий нагружения для материала МЛС-3:

а). Д отр при у=1 м/с; б). Д от V при р= 1 МПа

Характер зависимостей Д от р и Д от V не противоречит (12). Таким образом, соотношение (14) представляет интерес при выборе конкретных диапазонов величин р или V при постоянстве того или другого параметра.

Необходимо отметить, что разработанный эмпирический закон изнашивания, математическим выражением которого является (13), применим для прогнозирования износостойкости уже готовых полимерных композиционных материалов.

На рис. 7 показаны результаты сравнительного анализа зависимостей Д от р, построенных на основании ЭЗИ и по степенному уравнению (1), на примере материала Ф4К15М5. Из рис. 7 видно, что обе зависимости практически совпадают в области больших давлений. Кривая 2 учитывает, в основном, механическую составляющую изнашивания во всем диапазоне нагрузок и слабо учитывает наличие механохимических процессов в области малых и средних давлений. Кривая 1, построенная на основании ЭЗИ, позволяет получить уточненные величины Д в диапазоне нагрузок, где существенны механохимические процессы. В этом диапазоне нагрузок величины Д по кривой 1 имеют существенно более высокие значения по сравнению со значениями кривой 2, что необходимо учитывать при определении срока службы узла трения.

л

Рис. 7. Зависимость от р при у=0,1м/с для материала Ф4К15М5: 1 — зависимость по уравнению (14); 2-зависимость по

уравнению (1)

Для возможности прогнозирования износостойкости композиционных материалов на стадии их разработки необходимо в уравнение износа ввести комплексный структурный параметр, учитывающий ряд свойств материала матрицы и материала наполнителя. Для разработки такого структурного параметра в главах 5 и 6 рассмотрены особенности структуры двух групп композиционных материалов и созданы их физические модели.

В главе 5 рассмотрены вопросы разработки физических моделей группы полимерных композитов наполняемых дисперсными наполнителями, которые вводятся в расплав термопластичных полимеров. К таким наполнителям относятся короткие волокна, нанотрубки, дисперсные частицы микро — и наноразмеров.

В первой части главы решены вопросы распределения давления в зоне контакта композита с контртелом между наполнителем в виде короткого волокна, длиной / и с диаметром с1, и полимерной матрицей. В случае нормальной ориентации к поверхности трения единичного волокна на его боковых поверхностях в условиях сжимающей внешней нагрузки возникают сдвиговые напряжения г. Тогда давление в области контакта волокна с контртелом определяется выражением

2яг/г 41т

Р/=-— + Рт =—Г + Рт , (15)

яг а 4 '

где рт - давление в области контакта матрицы с контртелом.

Так как в рассматриваемом случае композит состоит из параллельных между собой элементов полимера и наполнителя, то распределение давления между матрицей и наполнителем будет зависеть от концентрации наполнителя на поверхности трибоконтакта ф//3 в виде соотношения, аналогичного правилу смесей, где <р/ -объемная концентрация наполнителя. Проведя дальнейшие преобразования, приходим к соотношению, отражающему распределение контактного давления, между матрицей и наполнителем

Рс= Р Рс + (1~Р)Рс, (16)

где рс~ контактное давление на поверхности трения; Р - доля контактного давления, приходящегося на область контактактирования матрицы с контртелом, или нагруженность матрицы определяется соотношением

з я-4)

Р - I Г^ , (17)

где О, - коэффициент усиления композита; Ф- фактор фрактальности.

Для учета влияния размеров дисперсного наполнителя на передачу сдвиговых напряжений от матрицы в (17) введен фактор фрактальности в виде

Ф = (18)

где в - масштаб измерений периметра поперечного сечения единичного элемента дисперсного наполнителя; Б - фрактальная размерность.

Известно, что нановолокна имеют относительно гладкую поверхность. В качестве масштабного эталона примем величину 20 нм, близкую к нижней границе диапазона размеров поперечного сечения наполнителя. Тогда из (18) при увеличении размеров наполнителя величина Ф будет уменьшаться, что отражает повышение фрактальности дисперсного наполнителя и приводит к снижению адгезии на границе полимер - наполнитель и, соответственно, снижению величины г в (15).

Величина Q учитывает тот факт, что в действительности не все волокна перпендикулярны поверхности трения.

Введение в уравнение износа величины Д приводит к преобразованию его в физическую модель износа, учитывающую структурные параметры композитов.

Во второй части главы рассмотрен случай наполнения полимера наполнителем в виде дисперсных частиц, которые также вводят в расплав полимера. Изучение таких композитов в настоящее время имеет большую актуальность в связи с появлением нового класса наполнителей — частиц наноразмеров. В общем случае частицы наполнителей могут иметь форму куба, чешуек или шаров. Для упрощения выводов в дальнейших расчетах форма частиц принимается кубической с линейным размером ребра гу-. Посредством компьютерного моделирования случайного распределения дисперсных частиц наполнителя по объему композита показано, что при определенных концентрациях возможно образование агрегатов частиц. При моделировании учитывались только те агрегаты, которые выходили своим торцом на поверхность трения, и определялась их средняя относительная длина 1т, результаты расчета которой приведены в табл. 4. Процесс направленной агрегации иллюстрирует рис. 8.

Из данных табл. 4 следует, что величина 1т зависит от концентрации, однако более подробные исследования показали, что эта величина в пределах

небольшой статистической ошибки не зависит от размера частиц наполнителя. Эффект от наличия агрегатов в композите сходен с эффектом от наполнения короткими волокнами и приводит к улучшению триботехнических свойств композитов за счет разгрузки полимерной матрицы вследствие возникающих сдвиговых напряжений на границе полимер-наполнитель.

Таблица 4

Результаты расчета средней относительной длины агрегатов в зависимости от

Объемная концентрация наполнителя, % % 0,3 0,5 1 5 10 20 30 40 50 70

Средняя относительная длина агрегатов, 1т 1 1,07 1,16 1,36 1,40 1,87 2,28 2,78 3,3 5,14

Рис. 8. Вариант расположения частиц наполнителя и направленных агрегатов из этих частиц, в выделенном кубическом объеме композита, примыкающем к поверхности контакта. 1 - контртело, 2- один из агрегатов, 3 -одиночная частица, 4 - выделенный объем композита кубической формы, примыкающий к поверхности контакта; Н- линейный размер объема, И-внешняя сжимающая нагрузка

По аналогии со случаем наполнения короткими волокнами получено расчетное соотношение для определения нагруженности матрицы полимерного композита с мелкодисперсным наполнителем

о О-Р/Ь

Р--I 7~2-ГТ (19)

(1-Р/0 + 1-д1тф + 1р>

Формула (19) близка по своей структуре к формуле (17). Из (17) и (19) следует, что при случайном распределении дисперсного наполнителя нагруженность матрицы зависит от внутренних характеристик композитов, таких как концентрация наполнителя, отношения //с/ или средняя относительная длина агрегатов /„, коэффициента усиления 2 и адгезионных свойств контакта матрица-наполнитель. При варьировании этих величин изменяется и Да вместе с ней и распределение нагрузки внутри композита. Таким образом, Р справедливо рассматривать в качестве структурного

параметра композита. Параметры композита, входящие в выражение для определения величины Д, сведены в табл. 5.

Таблица 5

Перечень параметров, определяющих величину Д при случайном

Название параметра композита Обозначение

Объемная концентрация <я■

Длина волокна 1

Диаметр волокна а

Линейный размер частицы наполнителя

Коэффициент усиления о

Фрактальная размерность £>

Средняя относительная длина агрегатов частиц 1т

При определении возможных концентраций наполнителя необходимо учитывать наличие немодифицированного полимера в композите, так как существуют концентрации, при которых весь полимер переходит в приповерхностное или сорбированное состояние. Сорбированный слой обеспечивает адгезию между полимером и наполнителем и, в свою очередь, подвергается воздействию поверхности наполнителя. При превышении определенной концентрации возникает дефицит свободного

несорбированного полимера необходимого для образования сорбированного слоя, что приводит к ухудшению условий для образования адгезионного контакта между наполнителем и матрицей. Доля немодифицированного полимера в композите при наличии сорбирования определялась из соотношения

(1 -<р,)-Усп О -?/) '

где Усп - объем сорбированного полимера в единице объема композита, который определялся по соотношению

д = -

(20)

V -й 2и <Р( - 6Ьсп<РГ

УСП ~ "Г/ ПСП 3 ~

г/ Г1

(21)

где Исп -толщина сорбированного слоя, образующегося между полимером и наполнителем.

