книги / Основы создания полимерных композитов

деформирование облегчается под влиянием адсорбционно-активных свойств продуктов деструкции полимера или смазки [42].

В работе [43] выполнены оригинальные исследования по изуче­ нию механизма изнашивания металла при трении о полимер с точки зрения молекулярного строения полиамида и его химической актив­ ности. Механокрекинг макромолекул сопровождается образованием свободных радикалов и ион-радикалов, характеризующихся высокой реакционной способностью к кислороду воздуха. Переходя в перок­ сиды, они становятся окислителями металлов, что приводит к катаст­ рофическому изнашиванию. По данным работы [44], появление сво­ бодных радикалов является следствием большого комплекса вторич­ ных реакций, инициированных этими радикалами. Для управления окислительным изнашиванием предложено в небольших количествах вводить в полимер ингибиторы, активно взаимодействующие со сво­ бодными радикалами [45].

В работе [46] внешнее трение представлено как термофлуктуационный процесс. На основе этого в работе [47] предложена молеку­ лярно-кинетическая теория трения, согласно которой на поверхности полимера находятся участки цепей, совершающие беспорядочные перескоки из одного положения сцепления в другое.

В работе [48] сделана попытка связать износ пластмасс с их ме­ ханическими свойствами. Однако вследствие механических свойств трущихся пар износостойкость находится в сложной функциональ­ ной зависимости от температуры [49].

В последние годы в целях прогнозирования работоспособности узлов трения по результатам ускоренных испытаний большое разви­ тие получил вероятностно-статистический подход к процессу трения и моделирования [50 - 54]. Причем существенное расширение условий экспериментальных исследований (высокие нагрузки и скорость, глу­ бокий вакуум, высокие и криогенные температуры, нетрадиционные жидкие и газовые среды, высокоэнергетические излучения) привело к обнаружению ряда весьма интересных эффектов и явлений, которые, в свою очередь, дали толчок к изучению специфических механизмов трения и изнашивания. Среди них - открытие избирательного пере­ носа и аномально низкого трения; трибополяризация; результаты изучения водородного износа; особенности трибологического пове­ дения при мощных тепловых воздействиях, при сверхвысоких скоро­ стях, и многие другие [55 - 57].

Ни одна из рассмотренных теорий не учитывает такого свойства антифрикционных материалов, как способность образовывать на по­ верхности трения пленку, обладающую смазочными свойствами. Ис­ следованиями последних лет установлено многообразие форм фрик­ ционного переноса с образованием сплошных и очаговых пленок - фрагментов "третьего" тела в контакте полимер - полимер и металл - полимер. Причем большинство исследователей считает, что при фрикционном взаимодействии металлополимерной пары полимер об­

461

разует на металлической поверхности мономолекулярный слой, что является причиной низкого трения и высокой износостойкости [6, 7, 58]. Наиболее глубоко изучен процесс фрикционного переноса для фторопласта (ПТФЭ) и полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) [59 - 62]. Авторы работ [61, 62] наблюдали перенос тонкой пленки ПТФЭ на остальные поверхности и при этом установили, что пленка переноса ориентирована в направлении скольжения. В работах [63, 64] указывается на роль режимов трения (скорости скольжения, температуры) в образовании перенесенной пленки и отмечается, что высокая степень кристалличности и ориентация перенесенных слоев ПТФЭ оказывают влияние на характер фрикционного взаимодейст­ вия. Считается, что пленки переноса на сопряженной поверхности обычно возникают из-за локализованной адгезии между соприкасаю­ щимися поверхностями и поддерживаются ею же; эти пленки ослаб­ ляют износ, уменьшая шероховатость сопряжений поверхности. При­ чем ряд исследователей отмечает, что связь пленки с металлом имеет химическую природу [7, 64, 65]. При этом структура и состав пленок зависят от времени скольжения и величины приложенной нагрузки.

