Физические модели и уравнения износа полимерных композиционных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Физические модели и уравнения износа полимерных композиционных материалов

Специальность: 05.02.04 «Трение и износ в машинах»

На правах рукописи

Седакова Елена Борисовна

Санкт-Петербург 2013

Работа 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: - ФГУП НИИ 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 направить в адрес Совета.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор 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 особенно 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 AФ-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 291 наименований и приложения (пакет разработанных компьютерных программ, патенты на изобретения (на 2 страницах), акты внедрения на 2 страницах). Работа изложена на страницах текста, содержит рисунок и таблиц.

износ полимерный композиционный наполнитель

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, В.М. Петров, 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)

где Ih - интенсивность линейного изнашивания материала; p - давление в области контакта; v - скорость скольжения; x, bс, g - коэффициенты.

Уравнение (1) применимо в диапазоне действия одного механизма износа. В связи с тем, что показатели степени в нем положительные, зависимость Ih, 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 pv. В отличие от pv-фактора, характеризующего предельные нагрузки, этот параметр назван совместной нагрузкой. Выбор pv 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 p и v и углубленного анализа составляющих изнашивания испытания на износ проводились на оригинальной установке -трибометре, который позволяет реализовать изменение величины pv в диапазоне 0,006 12,9 МПа м/с.

Исследования материалов на износ проводились без смазки по торцевой схеме кольцо - плоскость и палец - диск. Режим трения 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 p 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 p 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 m, 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.

Таблица 1. Характеристики исследованных материалов

Категория материала	Материал	Краткая характеристика
Чистый полимер	Политетра-фторэтилен (ПТФЭ)	Термопласт. Максимальная рабочая температура 150-200oC. Температура плавления кристаллитов 315оС
	Полиамид (ПА6)	Термопласт. Температура cтеклования 70оС. Максимальная рабочая температура 60оС
Полимерные композиты	МЛ Тордон	На основе полиуретана
	Ф4К15М5	ПТФЭ+ 15 об. % кокса + 5 об. % MoS2
	Ф4К20	ПТФЭ+ 20 об. % кокса
	КВ	ПТФЭ + углерод
	МЛ С-3	ПТФЭ + 70 вес. % углерода + 0,8 вес. % хрома + 2 вес.% Fe
	ФК	ПТФЭ+литейный кокс КЛ-1, образцы с концентрациями: 5, 10, 15, 20 и 25 об. %
	ФМ	ПТФЭ+ MoS2 , образцы с концентрациями: 5, 10, 15, 20 и 25 об. %
	Опытный	ПА + 5 вес. % Al
	Опытный 1М	Полиимид + 1 % фуллерена
	Опытный 3М	Полиимид + 0,1 об. % фуллерена (технология 1)
	Опытный 3М1	Полиимид+ 0,1 об. % фуллерена (технология 2)
Углеродные материалы	Нигран	Углеродный графитированный материал без пропитки
	АГ-600 СО5	Углеродный графитированный материал, пропитанный сплавом свинца и олова
	АГ-1500 СО5	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

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.

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:

(2)

где AАЭ- амплитуда первого колебания АЭ сигнала; tи - длительность сигнала АЭ; S-число осцилляций; ТП -длительность паузы; fАЭ -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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Пример случайной функции АСКО сигналов АЭ

Возможность такого преобразования основана на определенной эквивалентности электрических и акустических процессов, так как пъезодатчик формирует электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна величине напряжений в поверхностном слое, возникающих в материале от неоднородности деформаций. Для вычисления автокорреляционной функции х() реализация АСКО подвергалась дискретизации с постоянным шагом t, причем временной сдвиг = tm, где m - число сдвигов точек дискретной реализации на величину шага t. Далее х() нормировалась на величину дисперсии случайной функции.

Зависимости, приведенные имеют квазипериодический характер. Поэтому для получения спектральной плотности этих функций, проводилось дискретное преобразование Фурье. На рис. 3 представлен полученный энергетический спектр W(f), который для удобства нормирован по максимальной амплитуде Wmax(f). Известно, что в диапазоне частот ?f0,1 от 0 до частоты, соответствующей величине 0,1 W(f)/ Wmax(f), содержится не менее 90 % всей энергии спектра. Таким образом, величина ?f0,1 является энергетическим параметром сигнала АЭ, связанным износом материала.

На рис. представлены частотные зависимости W(f)/Wmax(f), полученные при р= 6 МПа и при р= 3 МПа, на которых обозначены частоты, соответствующие 0,1 W(f)/ Wmax(f). Так как кривые 1, приведенные на рис. 3, имеют нестационарный характер, то величина ?f0,1 определялась по сглаживающим кривым 2. Получено, что величина ?f0,1 уменьшается с ростом величины p. Это определяется тем, что существенный вклад в энергетический спектр вносят сигналы с наибольшими АСКО, которые связаны с отрывом частиц износа.