В том случае, когда 8= 1 сорбирование полимера отсутствует. При <5=0 вся полимерная матрица находится в сорбированном состоянии. Расчетные данные величины <Упо соотношению (20) показали, что при /у= 1 -н 5 мкм даже при самых больших используемых концентрациях сорбированный полимер составляет не более 30% от исходного полимера. С другой стороны при наполнителях наноразмера полимерная матрица может переходить полностью в сорбированное состояние уже при концентрации наполнителя порядка 6 об. %. Поэтому при применении нанонаполнителей необходимо учитывать эффект сорбирования матрицы композита.

С целью оценки эффективности наполнения и прогнозирования свойств композиционных материалов разработана физическая модель относительного износа композитов. В данном случае для создания модели относительного износа композита использовалась известная степенная зависимость интенсивности линейного изнашивания от условий трения (1), в которую для учета распределения нагрузки между матрицей и наполнителем был введен структурный параметр Д Тогда, для определения интенсивности линейного изнашивания композита соотношение (1) принимает вид

h = К + Н = xp-pW +у{\-р )"< PKVS . (22)

Различие в интенсивностях линейного изнашивания материалов матрицы и наполнителя в выражении (22) учтено посредством введения коэффициентов х и у. Разделив (22) на интенсивность линейного изнашивания чистого, полимера, определяемую по (1), получаем выражение для относительной интенсивности линейного изнашивания композита по сравнению с материалом матрицы

1ст=рь'+Ч\-р)ь'. (23)

х

Зависимость (23) представляет собой математическое выражение физической модели относительного изнашивания композита, в которой р зависит от внутренних физических характеристик композита.

Далее показана применимость физической модели относительного изнашивания композита для оценки эффективности наполнения при введении мелкодисперсного наполнителя из материалов, имеюших как более высокую износостойкость, так и более низкую износостойкостью по отношению к матрице. На рис. 9 приведены расчетные концентрационные зависимости относительной интенсивности линейного изнашивания композита по отношению к матрице при различных величинах у/х. Из рис. 9 а), следует, что в случае j>/jc=0,5 приведенные кривые во всем диапазоне концентраций имеют /с™ < 1, и, таким образом, имеет место положительный эффект от введения наполнителя. При размерах частиц г/ = 1 и 5 мкм (кривые 3 и 4) эффект сорбирования матрицы можно не учитывать. При использовании нанонаполнителей (кривые 1 и 2) наибольший триботехнический эффект от введения наполнителей наблюдается при <р 6 %. Однако при наполнении частицами с г/ =20 нм уже при этой концентрации весь полимер находится в сорбированном состоянии, а при /у =100 нм матрица становится полностью сорбированной при <р / = 25%. На рис 9 б), рассмотрен случай применения менее износостойкого наполнителя по сравнению с матрицей. Значение у/х >1 имеет место при наполнении полимеров порошками металлов, таких как алюминий, латунь, медь и других, которые в отличие от полимеров обладают высокой теплопроводностью.

/с" 1ст

а). б).

Рис. 9. Зависимости 1ст от <р/: пунктирные линии соответствуют <р(, при которой <У=0 для /у =20 и 100 нм; а), у/х =0,5; 1 - г{= 20 нм; 2- г/= 100 нм; 3 -г/ =1 мкм; 4- г/ =5 мкм; б), у/х =2; 1 - гг= 20 нм; 2- г/=100 нм; 3 - /у =1 мкм; 4-/у =5 мкм

Данные рис. 9 б), свидетельствуют о возможности достижения положительного триботехнического эффекта от наполнения в рассматриваемом случае. Это может быть связано с явлением перколяции дисперсного наполнителя, приводящим к улучшенному теплоотводу из зоны трения. В таких условиях достижение положительного эффекта зависит от соотношения размеров частиц и концентрации наполнителя. Для частиц наноразмеров (кривые 1 и 2) минимум 1с т наблюдается при концентрации 3 %, а при щ =15% триботехнический эффект от наполнения отсутствует. Эффект сорбирования матрицы здесь так же необходимо учитывать, но в этом случае он имеет значение только при наполнении частицами с лу =20 нм. С увеличением размера частиц минимумы /с " смещаются в область более высоких концентраций (кривые 3 и 4). Отметим, что при щ > 7 % преимущество в эффективности наполнения переходит к композитам с микрочастицами.

С целью экспериментальной проверки положительного эффекта от наполнения частицами антифрикционных металлов проведены триботехнические испытания ПА6, композита на его основе ПА6+4,2 об.% А1 и материала наполнителя со сбором частиц износа. В результате получено, что при заданной концентрации Дс меньше, чем Д™. Величина р определялась как экспериментально на основе разработанного метода оценки нагруженности матрицы композита по размерам частиц износа, так и по (19). Разница между полученными величинами р составила 17,5%. Используя экспериментальные данные, уточнена величина показателя степени Ьс в выражении для определения 1с", которая составила 2,5.

В результате получено хорошее совпадение концентрационных зависимостей I", полученных аналитическим путем, с зависимостью, построенной по экспериментальным данным.

Глава 6 посвящена разработке физических моделей наполненных полимерных композиционных материалов, особенность технологического процесса изготовления которых состоит в том, что на начальной стадии их производства крупные гранулы полимера перемешиваются со значительно более мелкими дисперсными частицами наполнителя. Эта технология характерна для производства композитов на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), полиэфирэфиркетона (ПЭЭК) и полифениленсульфида (ПФС). В результате формируется композиционный материал с пространственной структурой, в которой частицы наполнителя образуют тонкий слой на поверхности каждой частицы полимера. Для упрощения рассмотрения вопросов контакта частиц между собой и с частицами полимера была принята кубическая форма частиц полимера и наполнителя.

В первой части главы рассматривается случай использования частиц наполнителя микронных размеров. Единичный фрагмент такого композиционного материала, представляющий собой полимерный куб, частично покрытый слоем частиц наполнителя, приведен на рис. 10.

Показано, что рассматриваемая структура наполнителя характеризуется пороговой объемной концентрацией наполнителя ср^, при которой вся поверхность частицы полимера покрыта одним слоем частиц наполнителя и при этом поверхностная концентрация на гранях куба (р5К =1. Величина <р5К всегда существенно выше . В работе получены соотношения для расчета <рр и (рцК

3

4 остальные грани - разрез между частицами наполнителя и соседними частицами полимера

Рис. 10. Схематичное изображение единичного элемента наполненного полимера. 1-частица наполнителя с размером гу, 2- частица полимера с размером гр, 3, 4 - разрез по границе частиц наполнителя и частицы полимера;

(24)

Соотношение (24) определяет ограничение концентрации наполнителя, так как при > <р]в начинает формироваться второй слой наполнителя, а соотношение (25) определяет дефектность слоя наполнителя. Композитный куб при определенном расположении контактирует одной из своих граней с поверхностью трения, при этом боковые грани играют роль стенок и поддерживают часть приложенной сжимающей нагрузки. В условиях внешней сжимающей нагрузки перпендикулярной поверхности трения принято условие равенства деформаций стенок и полимерного куба.

Для расчета распределения нагрузки между матрицей и наполнителем необходимо знать сопротивление деформированию стенки Ец при любых концентрациях наполнителя <ру. Для этих целей воспользуемся величиной Щк-Тогда

ЕЛ =Е/0<Рбк , (26)

где Е/ о — сопротивление деформированию стенки при полном заполнении частицами наполнителя слоя, примыкающего к поверхности частицы полимера.