В работах [66, 67] показана роль структурных превращений в граничных слоях контактирующих полимеров и высказано предпо­ ложение о влиянии на механизм переноса полярности полимера. Ус­ тановлено, что перенос происходит с менее полярного на более по­ лярный полимер. Масс-спектроскопические исследования продуктов переноса исходного материала показали, что для сильнополярных полимеров механизм переноса определяется в основном процессами образования и взаимодействия на трущихся поверхностях свободных радикалов [68]. Дальнейшее подтверждение и развитие эти положения получили в работе [69], авторы которой показали, что толщина пере­ несенного слоя определяется скоростью скольжения, нагрузкой и временем испытания, а сам перенос происходит от материала с низ­ кой плотностью когезионной энергии на материал с более высокой плотностью.

В работе [58] утверждается, что образование пленок может про­ исходить не только на поверхности металлического контртела, но и на поверхности полимерного подшипника. Однако механизм образо­ вания "третьего" тела на поверхности композита менее понятен: он может включать поверхностное течение, агрегацию рыхлого мате­ риала износа при его прохождении через зону контакта или обрат­ ный перенос материала, ранее перенесенного на сопряженную по­ верхность. Также не вполне ясно, каким образом "третье" тело на поверхности полимера влияет на износ.

Еще большую трудность представляет применение современных теорий трения и износа к наполненным полимерным материалам. При их трении по металлическим контртелам происходят химические реакции между компонентами и основным полимерным материалом композиции. При этом наполнители зачастую играют основную роль

462

в процессах трения и износа посредством фрикционного переноса. Причем для наполненных полимеров перенос возможен как от напол­ нителя и матрицы в отдельности, так и от обоих одновременно. Про­ веденные исследования [58] сухих подшипников скольжения из ком­ позитов на основе ПТФЭ - волокна, стекловолокна и фенольной смолы в паре с нержавеющей сталью - убедительно показали, что структура и состав пленки переноса меняются в процессе трения и в большей степени зависят от нагрузки. Кроме того, на сопряженной поверхности в пленке переноса наблюдается существенная деструк­ ция ПТФЭ.

В работах [70, 71] установлено, что при фрикционном взаимо­ действии полимеров с металлами в полимерах наблюдаются измене­ ния в кристаллической структуре: ориентационные эффекты, сшивки, деструкция, структурирование и некоторые другие процессы, приво­ дящие к появлению на границе раздела "третьего" тела со свойст­ вами, отличающимися от свойств исходного полимера. Химическим и механическим превращениям подвержены не только поверхностные слои полимера, но и продукты износы. Так, степень кристалличности фрагментов переноса на 10 - 15%, а продуктов износа на 20 - 25% выше степени кристалличности поверхностного слоя [72].

Применение активных смазочных сред основано также на идее создания на трущихся поверхностях пленок, обеспечивающих противоизнос, противозадирное и антифрикционное действия. Ведутся весьма интересные работы по изучению специальных присадок к смазкам. В изучении смазанного контакта наибольшие успехи дос­ тигнуты в области трибохимии нефтяных и синтетических смазок [73,74].

Несмотря на многочисленные исследования явления фрикцион­ ного переноса, вопрос о механизме образования перенесенного слоя до конца не выяснен. Трудности заключаются в сложности процес­ сов, протекающих на фрикционном контакте, в их функциональной зависимости от температуры. В работе [63] показано, что на форми­ рование структуры и свойства поверхностного слоя существенно влияет температура, интенсифицируя протекание механохимических и термоокислительных процессов.

Итак, наиболее перспективными методами улучшения триболо­ гических характеристик полимерных материалов, основанными на использовании эффекта пленкообразования, являются прежде всего физические методы модификации надмолекулярных структур поли­ меров, которые позволяют изменять физико-механические и фрикци­ онные свойства материалов в достаточно широком диапазоне без из­ менения их химических структур [75]. Улучшить фрикционные свой­ ства металлополимерного узла трения можно за счет применения раз­ личных функциональных добавок и наполнителей [76], а также путем направленного регулирования и структурного модифицирования тер­ мопластов и композитов на их основе в электрическом и магнитных

463

полях [77].

