Материал: 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