Тогда, исходя из приведенного выше соотношения (16), определяющего распределение давления на трибоконтакте, определяем ¡} для рассматриваемого случая в зависимости от поверхностной концентрации в области контакта 0,7^

(1-0,7^)

(1-0,7^ + 0,' где Х = Ер /Ет , Ет- модуль упругости матрицы.

Для проведения расчетов по (26) требуется знание величины Ер. Непосредственное измерение этой величины вызывает затруднение. Поэтому в настоящей работе проводилась оценка величины Ер из уравнения (27). При этом для определения ¡3 использовался метод, основанный на сравнительном анализе размеров частиц износа материала матрицы и композита, собранных в результате испытаний на износ ПТФЭ и Ф4К15М5. В результате была определена величина ¡3= 0,16 и, далее, решая совместно соотношения (26) и (27) при условии гр =63 мкм и /у =7 мкм, соответствующих Ф4К15М5, получено, что для рассматриваемого случая Ер=220 ГПа. Эта величина близка к нижней границе справочного значения модуля упругости углеродных волокон.

На рис. 11 приведены результаты сравнительного анализа влияния величины ц>{ на величины /? и <р5к в виде концентрационных зависимости этих параметров на примере модельного композита на основе ПТФЭ, наполненного дисперсными частицами литейного кокса. Из рис. 11 видно, что при увеличении (р / до 25% наблюдается постоянное снижение величины нагруженности матрицы. Даже при <р / = 1 % величина р заметно меньше 1, хотя при этом (р ж имеет малую величину. Таким образом, теоретически подтверждается возможность создания малонаполненных композитов с ср / в несколько процентов.

Р,<р

БК

Рис. 11. Концентрационные зависимости величин: 1 - /? и2- <р$к для модельного композита на основе ПТФЭ с литейным коксом

<Р/,%

Во второй части главы рассматриваются особенности модели при использовании дисперсных наполнителей наноразмеров. В этом случае уже при малых концентрациях наполнителя вокруг частиц гранулированного полимера образуется многослойная структура. Нанонаполнители имеют ряд специфических свойств, таких как высокая поверхностная активность и большая относительная площадь поверхности. Поэтому они способны создавать многослойные структуры вокруг частицы полимера без существенной потери прочности композита. Для анализа таких структур введем коэффициент многослойности стенки вокруг частицы полимера

<Р/(\~<Р/ о)

(28)

<Р/о<\~<Р/)

Из (28) следует, что когда , то =1. При (р/ >срр коэффициент §7> 1.

Особенностью многослойной модели является экстремальная зависимость сопротивления деформированию дисперсной среды от числа слоев. Это следует из того, что при небольшом числе слоев на величину Ер оказывает влияние устойчивость стенки, которая уменьшается с уменьшением числа слоев. При большом числе слоев величина Е'р может снижаться в зависимости от плотности упаковки стенок. Этому условию удовлетворяет выражение для определения Ер в случае многослойной структуры наполнителя, а именно

Е ^

(29)

где (с- постоянная числа слоев; А„, - общая толщина слоев; АЕ - коэффициент, зависящий от размера частиц наполнителя.

Тогда для случая применения нанонаполнителей преобразуем (27) с учетом (29)

(1-0,7^)_

„ • (30)

р =-

(1-0,7(3/1 +2,8-Ме -е '' )<р

7

Соотношения (27) и (30) содержат ряд параметров, которые приведены в табл. 6.

Таблица 6

Перечень параметров, определяющих Д, для случая распределения дисперсного наполнителя в виде пространственной структуры_

Название параметра композита Обозначение

Объемная концентрация <Рг

Поверхностная концентрация на гранях полимерной частицы Ч^к

Сопротивление деформированию стенок при полном заполнении наполнителем одного слоя, т.е. при <рг=<рю Ер

Линейный размер частицы наполнителя гр

Линейный размер частицы полимера гГ

Модуль упругости матрицы Ет

Пороговая концентрация наполнителя Фо

Постоянная числа слоев >с

Коэффициент многослойное™ стенки вокруг частицы полимера &

Толщина стенки структуры наполнителя вокруг частицы полимера Д,

Из (27) и (30) следует, что в случае образования пространственной структуры наполнителя на нагруженность матрицы оказывают влияние объемная концентрация наполнителя и, зависимые от нее пороговая концентрация и поверхностная концентрация на гранях полимерного куба, упругие свойства матрицы и структуры наполнителя, а также адгезионные свойства контакта матрица-наполнитель.

Ранее, в Главе 5, была разработана физическая модель относительного износа композита, содержащая в качестве основного аргумента структурно-чувствительный безразмерный параметр Д Общая структура физической модели износа остается одной и той же для различных композиционных материалов с дисперсным наполнителем, как по особенностям технологии их изготовления, так и по размерам наполнителя. В данной главе Д определяется в виде (27) для однослойной структуры наполнителя, характерной для наполнителя микронных размеров, и в виде (30) для многослойной структуры наполнителя, характерной для наполнителя наноразмеров.

Рассмотрим применимость физической модели относительного износа композитов для оценки эффективности наполнения на примере модельных композитов на основе ПТФЭ и ПЭЭК с наполнителем нано- и микроразмеров. На рис. 12 приведены расчетные концентрационные зависимости относительной интенсивности линейного изнашивания композита по отношению к матрице для двух вариантов композитов.

На рис. 12 а) приведены результаты сравнительного анализа износостойкости композита, наполненного частицами нано- и микроразмеров. Из рис. 12 а), следует, что нанокомпозит обладает более высокой износостойкостью в диапазоне значений <р/ < 0,08. Особенно существенно его преимущество при малых величинах < 0,025. При больших величинах щ > 0,08 более износостойким оказывается композит с наполнителем микронных размеров. Отмеченный факт необходимо учитывать при создании новых антифрикционных композитов.

т т г т

1С 1С

а). б).

Рис. 12. Расчетные концентрационные зависимости 1с" модельных композитов

а), нанокомпозит на основе ПТФЭ+кокс : 1 - ту = 25нм, ту= 63 мкм; 2 - ту = 7 мкм , гр= 63 мкм

б), композиты с ту = 25нм, гр= 63 мкм: 1 - нанокомпозит на основе ПТФЭ+кокс; 2 - нанокомпозит на основе ПЭЭК+51С

На рис. 12 б), приведены результаты сравнительного анализа композитов на основе разных полимеров, наполненных дисперсным наполнителем наноразмеров. Из рис. 12 б), следует, что у обоих композитов, как на основе ПТФЭ, так и на основе ПЕЕК, при малых ф/ наблюдается резкий спад величины 1ст ■ Однако максимальное снижение величины 1ст у композита на основе ПТФЭ составляет 900 раз, а у композита на основе ПЭЭК - 8 раз. Таким образом, как следует из (23), при прочих равных условиях нанокомпозит с более износостойкой матрицей, то есть с меньшей величиной X, при всех возможных величинах <р/ имеет меньшую величину 1с", то есть имеет меньшую триботехническую эффективность наполнения. Таким образом, критерий 1ст наиболее информативен при сравнительном анализе композитов на основе разных полимеров.

В главе 7 рассмотрены вопросы практического применения ЭЗИ для оценки и оптимизации триботехнических свойств композитов, на примере лицензированных материалов с распространением полученных закономерностей на модельные композиты.