Интересные результаты в области изучения трибологических превращений и создания темиературостойких полимерных компози­ ций приводятся в работах [71, 78]. Потенциальные возможности ра­ бот в этом направлении чрезвычайно велики.

Таким образом, вопросы создания эффективных самосмазывающихся полимерных композитов могут быть поставлены на научную основу и решены в том случае, если в полной мере будут исследованы тепловые, физико-механические и электрические явления, взаимодей­ ствие которых в совокупности и определяет фрикционные свойства полимеров и характер их износа.

1.2.Характеристика свойств трения и износа в условиях вибрацион­ ного воздействия

При вибрационном воздействии на узлы трения машин и меха­ низмов действие динамических нагрузок можно объяснить рядом причин, а именно:

- возникновением сил инерции неуравновешенных масс; -возникновением нагрузок при движении машин, подвиж­ ного состава;

-возникновением механических автоколебаний;

-работой самой машины по вибропринципу.

Вибрация - это колебательный процесс, который характеризу­ ется комплексом величин: вибрационной скоростью и ускорением, амплитудой, частотой. В зависимости от направления движения точ­ ки различают вибрацию прямолинейную (однокоординатную), пло­ скостную (двухкоординатную) и пространственную (трехкоорди­ натную). Являясь колебательным процессом, вибрация может быть периодической, почти периодической и непериодической [79].

В зависимости от периодичности действия вибронагрузок разли­ чают следующие вибрации: гармонические, нестационарные, детер­ минированные и случайные. Гармоническая вибрация является част­ ным случаем периодической вибрации, мгновенное значение которой пропорционально синусу или косинусу линейной функции времени. Такая вибрация возникает в узлах машин, работающих на вибро­ принципе. К нестационарным детерминированным вибрациям отно­ сят все виды импульсных и непериодических колебаний [79]. Им­ пульсные ускорения являются результатом ударов, взрывов и т.п. Процессы этих вибраций имеют место при соударении железнодо­ рожных вагонов, деталей в ракетах, самолетах, автомобилях [80 - 83].

Вибрации как случайные процессы встречаются на железнодо­ рожном транспорте, электротранспорте, автотранспорте, авиации и т.д. Из опыта эксплуатации многочисленных механизмов и машин известно о значительном влиянии вибрации на их надежность и дол­ говечность [82, 84]. Срок службы машин во многом зависит от долго­

464

вечности трибосопряжений.

Для выявления механизма воздействия вибрации на основные характеристики трения и износа нами проведен анализ существую­ щих экспериментальных и теоретических исследований. Этим вопро­ сам посвящены работы многих авторов [85 - 88], которые показы­ вают, что колебания, нормальные к плоскости контакта, существенно влияют на величину силы трения. В работе [87] утверждается, что сила трения уменьшается с увеличением амплитуды колебания. Это явление объясняется тем, что глубина внедрения в единичных фрик­ ционных связях очень невелика, тогда как амплитуда вертикальных колебаний значительно больше [88].

На величину силы трения влияет и частота колебаний [89], уве­ личение которой приводит к снижению коэффициента трения. Следо­ вательно, можно сделать вывод, что полученные данные говорят о снижении силы трения при вибрации. Другие авторы показали, что трение в условиях вибрации и реверсивного трения возрастает [85, 90].

Uv ■105,см 3

Рис. I. Зависимость объемного износа ((/„) от амплитуды скольжения (А) низкоуглеродистой стали по дюралюминию при Р - 19 кГ/см2, N4= 106 цик­

лов [93,95]

Большой вклад в исследование влияния параметров вибрации на трение и износ сделано авторами работ [91 - 94]. В работах [93, 95] показано, что величина износа пропорциональна амплитуде, а в ряде случаев наблюдается параболическая зависимость (рис. 1).

