Введение к работе
Актуальность темы.
Одна из особенностей полимерных материалов и полимерных композиционных материалов (ПКМ) заключается в том, что их работа в узлах трения машин сопровождается развитием процессов трибоэлектризации и генерации трибоЭДС.
Установлено, что процессы электризации интенсифицируют одну из разновидностей вида изнашивания – коррозионно-механическую, при которой механическое изнашивание сопровождается химическим и электрическим взаимодействием материалов пары трения со средой.
Трибоэлектрические эффекты в металлополимерных трибосопряжениях влияют на процессы образования на поверхности трения пленки фрикционного переноса, диффузию продуктов деструкции полимера в металл, структурно-фазовые превращения. Анализ имеющихся данных о структурных изменениях в поверхностных слоях трущихся тел и одновременно происходящих термодинамических процессах диссипации механической энергии показывает, что эти процессы являются определяющими в механизме трения и изнашивания твердых тел в трибосистемах любого типа.
Возникновение трибоЭДС в металлополимерной паре трения, оказывает влияние на триботехнические характеристики, во многих случаях ухудшая их, уменьшая тем самым срок службы трибосистемы. Изготовление деталей из комбинации электроположительных и электроотрицательных пластмасс, частично решает задачу снижения электростатического потенциала и его влияния на силу трения и износ сопряженных тел. Однако данный способ не всегда технически оправдан и каждый отдельный случай требует своего решения.
Анализ перечисленных выше технических проблем, обусловленных возникновением трибоЭДС, указывает на актуальность задачи изучения, прогнозирования и управления трибоэлектрическими процессами в металлополимерных сопряжениях. Управление данными процессами позволит более эффективно решать задачу оптимизации состава ПКМ для конкретных условий и режимов работы узлов трения с целью увеличения их срока службы.
Целью работы является исследование характеристик трибоэлектрических эффектов и их влияния на триботехнические свойства ПКМ на основе политетрафторэтилена с углеродными наполнителями.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи.
1. Изучить влияние концентрации ультрадисперсного и волокнистого углеродных модификаторов на механические, электрические и триботехнические свойства ПКМ.
2. Исследовать зависимость трибоЭДС от контактного давления и температуры при трении ПКМ по стальному контртелу.
3. Исследовать зависимость трибоэлектрического заряда от температуры и концентрации наполнителя - модификатора в ПКМ.
4. Изучить зависимость износостойкости ПКМ от схемы установки металлополимерного узла трения в изделии (узел изолирован, узел заземлен) и включения узла трения во внешнюю электрическую цепь с различным расположением полярности.
5. Разработать методику определения концентрации наполнителя и прогнозной оценки износостойкости ПКМ на основе анализа концентрационных зависимостей скорости изнашивания ПКМ прототипа и трибоЭДС исследуемого ПКМ без проведения длительных испытаний его на трение и износ.
6. Разработать рекомендации по определению концентрации углеродных модификаторов в зависимости от вида модификатора и схемы включения трибосистемы, в электрическую цепь, обеспечивающие повышение износостойкости ПКМ.
Научная новизна результатов работы.
1. Установлены зависимости электрического сопротивления и удельной проводимости ПКМ от концентрации ультрадисперсного и волокнистого наполнителей и раскрыт механизм формирования электропроводящих структур в аморфно-кристаллических полимерах, модифицированных углеродными наполнителями, включающий формирование электропроводящих перколяционных кластеров наполнителя в структуре ПКМ.
2. Обоснован механизм трибоэлектризации и условия формирования трибоЭДС при фрикционном взаимодействии полимерных композиционных материалов с металлическими контртелами, согласно которому трибоЭДС уменьшается при повышении контактного давления и температуры вследствие уменьшения разности работ выхода электрона у металла и полимера согласно зонной теории в условиях трения.
3. Получены концентрационные зависимости трибоЭДС, показывающие, что с увеличением концентрации ультрадисперсного углеродного наполнителя трибоЭДС уменьшается нелинейно с точкой перегиба при концентрации 15 масс.%.
4. Получена зависимость величины трибоэлектрического заряда от концентрации скрытокристаллического графита и температуры в виде уравнения регрессии, показывающая, что величина заряда преимущественно зависит от концентрации модификатора.
5. Установлено влияние электроизоляции и заземления металлополимерного узла трения, а также влияние схемы включения узла во внешнюю электрическую цепь (различное расположение полярности источника тока) на скорость изнашивания ПКМ.
6. Разработана методика определения оптимальной концентрации наполнителя в создаваемых ПКМ на основе концентрационных зависимостей трибоЭДС без проведения трудоемких испытаний на трение, обеспечивающая минимальную скорость изнашивания ПКМ в заданных условиях и режимах трения.
Практическая ценность работы.
1. Полученные уравнения регрессии позволяют на этапе разработки ПКМ определить влияние условий нагружения узла трения, температуры и концентрации наполнителя на трибоЭДС и оценить степень ее влияния на процессы трения и изнашивания.
2. Предложена методика, позволяющая на основе концентрационных зависимостей трибоэлектрических свойств ПКМ прогнозировать его износостойкость без проведения трудоемких исследований триботехнических свойств (скорости изнашивания) ПКМ.
3. Разработаны рекомендации по выбору концентрации углеродных наполнителей с ультрадисперсными или волокнистыми модификаторами для ПКМ на основе ПТФЭ, например, герметизирующего устройства, в зависимости от схемы включения узла трения в электрическую цепь.
Результаты исследований нашли применение при выполнении научно-исследовательских работ по заказам предприятий и Минобразования и науки РФ, а также в учебном процессе Сибирской автомобильно-дорожной академии при подготовке инженеров по специальностям «Дорожные машины» и «Автомобильный транспорт».
На защиту выносятся:
1. Механизм формирования электропроводящих структур в аморфно-кристаллических полимерах, модифицированных углеродными наполнителями, включающий формирование электропроводящих перколяционных кластеров из частиц наполнителя в структуре ПКМ.
2. Механизм трибоэлектризации и формирования трибоЭДС при фрикционном взаимодействии полимерных композиционных материалов с металлическими контртелами, согласно которому изменение величины трибоЭДС связано с изменением разности работ выхода электрона металла и полимера в условиях внешнего трения.
3. Закономерности влияния схемы установки металлополимерного узла трения (с заземлением, без заземления) и схемы включения узла во внешнюю электрическую цепь с различным расположением полярности на скорость изнашивания ПКМ.
4. Экспериментальные зависимости и уравнения регрессии трибоЭДС от контактного давления и температуры и трибоэлектрического заряда от концентрации наполнителя и температуры.
5. Методика определения концентрации наполнителя в разрабатываемых ПКМ обеспечивающей минимальную скорость изнашивания на основе экспериментальных концентрационных зависимостей трибоЭДС без проведения исследования износостойкости ПКМ.
Апробация результатов диссертации. Результаты докладывались и обсуждались на пяти международных конференциях: Международная конференция «Образование через науку». Москва, 2005.; Международная конференция научно-практической школы «Славянтрибо – 7 а». Рыбинск - Санкт – Петербург – Пушкин, 2006.; Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы трибологии». Москва, 2007.; Международная конференция «Поликомтриб – 2009», Гомель; 63-я научно – практическая конференция ГОУ «СибАДИ» - Омск: СибАДИ, 2009; XIV-ой Международной научно-технической интернет-конференции. Брянск, 2011.
Публикации. По результатам исследования опубликовано 15 работ, из них 5 работ опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы. Работа изложена на 130 страницах, содержит 36 рисунков, 22 таблицы, список литературных источников, включающий 102 наименования.
