7.6.7. Полимерные материалы триботехнического назначения.

Триботехника – это упорядоченные знания о практическом применении трибологии, а трибология – это наука о трении и процессах, сопровождающих трение. Основными характеристиками триботехнических материалов являются сила трения F, коэффициент трения f (иногда обозначают символом m) и износостойкость (стойкость к истиранию). Между силой трения, нормальной нагрузкой Р и коэффициентом трения существует простое соотношение: F = f ^. P.

Триботехнические материалы подразделяются на фрикционные и антифрикционные. Фрикционные материалы должны обладать коэффициентом трения 0,2 – 0,5 и используются во фрикционных передачах (диски сцепления, тормозные устройства), а антифрикционные материалы должны иметь коэффициент трения до 0,2 – 0,3 и используются в качестве подшипников скольжения, торцевых уплотнителях и многих других устройствах. Независимо от назначения триботехнический материал должен обладать высокой стойкостью к износу.

В качестве триботехнических материалов могут использоваться металлы, керамика, полимеры. Полимеры интересны тем, что могут работать без смазки.

Антифрикционные материалы, по представлениям, развитым И. В. Крагельским и его школой, должны обладать положительным градиентом механических свойств, т.е., по мере удаления от поверхности трения механические свойства должны возрастать. Это всегда осуществляется в полимерных материалах. Действительно, в процессе трения генерируется теплота. Это приводит к разогреву поверхности и даже к деструкции полимера. В результате поверхность полимера будет состоять из нескольких слоёв: низкомолекулярного слоя продуктов деструкции, далее – кристаллизующейся области с высокой дисперсностью структурных элементов, затем области разрушающихся надмолекулярных образований, рабочего слоя и остальное – материала с исходной структурой. Структура поверхности и её влияние на трение значительно усложняются при применении наполненных полимеров.

Практически все полимеры исследовались на их применимость в триботехнике. Наименьший коэффициент трения присущ фторопласту – 4 (политетрафторэтилену) – 0,03 ¸ 0,1. Однако, его физико-механические характеристики невысоки. Он имеет небольшую твёрдость, что в итоге приводит к интенсивному изнашиванию. Этот недостаток устраняют инженерными решениями (например, твёрдую пористую матрицу насыщают фторопластом) или материаловедческими, например, наполняя фторопласт твёрдыми высокопрочными износостойкими углеродными волокнами.

Близким значением коэффициента трения обладает полиамид – 6 (капрон) – 0,1 – 0,15. Используют также полиолефины (полиэтилен, полипропилен), пентапласт, полиформальдегид и другие термопласты. В тех случаях, когда температура эксплуатации достаточно высока, используют термостойкие полимеры – полиимиды, полибензоксазолы, политиазолы, полибензтиазолы, полибензимидазолы, пирроны, полиоксадиазолы, элементорганические полимеры и др.

Широкое применение в качестве матричных материалов в триботехнике получили термореактивные (сетчатые) полимеры – фенольные смолы, эпоксидные, полиэфирные, кремнийорганические и др. Так, фенольные смолы обладают стабильным модулем упругости 10 – 20 ГПа, сохраняя его значения до 120 ^оС, прочностью при сжатии до 200 – 300 ГПа, низким коэффициентом теплового расширения, стабильностью размеров до 210 ^оС, химической стойкостью, сопротивлением ползучести, огнестойкостью.

В настоящее время показано, что по поведению в процессе трения полимеры можно разделить, в основном, на две группы: «трибохимически активные» и «трибостабильные». Трение трибохимически активных сопровождается неустойчивым и высоким значением коэффициента трения в результате протекания на поверхности сложных деструктивно-структурирующих процессов, связанных, в основном, с превращениями функциональных групп в полимере и образованием новых химических связей. В трибостабильных полимерах коэффициент трения сохраняет стабильность в течение продолжительного периода времени в определённом температурном интервале в результате преобладающего протекания процессов деструкции.

К трибохимически активным относятся полиакрилонитрил, неполностью циклизованный полиимид, фенолоформальдегидные смолы и др. Трибостабильные полимеры, как правило, это полимеры линейного строения как алифатического, так и ароматического типа, например, полиоксадиазолы, поли-п-фенилентерефталамид и др.

Вопросы для самопроверки.

1. Основные материаловедческие подходы к созданию антистатических полимерных материалов.

2. Что такое электреты? Какие полимеры используются в качестве электретов? Их особенности.

3. Электропроводящие полимеры и полимерные материалы.

4. Органические полупроводники, их области применения.

5. Особенности структуры флуоресцирующих полимеров. Области применения таких материалов.

6. Оптические полимеры – их преимущества и недостатки по сравнению с неорганическими стёклами.

7. Светочувствительные полимерные материалы – механизм регистрации изображения.

8. Ионообменные полимеры: особенности химического строения катионо- и анионообменных полимеров. Роль формы ионитов, хемосорбционные волокна.

9. Биодеструктируемые полимеры: основные представители, области применения.

10. Требования к полимерным материалам триботехнического назначения. Примеры антифрикционных и фрикционных материалов.