книги / Основы создания полимерных композитов

1.Разработать метод прогнозирования износостойкости компо­ зиционных материалов.

2.Установить закономерности трибологических характеристик в металлополимерном сопряжении:

-зависимость износа от упруго-прочностных и геометриче­ ских параметров составляющих компонентов композицион­ ных материалов; - влияние частоты и амплитуды внешнего динамического на­

гружения на трибологические характеристики узла трения.

3.Установить закономерности влияния пленок переноса на три­ бологические явления на контакте металл - полимер.

4.На основе результатов, достигнутых в процессе теоретических

иэкспериментальных исследований, разработать методы инженер­ ного расчета металлополимерных сопряжений, составить рекоменда­ ции по созданию новых высокоэффективных композиционных мате­ риалов антифрикционного назначения, а также предложить методы управления фрикционными свойствами металлополимерных систем.

Для решения поставленных задач в качестве основных были вы­ браны различные по физико-механическим характеристикам, химиче­ скому составу и строению материалы. Связующие: ЭТД-10; Эд-20; К38-1; УП610 + УП640; ЭХД + СКН-30 + изо-МТГФА; РЭС-3; УП 2130. Стекловолокно: б/щ; ВМ-1.

Фрикционные испытания проводили на образцах из стали 45. Физико-механические характеристики - твердость, модуль упруго­ сти, предел прочности при растяжении, сжатии и срезе определяли с помощью стандартного оборудования, а фрикционные характери­ стики - на машинах трения СМЦ-2 и МИ-1М по схемам "вал - час­ тичный подшипник" в диапазоне скоростей 0,1,0,2,0,5 м/с и нагрузок 0,7,1,2,3,5 МПа.

При решении частных задач в ряде случаев использовали неко­ торые стандартные и оригинальные методики, о которых будет упо­ мянуто при описании соответствующих экспериментов. Рассмотрен­ ные методы и применяемая аппаратура позволяют достаточно полно и объективно решать поставленные задачи. Многофакторное иссле­ дование процессов изнашивания и оптимизации составов компози­ ционных материалов и технологических режимов переработки осу­ ществляют с применением методов математического планирования экспериментов, а обработку экспериментальных данных - методами математической статистики.

471

ГЛАВА 2. Исследование напряженно-деформированного состояния и фрикционных характеристик металлополимерной трибосистемы

2.1.Исследование температурной зависимости модуля сдвига композитных материалов

Прочность стеклопластика, как и его деформационные свойства, зависит от температуры. Особенно заметно это проявляется при тем­ пературах, превышающих температуру стеклования [128]. Поэтому изменения прочности стеклопластиков при повышении или пониже­ нии температуры главным образом зависят от типа полимерного свя­ зующего, а также от арматуры наполнителя. Следовательно, чувстви­ тельность полимерного связующего к температуре испытания приво­ дит к тому, что механические свойства стеклопластиков зависят от температуры эксплуатации. Прочность и жесткость армирующего материала (стекловолокна) стеклопластиков практически не зависят от температуры [107]. Температура испытания полимерных связую­ щих влияет на величину разрушающего напряжения и на характер зависимости между напряжениями и деформациями.

Роль связующего не сводится только к объединению композита в единое целое и обеспечению способности воспринимать внешнюю нагрузку. Важным фактором при создании антифрикционных и высо­ копрочных стеклопластиков является также совместимость теплофи­ зических характеристик связующего и наполнителя. При работе трибосопряжений происходит их нагрев, поэтому исследование влияния температуры на связующее и наполнитель представляет интерес, так как от этого зависит прочность композита в целом.

Механизм внешнего трения тесно связан с природой внутреннего трения, поэтому для более полного раскрытия механизма влияния те­ пловых факторов на процесс трения и изнашивания необходимо изу­ чение температурной зависимости модуля сдвига [129]. Модуль сдви­ га (G) материала характеризует изменение размеров последнего под действием касательных сил при упругих деформациях, при этом в процессе трения наблюдается также смещение поверхностных слоев. Очевидно, эти смещения развиваются под действием касательных сил (в нашем случае - сил трения) и должны существенно влиять на ра­ ботоспособность трибосопряжений; соответственно должны быть ус­ тановлены их допускаемые величины в зависимости от других факто­ ров.