На основе ЭЗИ разработан ускоренный метод определения допускаемых нагрузок композитов при трении. Показано, что величину ру в точке минимума зависимости К от ру с можно принять за величину допустимой нагрузки [р\>] исследованного материала. Достоверность разработанного метода подтверждается методом АЭ. В результате обработки сигналов АЭ получено, что при величинах ру, превышающих значение, принимаемое за допускаемое, происходит снижение прочностных свойств поверхностного слоя. Этот вывод основан на том, что амплитуда нормированного энергетического спектра, рассчитанная при ранее определенной частоте 5 Гц,

при ру>[ру] резко снижается, а износ либо остается на одном уровне либо существенно возрастает. Так же на основании анализа вклада составляющих изнашивания, описываемых первым и вторым слагаемыми (13), при ру> [ру] наблюдается заметное преобладание механической составляющей изнашивания над механохимической. Апробация разработанного метода проводилась на различных группах материалов. В табл. 7 приведены величины [ру], определенные по разработанному методу, как для промышленных, так и для лицензированных материалов. Полученные на основе ЭЗИ значения [ру] промышленных материалов соответствуют справочным характеристикам этих материалов, что служит подтверждением применимости метода.

Таблица 7

Величины [ру] и соответствующие им величины коэффициента износа Ктт, _определенные для исследованных материалов _

Категория материала Материал [ру], МПа м\с Kmin, м3/м Н

Чистый ПТФЭ 0,47 3,16 Е-13

полимер ПА 0,72 1,1 Е-14

МЛ 0,6 4,4 Е-13

Полимерные Ф4К15М5 0,88 6,1 Е-15

композиты KB 1,1 3,3 Е-15

млс-з 3,15 4,3 Е-15

Углеродные Нигран 8,7 1,52 Е-13

материалы АГ-600-С05 9,3 1,39 Е-14

АГ-1500 С05 9,3 7,8 Е-16

ЭГО-Б83 9,7 5,11 Е-15

ППГ-Б83 10,4 8,78 Е-15

Как видно из табл. 7, самые низкие [ру] имеют чистые полимеры. Присутствие наполнителей приводит к некоторому повышению [ру]. Для углеродных материалов [ру] достигают порядка 10 МПа м/с. Для ряда материалов (ПТФЭ, Ф4К15М5) полученные величины [ру] соответствуют справочным величинам. Для других материалов есть экспериментальные данные их использования при ру > [ру]. Поэтому в настоящей работе зависимости от нагрузки были построены до величины ру = кр [ру], где кр=2,5- коэффициент расширения рабочего диапазона нагрузок.

ЭЗИ позволяет перейти без дополнительных испытаний на износ к зависимостям от р при у=со«5/ или //, от V при р=сою1, которые в общем случае имеют вид зависимостей рис. 6. Коэффициенты а, Ъ, с и г/, полученные в ЭЗИ, используются при построении таких зависимостей.

Для большего удобства при подборе материалов для разрабатываемых узлов трения зависимости I/, от р при у=сои.?/ или Д от v при р=сот1 можно преобразовать в номограммы посредством аппроксимации соответствующих

участков кривых прямыми линиями. Несмотря на некоторую ошибку аппроксимации, появляется возможность по номограммам находить уравнения прямых линий и по ним определять величину Д для любой заданной нагрузки. При этом сетка носит вспомогательный характер. На рис. 13 и рис. 14 построены номограммы для определения Д в зависимости от р при различных постоянных значениях V для ПТФЭ и Ф4К15М5, а на рис. 15 и 16 приведены номограммы для определения Д в зависимости от V при различных постоянных значениях р для тех же материалов.

4 Д

•у / //

/ /

/ / ✓ /

«.1« / /

/ /

• » / / /

Хг^Г р........ , . . .

р, МПа

Рис. 13. Номограмма Д отр для ПТФЭ Д

/

/ .

/ / У

—

4

V, м/с

Рис. 15. Номограмма Д от V для ПТФЭ

р, МПа Рис. 14. Номограмма Д отр для Ф4К15М5 Д

Рис. 16. Номограмма Д от V для Ф4К15М5

V, м/с

Участки номограмм до второй точки перегиба или до точки минимума являются участками преимущественного действия механохимической составляющей изнашивания. В этой области на ниспадающих участках наблюдается либо обратная зависимость, либо постоянство значений Д от нагрузки. Из сравнительного анализа Д материалов Ф4К15М5 и ПТФЭ следует, что при одинаковых величинах V допустимое давление для Ф4К15М5 существенно выше, а Д при этом значительно ниже, чем для ПТФЭ. Кроме того, при одинаковых величинах р, величина допустимой скорости скольжения для Ф4К15М5 заметно выше, а величина Д при этом существенно ниже, чем для ПТФЭ. В уравнениях прямых линий для каждого материала величина коэффициента при изменении скорости или давления остается постоянной, а величина смещения по оси ординат зависит от скорости или

давления. При наличии минимум 2-х номограмм можно построить зависимости величины смещения от р или V в двойных логарифмических координатах. Эти зависимости имеют вид прямых линий и удобны в работе для определения величины 7/, и координат характерных точек.

ЭЗИ позволяет оценить ресурс работы различных узлов трения. Это связано с тем, что благодаря ЭЗИ величину коэффициента износа можно найти при любых заданных величинах ру. Тогда, например, для торцевого кольцевого уплотнения при условии заданного предельного линейного износа ЛИ кольца уплотнения и рабочего значения ру ресурс уплотнения определяется из соотношения

ДЫ„

/ =-— (31)

КруАэ ' У >

где Аи - номинальная площадь контакта реального узла трения; Аэ - площадь контакта при экспериментальных исследованиях; величины К и ру определяются из соответствующих графиков.

Физическая модель износа, разработанная на основе ЭЗИ, позволяет оптимизировать триботехнические свойства композитов на стадии их разработки. Для этого необходимо найти величину ¡3 по одному из уравнений (17), (19), (27) или (30). Однако величины износа матрицы и наполнителя в составе композита не известны. Но возможно проведение испытаний на износ объемных образцов материалов полимерной матрицы и выбранного наполнителя для определения коэффициентов аь сь ¿/ь относящихся к матрице и а2, Ъ2, с2, с12, характеризующих наполнитель. Однако благодаря различным процессам взаимодействиям матрицы и наполнителя не является простой суммой интенсивностей линейного изнашивания матрицы и наполнителя. Это определяется существенным различием величин коэффициентов ЭЗИ, ответственных как за механизмы износа, так и за степень влияния температуры на физико-механические характеристики. Поэтому для характеристики износа композита разработаны условия выбора общих эквивалентных коэффициентов ЭЗИ. Отметим, что частицы наполнителя в композите всегда взаимодействуют с матрицей. При этом в отличие от наполнителя физико-механические свойства полимерных матриц обычно в сильной степени зависят от температуры. Так как Ъ1 » Ъ2 , то процессы, связанные с вкладом наполнителя в образование вторичных структур также будут иметь показатель степени 6/. В то же время вклад других коэффициентов в общий эквивалентный коэффициент будет определяться нагруженностью матрицы р. Тогда физическая модель износа композита при учете выше сказанного принимает вид

/Л =аэр2уе-ь^ + сэр(е^-\), (32)

где аэ, Ьэ. сэ, ^э - эквивалентные коэффициенты; аэ = (02а, + (1-/?)2а,); Ьэ=Ьг, сэ =Рс,+(1-Р)с2, ¿э=Рс1,+(1-Р)с12.

Для проверки справедливости (32) воспользуемся тем, что при отсутствии наполнителя (<р/=0) нагруженность матрицы р= 1. Подставляя эту величину в

(31) получаем выражение для Д полимерной матрицы.