Установлено, что такой метод контроля величины износа по ширине нормированного энергетического спектра на уровне 0,1 W(f)/ Wmax(f) дает хорошие результаты при трении со скоростью скольжения не более 0,1 м/с. При v 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 fmax =5 Гц, коэффициент корреляции между амплитудой 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 mр определялась по соотношению

(3)

где Wh5 - амплитуда нормированного энергетического спектра последовательности величин АСКО сигналов АЭ при f=5 Гц; L=v?t - путь трения; t ? наработка; kср - размерный коэффициент, определяемый в предварительных испытаниях по величине m .

Величина mр определялась по (3) с учетом определения kср

(4)

где nЭКС - число опытов.

Результаты расчетов приведены в табл. 2.

Таблица 2. Сравнение рассчитанных по (3) величин mр и экспериментальных величин m материала Ф4К20.

№ п/п	pv, МПа м/с	Износ m, мг	Амплитуды Wh5, отн. ед.	kср, мг/м	Износ mр, мг	Погрешность определения 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 метод 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 m и Wh5 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=V/NL (5)

где V - 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, В.С. 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

(6)

где K1- размерный коэффициент; K2 - 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 K 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 СО5	4,32?10-15	8,37?10-16	5,16
АГ-1500 СО5	1,75?10-14	6,7?10-15	2,6
ППГ-Б83	1,02?10-14	5,26?10-15	1,93
ЭГО-Б83	1,21?10-15	7,3310-16	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

(7)

где kD - коэффициент; D - термодинамический коэффициент переноса; vD - коэффициент диффузии; - плотность; Аn - номинальная площадь трибоконтакта.

Если принять, что величины входящие в (7) кроме D постоянны, то необходимо найти зависимость D 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. показана схема термодинамических процессов в зоне трения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Схема термодинамических процессов в зоне трения при формировании вторичной структуры: 1- композит; 2-вторичная структура; dQ1 и dQ2 - потоки тепла, вызываемые трением и теплоотводом соответственно; dm1 - потеря массы материала за счет износа; dm2 - 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

(8)

где dS1 - изменение энтропии за счет потока тепла; dS2 - изменение энтропии за счет процесса переноса; dS3 - уменьшение энтропии системы за счет износа, т.е. выноса вещества за пределы термодинамической системы. Стабильное состояние вторичной структуры возможно только в том случае, если dS2 >>dS3.

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

(9)

где Sуд - 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

(10)

где - коэффициент теплопроводности; - 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 D в зависимости от pv, приняв допущение, что износ вторичной структуры пропорционален D. Для этого продифференцируем (10) по pv и проинтегрируем полученное уравнение. В результате получаем

(11)

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

Тогда, подставив (11) в (7), получаем

(12)

где соответствует начальному состоянию системы.

Выражение (12) показывает, что в области стационарного состояния рассмотренной термодинамической модели происходит снижение величины Ih с увеличением величин p и v. Таким образом, термодинамическая модель подтверждает тот факт, что зависимость износа от нагрузки может быть немонотонна.

Уровень температуры в зоне трения зависит от pv 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 pv. Аппроксимация экспериментальных данных проводилась по соотношению, вида

(13)

где a, b, c, d - 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. 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.

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

Второе слагаемое (13), отражает монотонный рост К с увеличением pv. 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 K 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

(14)

Характер зависимостей Ih от p и Ih от v не противоречит. Таким образом, соотношение представляет интерес при выборе конкретных диапазонов величин p 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. показаны результаты сравнительного анализа зависимостей Ih от p, построенных на основании ЭЗИ и по степенному уравнению (1), на примере материала Ф4К15М5. Из рис. 4 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 Ih в диапазоне нагрузок, где существенны механохимические процессы. В этом диапазоне нагрузок величины Ih по кривой 1 имеют существенно более высокие значения по сравнению со значениями кривой 2, что необходимо учитывать при определении срока службы узла трения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Зависимость Ih от p при v=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 l и с диаметром d, и полимерной матрицей. В случае нормальной ориентации к поверхности трения единичного волокна на его боковых поверхностях в условиях сжимающей внешней нагрузки возникают сдвиговые напряжения .

Тогда давление в области контакта волокна с контртелом определяется выражением

(15)

где pm - 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 f2/3 в виде соотношения, аналогичного правилу смесей, где f -объемная концентрация наполнителя. Проведя дальнейшие преобразования, приходим к соотношению, отражающему распределение контактного давления, между матрицей и наполнителем

(16)

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

(17)

где Q - 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

(18)

где - масштаб измерений периметра поперечного сечения единичного элемента дисперсного наполнителя; D - 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 в (15).