Согласно данным работы [94], частота вибрации оказывает влияние на интенсивность изнашивания в окислительных средах, а в нейтральной среде износ не наблюдался. Эффект частоты возрастает с увеличением амплитуды, контактного давления и продолжительно­ сти испытания (рис. 2).

465

и1, и2

Рис. 2. Зависимость износа низкоуглеродистой стали в сухом воздухе от частоты колебаний и амплитуды скольжения при Р = 3,7 кГ/мм2.

А (в мм) равно: 1- 0,23, 2 - 0,091, 3 - 0,91, 4 - 0,01. N4(в циклах) равно: I - 67800; 2 - 457800; 3,4 - 67800

-0-

-8-

Частота колебаний, Гц

Рис. 3. Зависимость глубины повреждений (7, 2, 3) и коэффициента трения (/', 2\ 3 ) от: а) величины взаимного перемещения (Р = 750 кГ/см2, v= 30 Гц); 6) частоты колебаний (Р = 150 кГ/см2, А = 0,3 мм): 1 - сталь 45 закаленная; 2 - сталь 45 отожженная; 3 - армко-железо

466

Проведенные исследования влияния вибрации на процесс трения износа при разных скоростях относительного скольжения показали, что с увеличением частоты и амплитуды колебаний интенсивность изнашивания возрастает, максимальное значение для образцов из стали 45 при амплитуде 1 мм и частоте 50 - 700 Гц наблюдается при малых скоростях - до 0,01 м/с. Введение смазки значительно умень­ шает износ сопряжения в условиях вибрационного нагружения [96].

Анализ зависимости глубины повреждения и коэффициента тре­ ния от амплитуды вибрации показывает (рис. 3,а) [97], что с ростом амплитуды увеличивается глубина повреждения исследуемого мате­ риала, а при А = 400 мкм - уменьшается (для стали 45 отожженной и армко-железа), для стали 45 закаленной коэффициент трения возрас­ тает, и при А = 400 мкм наступает стабилизация роста. Увеличение износа и уменьшение коэффициента трения армко-железа и стали, нормализованной при А = 700 мкм, авторы объясняют изменением температуры в зоне трения. Исследования зависимости износа от час­ тоты вибрации (рис. 3,6) показывают, что наибольшие изменения указанных характеристик процесса трения и износа наблюдаются при частоте в пределах 10 - 35 Гц, а снижение и стабилизация - в диапа­ зоне 35 - 100 Гц.

Установлено, что в условиях низкочастотных вибраций преобла­ дающими являются процессы схватывания. С повышением частоты схватывание сменяется окислительными процессами и процессами абразивного изнашивания, что уменьшает глубину повреждения по­ верхности трения.

При изучении трения в случае реверсивного движения установ­ лено [90], что реверсивность приводит к увеличению износа рабочих поверхностей по сравнению с односторонним трением. Многие ав­ торы в работах по исследованию влияния вибраций на микрогеомет­ рию и деформацию фрикционного контакта [98 - 101] показывают, что вибрации способствуют интенсивному движению и увеличению числа дислокаций, приводящих к повышению пластической деформа­ ции поверхностных слоев, усталостным явлениям и интенсивному разрушению материалов. Например, при увеличении частоты колеба­ ний (v) до 20 Гц деформация поверхности трения изменяется незна­ чительно, а начиная с 20 - 30 Гц происходит увеличение дислокаци­ онной зоны. В пределах частоты от 30 до 70 Гц ширина дислокаци­ онной зоны увеличивается в 17,4 раза, а глубина - в 15 раз [98].

С увеличением частоты вибраций изменяется соотношение ме­ жду упругой и пластической деформациями [101]. Так, если при отсут­ ствии вибрации пластическая деформация в 11 раз меньше упругой, то при наличии вибрации с частотой v = 40 Гц пластическая де­ формация равна упругой, с увеличением частоты более 40 Гц пласти­ ческая деформация значительно больше.