Физическая модель износа композитов в виде (32) дает возможность сравнительной оценки триботехнических свойств разрабатываемых модельных композитов и промышленных образцов. Рассмотрим применение

(32) для прогнозирования износостойкости двух различных классов полимерных композитов: с пространственным распределением наполнителя и со случайным распределением наполнителя в расплаве термопласта. Так как к первой группе относятся композиты на основе ПТФЭ, проведем сравнительный анализ износостойкости Ф4К15М5 и модельных образцов, на основе ПТФЭ и содержащих дисперсную фракцию различных углеродных материалов. Примем, что наполнители модельных композитов имеют ту же дисперсность, что и наполнитель Ф4К15М5, а так же у всех модельных композитов <Р[ =20% и Ер=220 - ГПа, тогда у рассматриваемых образцов >3=0,016. Результаты сравнительного анализа величин Д от р для ряда материалов приведены на рис. 17. Из рис. 17 следует, что при заданных нагрузках менее износостоек модельный композит на основе ПТФЭ, наполненный углеродным материалом без пропитки (кривая 1). По сравнению с ним Ф4К15М5 (кривая 6) имеет износостойкость несколько выше. Материал с наполнителем из углеродного обожженного материала, пропитанного баббитом, (кривая 5) при ¿»2,4 МПа имеет величину Д сравнимую с Ф4К15М5, а при р<2,4 МПа его Д имеет значительно меньшие значения. Модельные композиты, наполненные углеродными графитированными материалами, пропитанными антифрикционными сплавами (кривые 2, 3 и 4) имеют существенно большую износостойкость по сравнению с Ф4К15М5 во всем диапазоне рабочих нагрузок. Из них лучшие триботехнические характеристики имеет модельный композит ПТФЭ+АГ-1500 С05 (кривая 3). Сходный вид всех зависимостей позволяет сделать заключение, что разработанный метод определения эквивалентных коэффициентов и использование их в ЭЗИ в виде (32) применим при разработке композиционных материалов.

На рис. 18 представлены зависимости Д от р для модельных композитов на основе ПА6, в расплав которых гипотетически введены фракции углеродных материалов с дисперсностью 7 мкм и концентрацией 30 об.%. Графики материалов, представленных на рис. 18, характеризуются более высокой износостойкостью по сравнению с аналогичными зависимостями рис. 17 для модельных композитов на основе ПТФЭ. Зависимости Д от р рис. 18 для модельных композитов на основе ПА6 имеют более выраженную механохимическую составляющую. Кроме того, среди модельных композитов на основе ПА6 наиболее высокую износостойкость имеет композит с наполнителем из материала АГ-600 С05.

Из рис. 17 и рис. 18 следует, что из рассмотренных типов наполнителей в качестве эффективного наполнителя в диапазоне рассмотренных нагрузок

можно рекомендовать углеродные материалы, подвергнутые графитизации, с последующей пропиткой сплавом свинца и олова.

Л Л

р, МПа

Рис. 18. Зависимость lh отр для модельных композитов на основе ПА6 при v=0,5 м/с и 30 об.% углеродных наполнителей: 1-ЭГО-Б83, 2-ППГ-Б83, З-АГ-500 С05, 4-АГ-600 С05, 5-Нигран

р, МПа

Рис. 17. Зависимость lh отр для модельных композитов на основе ПТФЭ при v=0,5 м/с и 20 об.% углеродных наполнителей: 1- Нигран, 2- АГ-600 С05, 3- АГ-1500 С05; 4- ППГ-Б83, 5- ЭГО-Б83 и 6-промышленный Ф4К15М5

Разработанная физическая модель износа применима для оценки триботехнической эффективности наполнения полимерной матрицы на стадии разработки композитов. Для этого используем ранее введенную величину 1с" = lh И™- При этом для определения Ihc используем выражение (32), а для определения Ihm — выражение (14). Разложим экспоненты, в заключенные в скобки в (32) и (14), в ряд Тейлора и ограничимся первыми двумя слагаемыми. Окончательно находим

_ a3e~b,pv + с3d3 с~ а^+сА ■ (33)

Еслиpv—>0 и cpf=0, то /с™ =1, так как все коэффициенты в (33) будут равны.

По соотношению (33) были построены зависимости 1ст от объемной концентрации наполнителя и совместной нагрузки для модельных композитов на основе ПТФЭ (рис. 19) и полиамида (рис. 20), наполненных АГ-600 С05 с различной дисперсностью.

конц.

pv,

^^ pv,

a)- 6).

Рис. 19. Зависимости Icm от <pf и pv для модельного композита ПТФЭ+АГ-600 СО5: а), при гр=63 мкм, rj=l мкм; б), при гр~63 мкм, rf= 20 нм

конц.

Из рис. 19 следует, что величина 1ст практически не зависит от ру в рассматриваемом диапазоне значений. Концентрационная зависимость показывает, что 1ст снижается приблизительно на два порядка при введении наполнителя микронных размеров с концентрацией щг =10 об.%.(рис. 19 а).), а в случае применения наполнителя наноразмеров (рис. 19 б).) такое же снижение 1ст достигается при <рг=3 об.%.

т

1,35 1,8-/ pv, МПа м/с

0,375

0,5 об. конц.

а)- б). Рис. 20. Зависимости 1ст от <pf и pv для модельного композита ПА6+АГ-600 С05: а). /-/=7 мкм; б). rf= 20 нм

Из рис. 20 а), следует, что 1ст модельного композита на основе полиамида имеет заметную зависимость от ру в случае использования наполнителя микронных размеров. Величина 1ст, снижается монотонно с увеличением (рг и достигает своего минимального значения при ру=0,45 МПа м/с и концентрации 50 об.%. В этом случае 1ст снижается только в 4 раза. В то же

время при использовании наполнителя наноразмеров (рис. 20 б).) зависимость 1ст от ру менее выражена. Концентрационная зависимость /с" здесь имеет минимум при 12 об.% и ру= 0,45 МПа м/с и снижается в 6 раз. Заметим, что при таком же объемном содержании наполнителя микронных размеров 1ст снижается только в 2 раза.

Анализ зависимостей 1ст, построенных по (33) на рис.19 и рис.20, показывает, что они имеют сходный характер с зависимостями, полученными в результате применения физической модели относительного износа в виде (23), как для случая наполнения дисперсными частицами наноразмеров, так и частицами микроразмеров.

Основные выводы по работе

1. Разработаны физические и математические основы подхода к прогнозированию износостойкости полимерных композитов по свойствам их компонентов.

2. Проведен анализ распределения дисперсного наполнителя в полимерной матрице композитов. Созданы структурные модели полимерных композитов, как для случайного распределения, так и для пространственного распределения дисперсного наполнителя.

3. Предложен комплекс структурных и физических характеристик композита, которые в значительной степени определяют его износостойкость.

4. В пределах этого комплекса определены характеристики, которые различны для нано- и микро диапазонов размеров частиц наполнителя, а именно постоянная размеров частиц, постоянная числа слоев и коэффициент многослойности.

5. Установлена немонотонная зависимость интенсивности линейного изнашивания от условий нагружения. Такой характер зависимости подтвержден с позиции неравновесной термодинамики и анализа сигналов акустической эмиссии регистрируемой при трении. Разработано нелинейное уравнение износа (ЭЗИ).

6. Разработаны физические модели относительного износа полимерных композиционных материалов, на основании разработанного ЭЗИ и степенного закона изнашивания. Проведена экспериментальная проверка применимости разработанных моделей.

7. Получено выражение для определения доли немодифицированного полимера в композите при наличии сорбирования на границе полимер — наполнитель.

8. Предложен расчетно-экспериментапьный метод определения сопротивления деформированию структур по результатам анализа площадей частиц износа.

9. Проведен анализ диапазонов преимущественного действия составляющих износа для различных полимеров и композитов. Что позволило дать рекомендации по определению допустимых нагрузок.

10. На основе ЭЗИ создан информационный пакет данных включающий зависимости интенсивности линейного изнашивания, как от контактного

давления, так и от скорости скольжения для большой группы полимерных и композиционных материалов.

Работы автора по теме диссертации, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Особенности структуры композитов триботехнического назначения на основе политетрафторэтилена с наполнителями наноразмеров// Вопросы материаловедения. 2013. N. 2. С. 75-82.

2. Приложение эмпирического закона изнашивания к вопросам прогнозирования износа композитов на основе политетрафторэтилена// Вопросы материаловедения. 2012. N. 4. С. 217-222. (соавт. Козырев Ю.П.)

