Материал: Основы создания полимерных композитов

ской поверхностью [6].

Большие возможности композиционных полимерных материа­ лов с высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения могут быть реализованы благодаря использованию эффекта пленкообразования - способности полимера образовывать на поверхности трения пленку переноса. Широкое применение полимерных материа­ лов выдвинуло на передний план определение роли фрикционного переноса в механизме трения и изнашивания, поэтому ведущие спе­ циалисты в области трения как в России, так и за рубежом к основ­ ным требованиям, предъявляемым к антифрикционным материалам, относят их способность образовывать на поверхности трения пленку переноса, обладающую смазочными свойствами [6, 7, 18]. Это согла­ суется с одним из непременных условий осуществления внешнего трения - положительным градиентом механических свойств [12].

В процессе исследований предстояло установить теоретические и экспериментальные закономерности влияния температуры на трибо­ механические процессы, протекающие на фрикционном металлопо­ лимерном контакте, и разработать на этой основе способы повыше­ ния износостойкости узлов трения, а также методы управления их фрикционными свойствами.

Для выполнения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

-разработать метод прогнозирования износостойкости компо­ зиционных материалов;

-установить закономерности изменения трибологических харак­ теристик в металлополимерном сопряжении;

-определить зависимость износа от упруго-прочностных и гео­ метрических параметров составляющих компонентов композицион­ ных материалов;

-исследовать влияние частоты и амплитуды внешнего динами­ ческого нагружения на трибологические характеристики узла трения;

-разработать рекомендации по созданию новых высокоэффек­ тивных композиционных материалов антифрикционного назначения

иметоды управления их фрикционными свойствами.

ГЛАВА 1. Анализ износа пар трения полимер - металл

изадачи данной работы

1.1.Современные представления о природе трения и механизме изна­ шивания твердых тел

Современная наука накопила огромное количество важной ин­

формации о природе трения и механизме изнашивания полимерных материалов, предложив модели для описания фрикционного взаимо­ действия и развив основные направления фрикционного материало­

456

ведения и триботехники. Результаты научных исследований широко используются на практике и во многом определили успехи создания новой техники, достижения космонавтики, автомобилестроения, тя­ желого машиностроения, приборостроения и многих других отраслей народного хозяйства. И все же проблема выяснения природы трения полимерных материалов еще далека от своего окончательного реше­ ния. Центральный вопрос триботехники металлополимерных сопря­ жений - изучение влияния температурных факторов на трибомеха­ нические, трибоэлектрические и трибохимические процессы, проис­ ходящие на фрикционном контакте.

В процессе трения под действием возникающих температур про­ исходят существенные изменения свойств материалов поверхностных слоев. Вследствие неравномерного нагрева поверхностных и объем­ ных слоев материала изменяются его механические свойства. Данное обстоятельство открыло новую страницу в науке о трении, посвя­ щенную влиянию температурного градиента на трение и износ [3, 10], и поставило перед трибологами множество новых задач, обусловлен­ ных спецификой свойств полимерных материалов. Во-первых, это большой перепад значений их физико-механических характеристик от температурных факторов - температуры и температурного гради­ ента. Во-вторых, налицо значительные деформации и динамические воздействия, которые в совокупности с температурным градиентом приводят к само- и взаимодиффузионным процессам в поверхност­ ных слоях. В-третьих, химические и трибохимические, а также элек­ трические процессы, протекающие на фрикционном контакте метал­ лополимерных систем, в значительной мере зависят от тепловых па­ раметров и определяют фрикционные свойства полимеров и характер их износа.

До сих пор не исследованы процессы, происходящие на фрикци­ онном контакте с точки зрения их функциональной зависимости от температуры и температурного градиента с учетом эволюции свойств материала в поверхностном слое. В связи с этим представляется целе­ сообразным провести критический анализ современных представле­ ний о природе трения и механизме изнашивания, осмыслить их в ка­ тегориях механики, физики и химии и обосновать конкретные целе­ направленные исследования закономерностей влияния температуры на трибологические характеристики металлополимерных сопряже­ ний.