Следовательно, для расчета напряженно-деформированного со­ стояния модели композита при сдвиге необходимо учитывать темпе­ ратурную зависимость модуля сдвига связующего. Для этой цели была разработана методика исследования температурной зависимо­ сти модуля сдвига полимерных материалов и проведены исследова­ ния, на основании которых получены зависимости, характеризующие упруго-прочностные свойства композитных материалов.

472

2.1.1.Методика определения модуля сдвига

Врезультате деформации поверхностных слоев полимерный ма­ териал становится напряженным. Рассмотрим развитие деформации при сдвиге в элементарном объеме тела (рис. 4), вырезанного из опытного образца в форме параллелепипеда и деформированного касательной силой. Если закрепить сторону AD неподвижно, то под действием касательных напряжений

т= Q/2Aa = Q/2hb

грань ВС сдвинется параллельно AD на величину ВВ' = АС, называе­ мую обратным сдвигом. Элемент ABCD (см. рис. 4) перекосится, прямые углы превратятся в острые или тупые углы, изменившись на величину £(р, называемую относительным сдвигом.

Рис. 4. Схема деформации полимерного образца при сдвиге

Вследствие малого угла Aq>абсолютный сдвиг можно рассматри­ вать как дугу радиуса а, т.е. AS - a /.q>. В результате деформации диагональ АС удлиняется. Чтобы найти ее относительное удлинение, были определены главные напряжения, действующие перпендику­

473

лярно к АС и DB. Они будут соответственно составлять:

а абсолютное удлинение диагонали

а

А/ = /г.

sin 45°

Рассматривая треугольник СС'С", видим, что абсолютное удли­ нение диагонали составляет А/=С'С", а абсолютный сдвиг АС - С С ' Если, учитывая малость деформации, угол ZDC'C при­ нять равным 90° и Z C 'C C ' « 45°, то

где /л- коэффициент Пуассона, Е - модуль упругости при растяжении материала.

Величину

Е !2(1+ //)

474

Измеряя величину абсолютного сдвига АС согласно приложен­ ной нагрузке Q и размеру а, можно определить модуль упругости при сдвиге G. Испытания проводились на установке, представленной на рис. 5. В процессе опытов с различными связующими - эпоксидными смолами ЭД-6, ЭД-20, ЭТД-10, УП610 и УП640 - определяли абсо­ лютный сдвиг AS от действия нагрузки Q (Q = 100, 150, 200 Н) и при различных значениях температуры. Зная площадь, Aa=hb=40 10 4м2 и а = 6 • 10-3 м, по формуле (7.3) определяли модуль сдвига G(Ila).

Рис. 5. Прибор для определения модуля сдвига полимерных материалов: 1 - стойка, 2 - термокамера, 3 - элементы нагрева, 4 - призмы, 5 - микро­ термокамера, 6 - полимерные образцы, 7 - индикатор, 8 - термометр ТК-6,

9 - груз, 10 - плита, 11 - шток, 12 - подставка

Установка монтировалась на металлической подставке 72, к ко­ торой на стойках 1 крепилась плита 10. На плите с помощью болтов устанавливались две одинаковые призмы 4. Между призмами распо­ лагался шток 11 с пазами, куда вставлялись полимерные образцы б. Под действием груза 9 весом Q образцы деформировались (сдвига­ лись). Смещение образцов АС фиксировалось индикатором 7, закре­ пленным в рейсмусе.

Для исследования влияния температуры на параметр G рабочий узел с образцами помещался в термокамеру 2. Термокамера с элемен­ тами нагрева 3 представляет собой сварную конструкцию с наруж­ ным и внутренним кожухами, между которыми размещается теплоизолятор. Камера имеет окно для визуального наблюдения за образ­ цом и электролампочку для освещения внутренней полости. Внутри камеры устанавливалась определенная температура, которая контро­ лировалась с помощью термометра ТК-6. Для получения равномер­ ного температурного поля в призмах 4 и штоке 11 располагались микротермокамеры 5. Образцы выдерживались при заданной темпе­ ратуре в течение 30 - 40 мин и только после этого прикладывалась нагрузка. Результаты исследования зависимости модуля сдвига G от температуры представлены на табл. 1.