3. Исследование особенностей структурной агрегации частиц наполнителя в полимерных термопластичных композитах на основе сравнительного анализа размеров частиц износа// Вопросы материаловедения. 2011. N. 2. С. 50-56. (соавт. Козырев Ю.П., Стукач A.B.)

4. Оценка доли нагрузки на матрицу в полимерном композите Ф4К15М5 по результатам сравнительного анализа размеров частиц износа// Вопросы материаловедения. 2011. N. 1. С. 118-122. (соавт. Козырев Ю.П.)

5. Инженерная модель нанокомпозитов триботехнического применения на основе полимеров с многослойной структурой дисперсного наполнителя// Вестник машиностроения. 2011. N.1. С. 34-36. (соавт. Козырев Ю.П.)

6. Влияние процесса направленной агрегации частиц на характеристики полимерных антифрикционных нанокомпозитов// Проблемы машиностроения и надежности машин. 2010. N.4. С. 86-91. (соавт. Козырев Ю.П.)

7. Анализ влияния волокнистых и дисперсных наполнителей на снижение нагруженности полимерной матрицы при трении// Вестннк машиностроения. 2010. N. 6. С. 50-54. (соавт. Козырев Ю.П.)

8. Влияние особенностей структуры композиционных материалов на основе политетрафторэтилена на снижение нагруженности матрицы// Проблемы машиностроения и надежности машин. 2010. N. 2. С. 40-45. (соавт. Козырев Ю.П.)

9. Определение характеристик износостойкости полимерных материалов на примере полиамида ПА-6 и композита Ф4К15М5// Вопросы материаловедения. 2009. N. 1. С. 210-215. (соавт. Козырев Ю.П.)

10. Многофакторный анализ механизмов износа политетрафторэтилена и его композита с использованием эмпирического закона// Вестник машиностроения. 2009. N. 7 . С. 43-47. (соавт. Козырев Ю.П.)

11. Применение модели «расслоенных сеток» для анализа влияния поверхностной структуры на износостойкость композитов политетрафторэтилена с мелкодисперсным наполнителем// Проблемы машиностроения и надежности машин. 2009. N. 3. С. 49-53. (соавт. Козырев Ю.П.)

12. Влияние состава углеродных композиционных материалов на их нагрузочную способность// Вестник машиностроения. 2008. N. 2. С. 28-31. (соавт. Козырев Ю.П.)

13. Определение оптимальной частоты спектра сигналов акустической эмиссии для диагностики износа наполненного политетрафторэтилена// Вопросы материаловедения. 2008. N1.0. 1-5. (соавт. Козырев Ю.П.)

14. Применение термодинамической модели для анализа характеристик износостойкости материалов// Проблемы машиностроения и надежности машин. 2008. N1.0. 70-73. (соавт. Козырев Ю.П.)

15. Экспресс-метод для оценки триботехнических свойств углеродных материалов// Трение и смазка в машинах и механизмах. 2007. N. 8. С. 14-18. (соавт. Козырев Ю.П.)

16. Метод определения допустимых нагрузок при трении с использованием эмпирического закона изнашивания// Вестник машиностроения. 2007. N. 6. С. 44-46. (соавт. Козырев Ю.П.)

17. Анализ высокочастотного спектра сигналов акустической эмиссии и его связь с износостойкостью наполненного политетрафторэтилена// Проблемы машиностроения и надежности машин. 2007. N 3. С. 57-61. (соавт. Козырев Ю.П.)

18. Диагностика износа углеродсодержащего политетрафторэтилена с привлечением метода спектрального анализа сигналов акустической эмиссии// Вопросы материаловедения. 2006. N. 4. С. 1-6. (соавт. Козырев Ю.П.)

19. Статистический критерий оценки триботехнических свойств углеродных материалов// Вопросы материаловедения. 2006. N 2. С. 193-198. (соавт. Козырев Ю.П.)

20. Особенности частотного спектра сигналов акустической эмиссии при износе политетрафторэтилена// Проблемы машиностроения и надежности машин. 2005. N 6 . С. 115-119. (соавт. Козырев Ю.П.)

21. Применение метода акустической эмиссии для оценки изнашивания полимерных композитов на основе полиимида и политетрафторэтилена// Трение и износ. 2003. Т. 24. N. 1. С. 85-91. (соавт. Булатов В.П., Козырев Ю.П., Губанова Г.Н., Мелешко Т.К., Кудрявцев В.В.)

22. Применение метода акустической эмиссии для оценки влияния условий трения на изнашивание наполненных полимерных материалов// Трение и износ. 2002. Т. 23. N. 6. С. 670-673. (соавт. Булатов В.П., Козырев Ю.П.)

23. Временная зависимость коэффициента трения// Письма в ЖТФ. 1996, Т. 22, В. 19, С. 1-5. (соавт. Булатов В.П., Полевая О.В., Фадин Ю.А.)

24. Седакова Е.Б., Нагрев и разрушение поверхностных слоев металлов при трении// Письма в ЖТФ, 1995, Т. 21. В. 2. С. 35-39. (соавт. Фадин Ю.А., Булатов В.П.)

Патенты на изобретения

25. № 2338178 от 10.11.2008. Способ определения диапазона оптимальных рабочих нагрузок пар трения скольжения, (соавт. Козырев Ю.П.)

26. № 2263891 от 05.04.2005. Способ непрерывного контроля износа фрикционной пары (соавт. Козырев Ю.П.)

Публикации в прочих изданиях

27. Оценка эффективности наполнения полимерных композитов триботехнического назначения//Труды 3-ей Международной научно-

практической конференции «Современное машиностроение. Наука и образование». Санкт-Петербург. 2013. С. 379-386. (соавт. Козырев Ю.П.)

28. Частотный спектр сигналов акустической эмиссии при трении и его связь с периодичностью адгезионного износа// Трение, износ, смазка. Электронный ресурс. 2007. N.30. (соавт. Козырев Ю.П.)

29. Исследование трибологических свойств углеродных материалов// Трение, износ, смазка. Электронный ресурс. 2005. N.25. (соавт. Козырев Ю.П., Диденко Н. С.)

30. Способ непрерывного контроля износа полимерных материалов по ширине частотного спектра преобразованного сигнала акустической эмиссии// Труды международной научной конференции «Моделирование акустической эмиссии гетерогенных материалов». Санкт-Петербург. 2004. С. 30-33. (соавт. Козырев Ю.П.)

31. Методика неразрушающего контроля износа полимерных материалов (на примере полиимидов), основанная на корреляционном и спектральном анализе амплитудных флуктуации потока акустической эмиссии// Труды международного конгресса «МЕХТРИБОТРАНС 2003». Ростов-на-Дону. 2003. Т.1. С. 416-420. (соавт. Козырев Ю.П.)

32. О возможности исследования методом акустоэмиссии механизмов повышения износостойкости модифицированных полиимидов и фторопласта// Тезисы докладов международного симпозиума "О природе трения твердых тел" 2002. Гомель, (соавт. Булатов В.П., Козырев Ю.П.)

33. Исследование периодического упрочнения и разупрочнения поверхностных слоев меди при трении с учетом реальной площади контакта// Тезисы докладов научно технической конференции "Проблемы машиноведения", посвященной 10-летию Нф ИМАШ РАН. 1997, с. 60. Нижний Новгород, (соавт. Булатов В.П., Фадин Ю.А.)

34. Разрушение поверхности алюминиевых монокристаллов при трении// Сб. трудов II Международной конференции "Износостойкость машин". 1996, Брянск, С. 78. (соавт. Фадин Ю.А., Полевая О.В., Хохлов Г.Г.)

35. Усталостные явления при сухом трении металлов// Сб. трудов II международного симпозиума по трибофатике. 1996, М., С. 15-16. (соавт. Булатов В.П., Полевая О.В., Фадин Ю.А.)