В современном представлении фрикционное взаимодействие - это сложный многофункциональный процесс взаимодействия тонких поверхностных слоев на локальных макроплощадках контакта, со­ провождающийся изменением структуры поверхности и ее механиче­ ских свойств, а также возникновением физико-химических, электри­ ческих и других явлений под действием температуры, нагрузки, по­ верхностно-активных веществ и многих других факторов. Необхо­ димы дифференцированный и комплексный подходы в изучении воз­

457

никающих явлений [3, 4, 11]. В настоящее время ведущими специали­ стами проведен анализ современных аспектов фрикционного взаимо­ действия полимерных и металлополимерных материалов и установ­ лено наличие как деформирования поверхностных слоев неровно­ стями контртела, так и адгезионного взаимодействия трущихся тел [12, 13].

Согласно представлениям о двойственной молекулярно-механи­ ческой природе трения, сопротивление относительному перемеще­ нию контактирующих тел складывается из двух видов каналов дис­ сипации энергии. Первый канал определяет деформационную, т.е. механическую, составляющую силы трения, и связан с формоизмене­ нием поверхностных слоев, участвующих в трении. Формоизменение обусловлено упругим деформированием, пластическим оттеснением материала и износом [8, 14 - 19]. Второй канал диссипации энергии связан с преодолением молекулярного воздействия в точках касания двух твердых тел. При этом обязательным условием внешнего трения считается соблюдение правила положительного градиента механиче­ ских свойств, согласно которому сдвиговое сопротивление должно быть тем больше, чем глубже от поверхности контакта лежат дефор­ мированные слои.

История исследования трущихся тел убедительно свидетельст­ вует об ограниченности одностороннего взгляда на природу трения. Хорошо известно, что механические модели постоянно усложнялись и достигли определенного совершенства. В настоящее время перво­ степенное значение имеет решение задач, связанных с нелинейными законами деформирования фрикционного контакта, механической анизотропии, структурной неоднородности материала и т.д.

Что касается адгезионной теории, то сила трения между двумя несмазывающимися поверхностями - это, в первую очередь, сила, необходимая для разрушения возникающих адгезионных связей на фактических площадях контакта [20 - 22]. Дерягин считает, что внешнее трение - явление молекулярное, вытекающее из дискретной атомно-молекулярной структуры материи. Исходя из этого, возник­ новение износа при молекулярном механизме он объясняет тем, что силы молекулярного притяжения, появляющиеся между разнород­ ными молекулами трущихся тел, могут в некоторых случаях превы­ шать силы сцепления, действующие между однородными молекулами одного из контактирующих тел. Такой подход позволяет объяснить явление образования "мостиков сварки" и глубинного износа мате­ риалов трибосопряжения [21].

До сих пор дискуссионным остается вопрос о природе молеку­ лярных сил, приводящих к адгезии - сильному сцеплению, и его ано­ мальному проявлению - схватыванию и заеданию трущихся поверх­ ностей в одних случаях - и образованию переноса в других.

Силы адгезии разделяют на два класса:

1. Близкодействующие силы химической адгезии, появляю-

458

щиеся при непосредственном контакте атомов [23].

2.Дальнодействующие силы физической адгезии, возникающие за счет флуктуации электромагнитного поля и действующие на расстояниях, много больших межатомных, но малых в

микроскопическом смысле.

В связи с этим представляется весьма перспективным примене­ ние теории флуктуационного электромагнитного поля для описания и расчета молекулярных сил [24]. В частности, для полимерных и ме­ таллополимерных трибоконтакторов адгезия достаточно достоверно может быть оценена по их спектральным характеристикам - показа­ телям преломления п и поглощения х в широком диапазоне частот. В работе [25] показано, что создание на рабочих поверхностях фрикци- онно-контактирующих полимерных композитов тонких слоев с менее "богатым" спектром флуктуационного электромагнитного поля должно приводить к снижению адгезионного взаимодействия мате­ риалов и улучшению фрикционных характеристик узла трения. Од­ нако такой подход сегодня в значительной степени сдерживается тем, что существующие методики определения величин п и х связаны, как правило, либо с применением сложного математического аппарата [26], либо с трудоемкими экспериментами [27,28].