475

Таблица 1

Зависимость модуля сдвига (G, МПа) от температуры

За конечные результаты измерений принимали средние значения испытаний пяти одноименных образцов. Необходимое количество опытов определяли следующим образом. На одном температурном уровне было проведено пять параллельных опытов. По результатам эксперимента были определены дисперсия ошибки эксперимента $ 2ош= 386 и среднее квадратичное отклонение S0U1= 18,8.

Количество необходимых опытов составило п = 50:

где е - оценка точности результатов при соответствующей надежно­ сти (Р = 0,95) - принималась равной среднеквадратическому отклоне­ нию; £ = Sow.

Для каждого из исследуемых параметров по результатам экспе­ римента определяли дисперсию ошибки эксперимента, и среднеквад­ ратическое отклонение составило модуль сдвига: G = 0,35 • 105 МПа и соответственно от 0,5 до 2,2%.

Из рис. 6 видно, что в начальный период с повышением темпера­ туры модуль сдвига снижается незначительно, а при дальнейшем по­ вышении температуры наблюдается его резкое уменьшение.

Анализ результатов исследований влияния температуры на мо­ дуль сдвига свидетельствует о том, что данную зависимость необхо­ димо учитывать при расчете напряженно-деформированного состоя­ ния композита при сдвиге. Способом наименьших квадратов полу­ чили аналитическую зависимость

G = G0(l-0,05772),

где G0 - при Т0 = 293 К; Т = Т/Т0

476

G , М П а

Рис. 6. Зависимость модуля сдвига (G) оттемпературы: /, 2, 3 - связующиеЭДТ-10, К-38-1.УП 2130 соответственно

2.2.Расчет напряженно-деформированного состояния модели при сдвиге композита

При изучении процесса фрикционного разрушения первостепен­ ное значение имеет исследование напряженно-деформированного со­ стояния поверхностных и подповерхностных слоев как фактора, пре­ допределяющего и контролирующего протекание всего процесса раз­ рушения поверхности. Следует отметить, что если картина распреде­ ления упругих напряжений и деформаций в приповерхностном слое гомогенного материала в основном ясна, то в случае макрогетерогенного материала она практически не изучена.

По мере возрастания роли композиционных износостойких ан­ тифрикционных материалов, применяемых в современном машино­ строении, параллельно с совершенствованием технологии их изго­ товления требуется дальнейшая разработка общих принципов конст­ руирования высокопрочных и износостойких композиционных мате­ риалов. Наряду с экспериментальными методами, уже применявши­ мися ранее для решения этой задачи, важную роль играют теоретиче­ ские решения модельных задач. Такие модели, хотя и не совсем адек­ ватно отражающие изучаемые явления, дают возможность с помо­ щью численно-аналитических методов изучить влияние геометриче­ ских и механических параметров структурных элементов на распре­ деление компонентов тензора напряжений.

В последние годы в работах многих ученых [105 - 108] было по­ казано, что решение этой проблемы возможно лишь на основе иссле-

477

дования напряженно-деформированного состояния и устойчивости армированной системы с учетом особенностей композитов, обуслов­ ленных податливой матрицей и существенной неоднородностью ма­ териала, прочностные и деформативные свойства которого не детер­ минированы. Развитием такого подхода явилось предложение о вве­ дении понятия сплошности композита [130], которое предполагает сплошность всех компонентов, отсутствие нарушений связи по гра­ ницам их соприкосновения и однородность всей системы в целом. Композит рассматривается как сплошное тело, если потеря его проч­ ности происходит вследствие нарушения сплошности армирующих элементов при достижении в них предельных напряжений. Авторы работы [130] показали, что монолитность системы композита опре­ деляется не только прочностью арматуры и связующего, но и совмес­ тимостью их физико-механических свойств, определяемой выражени­ ем

где Еа, Ес - модуль упругости арматуры и связующего, <та и сгс - раз­ рушающие напряжения арматуры и связующего; таогт - адгезионная прочность связующего к поверхности стеклянного волокна (индекс "т" означает теоретическое значение параметра); К\ = 0,13, Кг = 0,75 и Кз = 0,62 - коэффициенты, учитывающие удельный вклад разных факторов в прочность композита.

