Материал: Основы создания полимерных композитов

мер, имеющий заряд со знаком (+) в начале работы, неоднократно меняет его, но в стабильном режиме знаки сохраняются первичными. Дальнейшие исследования показали, что на поверхности композита образуется слой графита, вследствие чего возникает ложный заряд. Графит контактирует с металлом подшипника и воспринимает знак и заряд металла. После удаления пленки графита с поверхности компо­ зита полимер меняет свою полярность.

На основании проведенных исследований можно утверждать, что роль связующего не сводится только к объединению композита в единое целое и обеспечению способности воспринимать внешнюю нагрузку. Он должен активно участвовать в процессе формирования пленки фрикционного переноса. Для подтверждения этого исследо­ вали процесс трибоэлектризации металлической поверхности при трении композита на основе стеклопластика, наполненного графи­ том. В начальный период трения знак заряда перенесенных продук­ тов износа на металл положителен, а затем он снижается до нуля и меняется на отрицательный.

В результате была предложена следующая модель образования полимерной пленки фрикционного переноса. Вначале при трении на поверхности металлического контртела образуются и достаточно прочно удерживаются продукты износа связующего. После образова­ ния так называемого первого слоя из связующего продукты износа графита за счет своей разнозарядности со связующим удерживаются на поверхности электрическими силами [134, 135]. Затем формируется тонкая высокоориентированная пленка переноса, которая и обеспе­ чивает малый коэффициент трения. При увеличении скорости сколь­ жения происходит разогрев трибоконтакта и соответственно сниже­ ние трибо-э.д.с. Одновременно с этим уменьшаются электростатиче­ ские силы, удерживающие продукты износа графита на связующем, и наступает интенсивный износ.

Таким образом, процесс фрикционного переноса - это самое важное микроскопическое явление, которое отличает металлополи­ мерную трибосистему от металлической. Раскрытие механизма фрик­ ционного переноса создает базу для разработки новых высокоэффек­ тивных самосмазывающихся полимерных композиций.

2.4.Исследование влиянияразличных факторов на износостойкость композитов

Трение и износ, как было сказано выше, являются сложными многофакторными процессами, которые характеризуются многооб­ разием управляемых, неуправляемых и неконтролируемых факторов, большим числом сложных корреляционных связей между факторами и ярко выраженной зависимостью физико-механических, фрикцион­ ных и антифрикционных свойств трущихся материалов от темпера­ туры, внешней среды и других факторов [136,137].

501

При решении задачи исследования напряженно-деформирован­ ного состояния армированной системы было установлено, что вели­ чины Т, г и е зависят от одного и того же параметра v, который отве­ чает за объемную прочность композита в случае квазидинамического сдвига. Тогда можно сказать, что между полученным безразмерным параметром v и износом композита существует некоторая корреляци­ онная зависимость. Параметр v зависит от модуля упругости стекло­ волокна (Еа), когезионной прочности связующего (<тс), диаметра во­ локна (<d), толщины прослойки связующего (<5), а также от адгезион­ ной прочности связующего к поверхности стекловолокна. Прочность адгезии связующего к волокну изменяли путем использования стек­ ловолокон с замасливателем "парафиновая эмульсия" и кремнийорганическим замасливателем. При исследовании важно выяснить одно­ временно влияние имеющихся факторов на прочность и износостой­ кость композитов при трении полимер - матрица, а главное, выде­ лить, которые из них вносят максимальный вклад в формирование высокопрочного антифрикционного износостойкого материала. Для решения поставленной задачи целесообразно использовать математи­ ческий метод активного планирования эксперимента, который ус­ пешно применяется для решения многофакторных задач [138, 139].

В связи с большим числом переменных исследования проводили с использованием дробного факторного эксперимента типа N - 2я' 1= 25-' = 24, где N - число строк, а п - число переменных в мат­

рице.