В работах [99, 100] приводятся результаты исследований харак­ теристик фрикционного контакта при наличии нормальных и танген­

467

циальных вибраций в условиях пластического контактирования. Ус­ тановлено, что при наложении нормальных вибраций скорость роста деформаций повышается с увеличением амплитуды, а влияние час­ тоты на рост деформаций незначительно. При наложении тангенци­ альных вибраций с ростом амплитуды также возрастает скорость де­ формации, при этом деформации в 5 - 15 раз больше, чем при нор­ мальных вибрациях.

Из анализа результатов проведенных исследований можно сде­ лать вывод, что вибрации значительно влияют на износостойкость трущихся сопряжений металл - металл, приводят к снижению уста­ лостной прочности фрикционного контакта и интенсивному разру­ шению материалов. Поэтому важным направлением в повышении долговечности пар трения в условиях вибрации является применение полимерных материалов, которые, обладая хорошими демпфирую­ щими свойствами, способствуют снижению вибрации [102].

Исследования трения и износа в условиях вибрации и реверсив­ ного трения металлополимерных пар показали, что вибрация способ­ ствует значительному увеличению износа и повышению коэффици­ ента трения. Кроме того, было определено влияние отдельных пара­ метров вибрации (частота, амплитуда, направление) на износ и коэф­ фициент трения металлополимерных пар. Наиболее перспективно при работе в условиях вибрации применение подшипников скольже­ ния с улучшенными антифрикционными и демпфирующими свойст­ вами. Использование полимерных покрытий на поверхности трения уменьшает износ: он на 1,5 - 2 порядка ниже по сравнению с трением пар металл - металл [103,104].

Таким образом, установлено, что вибрации оказывают сущест­ венное влияние на процесс трения и износ и приводят к снижению усталостной прочности фрикционного контакта, тем самым умень­ шая долговечность сопряжения. Одним из способов повышения изно­ состойкости узлов трибосопряжения, работающих без смазки в усло­ виях вибрации, является использование в подшипниках скольжения материалов с демпфирующими свойствами.

1.3.Теоретические предпосылки к созданию высокопрочных ориентированных композиционных материалов

Пути создания высокопрочных композиционных материалов мало изучены, при этом доминируют эмпирические методы, которые связаны с большими материальными затратами и не позволяют тео­ ретически оценить возможный уровень показателей. Это приводит к неполному использованию высокой прочности армирующих волокон композита. Однако оценить реальную картину в полимерном компо­ зиционном материале очень трудно из-за существенной неоднородно­ сти системы, нерегулярности укладки и натяжения волокон.

468

В последние годы в работах многих ученых было показано [105 - НО], что решение этой проблемы возможно лишь на основе исследования напряженно-деформированного состояния и устойчи­ вости армированной системы, приводящей к некоторой гипотетиче­ ской модели. В основе такого подхода лежит предположение о введе­ нии понятия "сплошность композитов" [111]. Условия сплошности могут быть получены из анализа совместной деформации всех ком­ понентов композиционных материалов. Полное решение такой за­ дачи чрезвычайно сложно, поэтому обычно используют приближен­ ные расчеты, основанные на исследовании некоторых моделей мно­ гослойных ортогонально армированных композиционных материа­ лов. Одной из первых механических моделей для аналитического описания совместной работы стеклянного волокна и полимерной матрицы при одноосном растяжении была модель Аутвотера [112], представляющая собой стеклянный стержень с постоянным натяже­ нием, находящийся в полимерном цилиндре и заключенный в упругое тело больших размеров.