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

Введение в уравнение износа величины , 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 rf. 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 lm, результаты расчета которой приведены в табл. 4. Процесс направленной агрегации иллюстрирует рис. 8.

Из данных табл. 4 следует, что величина lm 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 величины объемной концентрации дисперсного наполнителя

Объемная концентрация наполнителя, f, %	0,3	0,5	1	5	10	20	30	40	50	70
Средняя относительная длина агрегатов, lm	1	1,07	1,16	1,36	1,40	1,87	2,28	2,78	3,30	5,14



Рис. 5. 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; H- линейный размер объема, N- внешняя сжимающая нагрузка

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

(19)

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 l/d или средняя относительная длина агрегатов lm, коэффициента усиления Q и адгезионных свойств контакта матрица-наполнитель. При варьировании этих величин изменяется и , а вместе с ней и распределение нагрузки внутри композита.

Таким образом, справедливо рассматривать в качестве структурного параметра композита. Параметры композита, входящие в выражение для определения величины , сведены в табл. 5.

Таблица 5. Перечень параметров, определяющих величину , при случайном распределении дисперсного наполнителя

Название параметра композита	Обозначение
Объемная концентрация	f
Длина волокна	l
Диаметр волокна	d
Линейный размер частицы наполнителя	rf
Коэффициент усиления	Q
Фрактальная размерность	D
Средняя относительная длина агрегатов частиц	lm

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

(20)

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

(21)

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

В том случае, когда = 1сорбирование полимера отсутствует. При =0 вся полимерная матрица находится в сорбированном состоянии. Расчетные данные величины по соотношению (20) показали, что при rf = 1 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 . Тогда, для определения интенсивности линейного изнашивания композита соотношение (1) принимает вид

(22)

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

(23)

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

Далее показана применимость физической модели относительного износа композита для оценки эффективности наполнения при введении мелкодисперсного наполнителя из материалов, имеющих как более высокую износостойкость, так и более низкую износостойкостью по отношению к матрице. На рис. приведены расчетные концентрационные зависимости относительной интенсивности линейного изнашивания композита по отношению к матрице при различных величинах y/x. Из рис. следует, что в случае y/x=0,5 приведенные кривые во всем диапазоне концентраций имеют IC m < 1, и, таким образом, имеет место положительный эффект от введения наполнителя. При размерах частиц rf = 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 f 6 %. Однако при наполнении частицами с rf =20 нм уже при этой концентрации весь полимер находится в сорбированном состоянии, а при rf =100 нм матрица становится полностью сорбированной при f = 25%. На рис б). рассмотрен случай применения менее износостойкого наполнителя по сравнению с матрицей. Значение y/x 1 имеет место при наполнении полимеров порошками металлов, таких как алюминий, латунь, медь и других, которые в отличие от полимеров обладают высокой теплопроводностью.

а) б)

Рис. 6. Зависимости IC m от f : пунктирные линии соответствуют f, при которой =0 для rf =20 и 100 нм; a). y/x =0,5; 1 - rf = 20 нм; 2- rf=100 нм; 3 - rf =1 мкм; 4- rf =5 мкм; б). y/x =2; 1 - rf = 20 нм; 2- rf=100 нм; 3 - rf =1 мкм; 4- rf =5 мкм.

Данные рис. 6б). 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 IC m наблюдается при концентрации 3 %, а при f =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 rf =20 нм. С увеличением размера частиц минимумы IC m смещаются в область более высоких концентраций (кривые 3 и 4). Отметим, что при f > 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.% Al и материала наполнителя со сбором частиц износа. В результате получено, что при заданной концентрации IhC меньше, чем Ihm. Величина определялась как экспериментально на основе разработанного метода оценки нагруженности матрицы композита по размерам частиц износа, так и по (19). Разница между полученными величинами составила 17,5%. Используя экспериментальные данные, уточнена величина показателя степени bc в выражении для определения IC m, которая составила 2,5.

В результате получено хорошее совпадение концентрационных зависимостей ICm, 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.



Рис. 7. Схематичное изображение единичного элемента наполненного полимера. 1-частица наполнителя с размером rf; 2- частица полимера с размером rp, 3, 4 - разрез по границе частиц наполнителя и частицы полимера; остальные грани - разрез между частицами наполнителя и соседними частицами полимера

Показано, что рассматриваемая структура наполнителя характеризуется пороговой объемной концентрацией наполнителя f0, при которой вся поверхность частицы полимера покрыта одним слоем частиц наполнителя и при этом поверхностная концентрация на гранях куба SK =1.

Величина SK всегда существенно выше f . В работе получены соотношения для расчета f0 и SK

(24)

(25)

Соотношение (24) определяет ограничение концентрации наполнителя, так как при f > f0 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.