36. Применение АЭ в системах контроля электротехнического оборудования по техническому состоянию// Сб. трудов семинара "Разработка и внедрение новых нетрадиционных методов контроля состояния турбо- и гидрогенераторов". 1996, С.-Петербург, С. 95-96. (соавт. Ионайтес В.Е., Преснов Ю.Л., Чалов A.A., Булатов В.П., Фадин Ю.А.)

Подписано в печать 01.07.13 Формат 60x84Vi6 Цифровая Печ. л. 2.1 _Тираж 100_Заказ 04/09 печать

Отпечатано в типографии «Фалкон Принт» (197101, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Пушкарская, д. 54, офис 2)

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем машиноведения Российской Академии Наук

На правах рукописи

05201351790

Седакова Елена Борисовна

Физические модели и уравнения износа

полимерных композиционных материалов

Специальность: 05.02.04 - Трение и износ в машинах

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 2013

(

Оглавление

Условные обозначения..............................................................6

Глава 1 Обзор литературы и постановка задачи

1.1 Введение...........................................................................10

1.2 Виды трения скольжения.......................................................12

1.3 Современные аспекты износостойкости полимерных

композитов..............................................................................13

1.4 Влияние наполнителя и особенностей технологического процесса изготовления композитов на надмолекулярную структуру полимерной матрицы.................................................................................17

1.5 Роль пленок переноса в повышении износостойкости полимерных композитов..............................................................................21

1.6 Распределение контактной нагрузки между структурными составляющими композита..........................................................25

1.7 Физическое и математическое моделирование

трибопроцессов.........................................................................28

1.8 Заключение и постановка задачи...............................................33

Глава 2. Методы и техника проведения экспериментальных исследований

2.1 Введение.............................................................................36

2.2 Объекты исследований...........................................................37

2.3 Выбор режима трения.............................................................41

2.4 Испытания материалов на прочность при растяжении....................42

2.5 Экспериментальная установка для исследования износа материалов..............................................................................43

2.6 Исследование температуры в зоне трения....................................47

2.7 Метод ускоренных испытаний на износ......................................48

2.8 Комплекс для изучения акустической эмиссии (АЭ)......................49

2.9 Измерительный комплекс для морфологического анализа частиц износа «Видеолаб 2.2»

2.9.1 Краткое описание комплекса.................................................52

2.9.2 Работа с меню системы «Видеолаб 2.2»...................................53

2.9.3 Анализ морфологических характеристик частиц износа...............54

2.10 Заключение........................................................................55

Глава 3. Применение акустической эмиссии в трибологических исследованиях полимерных композитов

3.1 Введение.............................................................................57

3.2. Акустическая эмиссия при трении.............................................58

3.3 Особенности акустической эмиссии при трении полимеров.............61

3.4 Применение метода акустической эмиссии для оценки изнашивания полимерных композитов по величине средней

энергии сигналов АЭ...................................................................65

3.5 Способ непрерывного контроля износа фрикционной пары, основанный на корреляционном анализе среднеквадратичного отклонения последовательности амплитуд сигналов АЭ...........................72

3.6 Диагностика износа с применением дискретного преобразования Фурье к сложным автокорреляционным функциям сигналов АЭ............78

3.7 Заключение и. выводы по главе...................................................83

Глава 4. Эмпирический закон изнашивания

4.1 Введение................................................................................85.

4.2 Анализ экспериментальных данных триботехнических испытаний полимерных и композиционных материалов,

приведенных в литературных источниках..........................................85

4.3 Обоснование необходимости выбора многофакторной универсальной функции, связывающей износ материала с внешними условиями на примере исследования

износа углеродных антифрикционных материалов...............................90

4.4 Обоснование с позиции неравновесной термодинамики наличия участка обратной зависимости коэффициента износа

от совместной нагрузки.................................................................97

4.5 Температурные явления в зоне трибоконтакта...............................102

4.6 Математическое выражение эмпирического закона изнашивания.......104

4.7 Анализ механизмов изнашивания с применением эмпирического закона изнашивания....................................................................109

4.8 Заключение и выводы по главе...................................................111

Глава 5. Физическая модель износа полимерных композитов со случайным распределением дисперсного наполнителя

5. 1. Введение..............................................................................115

5.2. Общие вопросы влияния дисперсных наполнителей.

5.2.1 Распределение контактного давления на поверхности композита, наполненного короткими волокнами................................................116

5.2.2 Распределение контактного давления в композите, наполненном дисперсными частицами...............................................................122

5.3. Влияние процесса направленной агрегации дисперсных частиц на триботехнические характеристики полимерных композитов

5.3.1 Физическая модель композитов с учетом направленной агрегации дисперсных частиц наполнителя......................................................126

5.3.2 Влияние агрегации дисперсных частиц на распределение контактного давления между матрицей и наполнителем.......................130

5.3.3 Сводная таблица параметров, определяющих нагруженность матрицы, при случайном распределении дисперсного наполнителя..........133

5.3.4 Определение доли немодифицированного полимера в композите

при наличии сорбирования на границе полимер - нанонаполнитель.........134

5.4 Экспериментальная проверка разработанной физической модели композитов, учитывающей направленную агрегацию дисперсных

частиц наполнителя..

5.4.1 Условия проведения экспериментальных

исследований..............................................................................136

5.4.2 Определение объемной концентрации наполнителя по заданной величине его массовой концентрации..............................................138

5.4.3 Определение величины нагруженности матрицы композита

по размерам частиц износа............................................................139

5.5 Уравнение для определения относительной интенсивности линейного изнашивания композита по отношению к матрице

как физическая модель относительного износа композита.....................140

5.6 Анализ применимости нагруженности матрицы в качестве структурного параметра физической модели износа композита

со случайным распределением дисперсного наполнителя......................144

5.7 Заключение и выводы по главе....................................................150

Глава 6. Физическая модель износа полимерных композитов с пространственной структурой дисперсного наполнителя

6.1. Введение...............................................................................155

6.2. Особенности композитов с однослойной пространственной структурой дисперсного наполнителя................................................157

6.3 Физическая модель композитов триботехнического назначения на основе полимеров с однослойной пространственной структурой дисперсного наполнителя.

6.3.1 Распределение контактного давления в композите с однослойной пространственной структурой наполнителя........................................163

6.3.2 Расчет нагруженности матрицы на примере модельного

композита..................................................................................167

6.4 Экспериментальная проверка физической модели композитов, с однослойной пространственной структурой наполнителя.

6.4.1 Оценка величины сопротивления деформированию дисперсной среды по результатам сравнительного анализа частиц износа на

примере композита Ф4К15М5.........................................................168

6.4.2 Условия проведения экспериментальных исследований..................169

6.5 Зависимость величины нагруженности матрицы от концентрации и размера частиц наполнителя...........................................................172

6.6 Физическая модель нанокомпозитов триботехнического назначения на основе полимеров с многослойной пространственной структурой дисперсного наполнителя.....

6.6.1 Распределение контактного давления в композите с многослойной пространственной структурой наполнителя....................176

6.6.2 Определение масштабного эффекта и постоянной числа

слоев для многослойной структуры нанонаполнителя.........................181

6.7 Сводная таблица параметров, определяющих нагруженность матрицы, для случая распределения дисперсного наполнителя в

виде пространственной структуры..................................................183

6.8 Анализ применимости нагруженности матрицы в качестве структурного параметра физической модели износа композита с

пространственной структурой наполнителя.......................................184

6.8 Заключение и выводы по главе...................................................187

Глава 7. Применение эмпирического закона изнашивания для прогнозирования износа полимерных композитов

7.1 Введение...............................................................................192

7.2 Способ определения допускаемой совместной нагрузки при

трении.......................................................................................193

7.3. Анализ вклада составляющих изнашивания в общий

износ материалов........................................................................197

7.4 Примеры представления справочной информации триботехнических параметров материалов на основе эмпирического закона изнашивания..