Существующие работы посвящены проблеме деформации од­ ного слоя, а также срезам из двух-трех слоев. В работах [ИЗ, 114] в общей постановке задача была решена. Одними из первых исследо­ ваний по расчету трехслойных систем были работы [115, 116]. Изуче­ нию трехслойных систем посвящены работы [117 - 122], где приведе­ ны аналитические исследования пространственных и ассиметричных задач теории упругости с помощью преобразований Ханкеля.

Несколько позже многослойная система была представлена как совокупность отдельных слоев ветвей составного слоя, которые со­ единены между собой связями сдвига. Жесткие поперечные связи обеспечивали равное расстояние между слоями, а толщина прослоек между слоями считалось бесконечно малой. Исходя из такой модели была получена система линейных дифференциальных уравнений от­ носительно Th по которому можно определить напряжения и дефор­ мации во всех ветвях стержня.

Б. Розен вводит понятие "неэффективная длина волокна", пони­ мая под этим часть длины 8 у места разрыва, не способную передать нагрузку. Волокно представляется как цепь, состоящая из звеньев длиной 8, прочность которых подчиняется статистическому распре­ делению и описывается функцией распределения Вейбулла.

Ю.М. Тарнопольский и А.В. Розе считают, что в полимерной матрице отсутствуют нормальные напряжения, а в поперечных сече­ ниях действуют продольные и перерезывающие силы.

В.В. Болотин исследовал модель как неоднородную среду, кото­ рая образована армирующими элементами со связующим. Он пред­ полагал, что жесткость арматуры во много раз выше жесткости свя­ зующего, а толщины прослойки и арматуры очень малы по сравне­ нию с размерами тела. Армирующие элементы рассматривались в виде пластин, к которым применима гипотеза Кирхгофа - Лява. Они

469

считали, что гипотеза нормального элемента приемлема для объеди­ ненного слоя. Также объединялись мягкие слои, для которых приме­ нялась гипотеза о равномерном распределении нормальных и каса­ тельных напряжений по толщине слоя.

Проведенный анализ показал, что условия создания композита справедливы только для однонаправленного элементарного слоя со строго регулярным расположением волокон в полимерной матрице. В действительности конструкционные стеклопластики имеют слои­ стое строение; они состоят из множества слоев, которые при намотке или прессовании нарушаются в расположении волокон. В рассмот­ ренных выше условиях монолитности существенным параметром яв­ ляется величина относительной длины зоны краевого эффекта, кото­ рая не является независимым параметром, а определяется модулем упругости волокна, модулем сдвига связующего, диаметром волокна, толщиной прослойки связующего и может изменяться в широких пределах.

Таким образом, ни одна из рассмотренных выше теорий не мо­ жет использоваться для инженерных приложений.

1.4. Цели и задачи исследования

На основе анализа имеющихся теоретических представлений и экспериментальных данных о природе трения и механизме изнашива­ ния можно заключить, что не только температура, но и физико-меха­ нические характеристики являются ключевыми при оценке фрикци­ онных свойств металлополимерных трибосистем.

Кроме того, сегодня производственники и исследователи-трибо- логи не могут ограничиваться лишь определением физико-механиче­ ских явлений в узлах трения и констатацией фактов их влияния на трибологические характеристики. Необходимо знать механизм этого влияния с целью направленного использования, а не подавления при­ родных специфических свойств полимерных материалов - их значи­ тельной трибоэлектризации и деструкции с образованием активных продуктов. Ограниченный объем исследований влияния физико-ме­ ханических явлений на трибомеханические, трибоэлектрические и трибохимические процессы на контакте полимер - металл сдерживает применение полимерных композиционных материалов фрикцион­ ного и антифрикционного назначения. Это одна из причин отсутст­ вия научно обоснованных критериев создания таких материалов.

Предстояло установить теоретические и экспериментальные за­ кономерности влияния температуры на трибомеханические процессы, протекающие на фрикционном металлополимерном контакте, и раз­ работать на этой основе способы повышения износостойкости узлов трения, а также методы управления их фрикционными свойствами. Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

470