При контактировании тел различной природы следует учиты­ вать также возникающую трибо-э.д.с. Электростатическая теория адгезии, получившая существенное развитие за последние годы, ос­ нована на учете двойного электрического слоя, возникающего при молекулярном взаимодействии твердых тел. Многочисленные иссле­ дования показали, что электростатические силы превышают ван-дер- ваальсовы не только по величине, но и радиусу действия [21]. Из их расчета следует, что при контакте полупроводника с металлом или двух полупроводников плотности заряда достигают 104 - 105 абсо­ лютных единиц, что обеспечивает прочность адгезионного соедине­ ния порядка 102 - 103 кгс/см.

В другой работе экспериментально показано, что значение плот­ ности зарядов в случае контактирования двух полированных поверх­ ностей оптических стекол составляет 2 • 106 Кп/м2. Сильную электри­ зацию наблюдали исследователи при трении полимерных покрытий с хлопком-сырцом [29], при трении пары фторопласт - шелк [30] и при трении различных диэлектрических материалов [31,32].

Анализ работ по адгезионной теории трения позволяет отме­ тить, что она не учитывает природу процесса разрушения адгезион­ ных связей. По этой теории невозможно отличить сдвиговое сопро­ тивление на поверхности раздела от сдвигового сопротивления в по­ лимере. Кроме того, в работе [33] показано, что при низких скоростях скольжения, когда теплообразованием можно пренебречь, адгезион­ ная составляющая трения демонстрирует очень слабую корреляцию с вязко-упругими свойствами полимера, поведение которых носит ярко выраженный реакционный характер [34], в то время как деформаци­

459

онная составляющая соответствует вязко-упругим свойствам поли­ мера. В перечисленных выше теориях адгезии недостаточно учиты­ ваются современные достижения в области поверхностных явлений. Очевидно, это - одна из основных причин часто наблюдаемого боль­ шого расхождения расчетных и экспериментальных данных.

Современная теория трения и изнашивания насыщена большим количеством гипотез и концепций. Наибольшей универсальностью, широкими возможностями для моделирования и обобщения отлича­ ется энергетический подход к описанию фрикционных явлений, так как подавляющая часть затрачиваемой при трении и изнашивании механической работы превращается в тепловую энергию. Высокие плотности теплового воздействия могут способствовать переходу ма­ териалов в контактных микрообъемах из твердого в жидкое, газооб­ разное и даже в плазменное состояние. Аккумуляция энергии, как по­ казано в работах [35, 36], приводит к появлению остаточных напря­ жений, блокированию дислокаций и образованию свободных частиц износа. Более того, температура является главным "соучастником" большинства структурных превращений на поверхности трения, ак­ тивизирует образование микротрещин и триботехнические реакции формирования "третьего тела" В работе [37] обращается внимание на влияние надмолекулярных структурных полимеров на трение и из­ нос. Установлено, что при трении полимера по металлу реализуются механохимические эффекты, обеспечивающие образование тонкого промежуточного слоя из низкомолекулярных соединений. Окисляясь, эти соединения образуют поверхностно-активные вещества, которые осуществляют адсорбционное понижение прочности и формируют на контакте градиент сдвиговой прочности полимеров.

Авторы работ [38, 39] (для полимеров) и [40] (для металлов) рас­ сматривают трение как процесс образования и разрушения вторич­ ных структур, возникающих на трущихся поверхностях тел. Счита­ ется, что ведущим процессом в условиях "нормального" трения являет­ ся окисление и образование вторичных структур, а деформационным процессам придается второстепенное значение. Основой формирова­ ния вторичных структур на поверхностях трибосопряжений являются механические процессы, а внутренним механизмом - структурно­ термическая активация поверхностных слоев и их немедленное пас­ сирование.

Исследовался поверхностный слой полимера, работающий в ус­ ловиях фрикционного нагружения и состоящий из низкомолекуляр­ ных веществ, которые образуются в результате механического раз­ рушения макромолекул. Природа этого слоя определяет износостой­ кость металлического контртела, оказывая на него диспергирующее и пластифицирующее действие.

Роль поверхностного диспергирования в результате многократ­ ного пластического деформирования, приводящего к усталостному разрушению, показана в работе [41]. В свою очередь, пластическое

460