Материал: 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