Для построения матрицы планирования эксперимента по каж­ дому переменному фактору были определены основной уровень и шаг варьирования с учетом имеющихся составляющих компонентов композита. Испытывали пару трения полимер - металл (сталь 45, не­ закаленная). Каждый опыт проводили дважды. Порядок испытаний рандомизирован с помощью таблиц случайных чисел [140]. Испыта­

Коэффициенты уравнения регрессии рассчитываем по формулам

Однородность дисперсий параллельных опытов проверяли по критерию Кохрена:

502

N

м=1

Таблица 7

Уровниварьированиясвойстви матрицапланирования результатов дробногофакторногоэксперимента(ДФЭ)

Расчетное значение G^-критерия сравнивали с табличными для степеней свободы: в числителе f\ = z - 1, в знаменателе/ 2 = N и соот­

ветственно при выбранном уровне значимости а = 0,05:

С табл = 0,68,

Gma6n = ° ’6 8 > Gp = ОД1.

Следовательно, гипотеза об однородности дисперсии параллель­ ных опытов принимается.

Среднеквадратическая ошибка эксперимента

S 2 = — У s 2 *(у) N ^ “

И=1

составила 0,98. Коэффициент регрессии:

S(bi)=-^kL = -? £ L = 0,185

4Nr л/ЙУ

503

После расчетов коэффициентов уравнение регрессии принимает

вид:

/ = 33,53 + 5,79гааг + 2,45сгг + 0,76Еа + ОД18С+ ОД 2dq .

Адекватность уравнения проверяли по критерию Фишера (F-критерию).

Отсюда следует, что наибольшее влияние на износостойкость композита оказывает адгезионная прочность и менее - когезионная прочность. Менее значимым оказался диаметр арматуры стеклянных волокон.

Увеличение износостойкости композита определяется повыше­ нием адгезионной прочности связующего к волокну и когезионной прочностью связующего для того, чтобы композит работал, как мо­ нолит. А это достигается путем увеличения модуля упругости свя­ зующего. Процесс разрушения композита имеет прогрессирующий характер, что связано с постепенным накоплением повреждений ар­ мирующих волокон.

Полученные результаты позволили установить количественное и качественное влияние рассмотренных переменных параметров на прочность и износостойкость композиционного материала при тре­ нии, а также показали роль каждого фактора и его вклад в формиро­ вание износостойкости композита. Рисунки 15 и 16 иллюстрируют влияние упругих и геометрических характеристик композита на его износостойкость.

Факторы, которые определяют свойства композитов, делятся на две группы: характеристики исходных компонентов и параметры процесса формирования. Исследование влияния технологического процесса на свойства композитов, особенно в статистическом ас­ пекте, очень трудная задача. Изучать влияние этих факторов не все­ гда возможно и целесообразно.

Из технологической схемы получения композитов видно, что ка­ чество, прочность и износостойкость композита могут зависеть от основных технологических факторов ведения процесса: содержания исходных компонентов, скорости намотки, шага раскладки и натяже­ ния наполнителя.

Содержание наполнителя и его ориентация являются важней­ шими факторами, влияющими на прочность композита. Содержание арматуры должно стремиться к теоретическому пределу, который со­ ставляет около 90% объема. Оптимальное значение зависит от мно­ гих факторов.

В одной из работ [143] было показано, что для полиэфирных композитов каждому наполнителю соответствует определенный оп­

зитов от содержания волокон при растяжении, но почти отсутствуют

504

/м г/км

Рис. 15. Влияниеупругихсвойствсвязующегонаизнос композита(бесщелочноестекловолокно, Р =2МПа, V= 0,1 м/с)

Рис. 16. Зависимость износа композита отдиаметра армирующего волокна (а) и удельного содержания

наполнителя (б)

работы, где исследованы зависимости износостойкости от содержа­ ния наполнителя. Поэтому параллельно образцы испытывали на износостойкость.

Еще меньше работ посвящено зависимости прочности при сжа­ тии композитов. В работе [147] оно составляет 69-84 мае. %, в работе [148] - 79-83%, а в работе [149] показано, что при изменении содер­ жания наполнителя в диапазоне 60-75 об. % прочность композита не изменяется.

505