С целью проверки расчетных значений коэффициента монолит­ ности были проведены экспериментальные исследования по опреде­ лению прочности композита [131, 132]. Для этого использовали коль­ цевые образцы, полученные методом намотки. Испытания образцов на растяжение проводили по методу NOL. Каждый опыт повторяли не менее 5 раз. Результаты испытаний подвергли статистической об­ работке. Относительная средняя квадратическая ошибка экспери­ мента составила не более 3%. В табл. 2 представлены результаты ис­ пытаний.

Таблица 2

Значения критерия монолитности (М) и модуля упругости (£) при сдвиге композитов с различными связующими

478

Анализ таблицы показывает, что с увеличением модуля упруго­ сти критерий монолитности возрастает. Тип связующего выбирается на основании условия сплошности. Для создания монолитности тре­ буются прочные связующие, необходимо выполнение системы нера­ венств [130] (табл. 3).

Таблица 3

Зависимость упруго-прочностных параметров связующего от свойств арматуры

Актуальной проблемой повышения износостойкости полимер­ ных узлов трения является оптимизация физико-механических пока­ зателей композита, в пределах которых процесс трения характеризу­ ется минимальными устойчивыми значениями сил трения и интенсив­ ности изнашивания (рис. 7). Для ее решения разработана методика определения износостойких характеристик композита, которая пре­ дусматривает проведение фрикционных испытаний на машинах тре­ ния МИ-1 и СМТ по схеме вал - частичный подшипник при следую­ щих режимах трения: скорость скольжения V - 0,1; 0,2; 0,5 м/с; удель­ ное давление Р = 0,7; 1,0; 2,0; 3,0 и 5,0 МПа.

Выбор указанных материалов и режимов испытаний был обу­ словлен наибольшей изученностью их физико-механических свойств и широким применением в узлах трения, что соответствует диапазону использования полимерных материалов в узлах трения с относи­ тельно высоким фактором PV. Время испытания составляло 5 ч.

Из анализа данных, приведенных в табл. 3 и на рис. 7, видно, что минимальный износ наблюдается при значении критерия М 0,448 - 0,488. При дальнейшем увеличении критерия М интенсивность из­ носа начинает медленно возрастать. Наши исследования показали, что такой характер зависимости I от М можно объяснить тем, что в этих пределах связующее образует защитную пленку, которая защи­ щает контртело.

В процессе работы композита внешние нагрузки воспринима­ ются только частью армирующих элементов, а передача возникаю­ щих напряжений соседним волокнам происходит через связующее. Из этого следует, что при работе в тяжелонагруженных узлах трения необходимо выбирать такие компоненты армированной системы, работа которых должна обеспечивать повышенную жесткость, моно­ литность и прочность композита, а также хорошее антифрикционное свойство.

479

I , мг/км

Рис. 7. Влияние критерия М на интенсивность изнашивания (бесщелочное стекловолокно, Р = 2 МПа, К = 0,1 м/с)

В настоящее время существуют два подхода при расчете стекло­ пластиковых конструкций - феноменологический и структурный. Наиболее простым является феноменологический подход, основан­ ный на рассмотрении композита как монолитного материала с неко­ торым тензором приведенных упругих или вязкоупругих характери­ стик. Однако он может рассматриваться как приближенный из-за не­ совместимости (в смысле монолитности) свойств элементов стекло­ пластика. Структурный подход, предполагающий существенную ге­ терогенность свойств системы, позволяет более корректно произво­ дить расчет деформационно-прочностных свойств стеклопластика, поэтому он и будет использоваться в дальнейших расчетах.

T, + dT

Т2 + dT2

В качестве исследуемой модели была выбрана простейшая трех­ слойная модель (рис. 8), состоящая из двух прямолинейных арми­ рующих упругих элементов, жестких и тонких, к которым применима гипотеза прямых нормалей, и прослойки полимерного связующего. Ввиду того что в ориентированных стеклопластиках прослойка свя­ зующего очень тонка, порядка нескольких микрон, в первом при­ ближении ее можно рассматривать как тонкую пленку, в которой воз­ никают только касательные напряжения.

480