7.4.1 Допускаемые величины контактных давлений и

скоростей скольжения...................................................................205

7.4.2 Интенсивность линейного изнашивания в диапазонах

контактных давлений или скоростей скольжения................................209

7.4.3 Номограммы для определения триботехнических

характеристик материалов..............................................................215

7.5 Определение нормативного ресурса узла трения.............................218

7.6 Приложение эмпирического закона изнашивания к

вопросам разработки композитов............................................................221

7.7. Заключение и выводы по главе...................................................230

Заключение...............................................................................234

Литература...............................................................................238

Приложение..............................................................................267

Условные

А — площадь единичного элемента; Ааэ- амплитуда АЭ сигнала; А„ - номинальная площадь контакта; А о - площадь одного пятна контакта; А от - относительный размер площадей частиц износа;

Аи- площадь частицы износа (проекция изображения ее в поле микроскопа); Аско - среднеквадратическое значение амплитуды сигнала за интервал времени наблюдения;

АТр - работа силы трения;

Аг- фактическая площадь контакта;

А(0 - реализация АЭ сигнала;

С - постоянная интегрирования;

с- скорость звука;

£>ф - фрактальная размерность;

Дс -нормированная автокорреляционная

функция;

с! -диаметр поперечного сечения волокна наполнителя;

йо- диаметр пятна единичного контакта; с1ор - диаметр зоны фактического контакта чистого полимера и композита;

г*

с1о - диаметр зоны фактического

контакта композита;

с1ир - средний размер частиц износа

полимера и композита;

аис - средний размер частиц износа

композита;

Е - модуль упругости материала; Е/- сопротивление деформированию дисперсной среды;

6-

обозначения

Е/о - модуль упругости наполнителя при полном заполнении частицами наполнителя поверхности частицы полимера;

Еам -модуль упругости аморфного полимера;

Ек- модуль упругости частично кристаллических полимеров; e¡ и в2 - размеры полуосей эллипса; Ff -площадь поперечного сечения волокон;

Fe- площадь поперечного сечения композита;

Fm - площадь поперечного сечения частицы полимера в композитном кубе; Fas- площадь поверхности датчика; /аэ -частота заполнения импульса АЭ; /ф - фактором формы частиц износа; /- коэффициент трения; fm- наивысшая частота в спектре равна; Тол - ширина приведенной нормированной спектральной плотности на уровне ОД W(f)/Wmax(f); Н- линейный размер выделенного объема композиционного материала; НВ -твердость материала; hen -толщина сорбированного слоя, образующегося между полимером и наполнителем;

/ - мощность непрерывной волны в твердом теле;

Д - интенсивность линейного изнашивания;

1м - линейная аппроксимация функции

Ш;

J - термодинамический поток; 7 - безразмерный коэффициент; ^-коэффициент износа; к - коэффициент расширения экспериментального диапазона нагрузок; ка - параметр, определяющий наклон прямой;

ко - коэффициент связи параметров диффузии с массовым износом; ко1 - коэффициент связи параметров диффузии с массовым износом при нестационарном состоянии системы; кк - поправочный коэффициент, учитывающий случайный характер генерации сигналов АЭ; кср - размерный коэффициент, определяемый в предварительных испытаниях по величине массового износа;

К1 - размерный коэффициент;

К1ср - среднее значение Кь

к1 - вероятность отделения частиц износ;

Ь - путь трения;

Ьо -длина кривой без учета

фрактальности;

/ - длина волокна наполнителя; / с - критическая длина коротких волокон;

1т - средняя относительная длина агрегатов, образовавшихся из дисперсных частиц наполнителя;

I s - средняя длина агрегатов, образовавшихся из дисперсных частиц наполнителя;

т - число сдвигов точек дискретной реализации на величину шага At; тх- среднее значение случайной функции;

тf - масса наполнителя в композите;

тт - масса полимера в композите;

тя - число совпадений номеров ячеек с

частицами в смежных слоях совпадений;

N - нагрузка;

Np -нагрузка на полимер;

Ыаэ - число регистрируемых сигналов

АЭ;

п - кратность процесса разрыва связей;

пжс - число опытов;

псл - число слоев, параллельных

поверхности трения;

псл 1 - число частиц в первом слое, не

нашедших совпадений;

пf - число частиц наполнителя;

njv - число частиц наполнителя в единице

объема;

«/„о-число частиц наполнителя при полностью заполненном первом слое; пр у - число частиц полимера в объеме композита;

Р - периметр исследуемого элемента;

р - контактное давление;

рт - давление в области контакта

матрицы с контртелом;

р f — давление, создаваемые на

поверхности контакта в области

дисперсного наполнителя;

рс - давление, создаваемое на поверхности контакта композита с контртелом;

Рс тах - максимальное рабочее давление в узле трения;

(2 - коэффициент усиления композита; Qw - энергия разрыва структурных связей;

- среднеарифметическое отклонение профиля поверхности;

гр - линейный размер ребра кубической частицы полимера; 5 - энтропия в термодинамической системе;

¿лэ-число осцилляций;

Бфф - преобразование Фурье от

нормированной автокорреляционной

функции;

Б/ф - приведенная нормированная спектральная плотность; Т - абсолютная температура; Тп - длительности паузы между соседними сигналами АЭ; ^/-постоянная времени; время;

- длительность сигнала АЭ; (с- постоянная числа слоев;

и - удельная энергия (энергия, затраченная на удаление единицы объема изношенного материала); иа - удельная энергия при адгезионном износе, при котором частицы образуются в результате среза более мягких выступов;

V - скорость скольжения;

¡¥ф- энергетический спектр;

Шьь- амплитуда нормированного

энергетического спектра

последовательности величин Аско

сигналов АЭ при/=5 Гц;

Ше> - упругая энергия, запасенная в

единичном объеме материала;

1¥т - удельная мощность трения;

м> - скорость износа;

у, - экспериментальные величины

относительного износа;

X - термодинамическая сила;

Хс - доля кристаллической фазы в

полимере;

х(() - случайная функция;

х°ф - центрированная случайная

функция;

г- вероятность удаления атомов с поверхности при их встрече с другими атомами, расположенными на единичной площадке, при перемещении на единицу длины;

¿л - количество областей единичного контакта;

аи Ъи си (¡1, а2, Ъ2, с2, с12 , а3, Ь3, с3, с13 -размерные коэффициенты; аэ, Ьэ, сэ, ¿э - размерные эквивалентные коэффициенты;

х, Ьс, сс, g - эмпирические константы; Ф- фактор фрактальности; Фй Ф2; Фз, Ф4 -безразмерные инварианты;

ЛИ - толщина изношенного слоя; Лт - массовый износ;

АТ- время усреднения (длительность реализации);

Л1 - интервал между соседними

импульсами;

АУ-объемный износ;

АУт - объемный износ материала

матрицы;

А V/- объемный износ материала

наполнителя;

Ат - временной сдвиг;

А„ - толщина стенки наполнителя

а - угол наклона;

ат - температурный коэффициент; /? - доля внешней нагрузки, приходящейся на матрицу в полимерном композите, нагруженность матрицы;

£ - масштаб измерений периметра поперечного сечения единичного элемента дисперсного наполнителя; ер - относительная деформация при разрыве;

ун - относительная деформация при срезе;

уо - коэффициент переноса; <р - химический потенциал;

объемная концентрация наполнителя; - объемная пороговая концентрация наполнителя;

щк - концентрация наполнителя на гранях полимерного куба; (р$о - пороговая концентрация наполнителя на поверхности трения; ср „, - весовая концентрация наполнителя;

(р „о - весовая пороговая концентрация наполнителя;

А - коэффициент теплопроводности материала;

0 - отношение дисперсий, рассчитанных

для аппроксимирующих зависимостей;

р- плотность материала;

Рх(Ат) - автокорреляционная функция;

р(Ат) - нормированная

автокорреляционная функция;

а - напряжение в материале;

ат - напряжение текучести материала;

а-р - напряжение разрушения при

растяжении;

т -сдвиговое или полное касательное напряжение при срезе;

- коэффициент многослойности стенки наполнителя

Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи

1.1 Введ