АКТУАЛЬНОСТЬ, ОБОСНОВАНИЕ. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИБОКОМПОЗИТОВ

Дерлугян Ф.П., Логинов В.Т., Дерлугян П.Д., Трофимов Г.Е.

Для создания надежной современной техники требуется разработка высокоэффективных износостойких материалов и покрытий для обеспечения долговечной работы узлов трения механизмов, эксплуатируемых в широком диапазоне нагрузок, скоростей, температур и работоспособных в агрессивных средах, при переходных режимах и в вакууме. Решение этой проблемы путем применения традиционных материалов и покрытий без веления каких-либо добавок весьма ограничено.

Известно, что на ремонт машин и механизмов ежегодно расходуются огромные средства, их которых 85% – на замену подшипниковых узлов трения. В то же время для создания новой перспективной техники с более жесткими условиями работы трибологических систем требуются новые металлы, сплавы, композиционные материалы на полимерной основе с особыми свойствами. Уровень качества этих материалов должен быть обусловлен точностью состава, оптимальным соотношением характеристик, тщательностью изготовления на всех стадиях технологической цепочки, сравнительно недорогих и технологичных в изготовлении. Высокую потребность в новых композиционных материалах испытывают предприятия, использующие робототехнические комплексы, которые характеризуются точностью передаточных и исполнительных механизмов, эксплуатируемых в экстремальных условиях. Для их надежной работы необходимы материалы, сочетающие высокую механическую прочность с низким удельным весом, повышенную износостойкость и низкий коэффициент трения. Они должны обладать коррозионной и радиационной стойкостью, экологичностью при эксплуатации, высокой степенью надежности в широком интервале температур, работоспособностью на воздухе и в вакууме, в химически активных средах.

Известно, что при создании композиционных материалов для узлов трения возникает ряд взаимосвязанных задач, решение которых имеет сои особенности для каждого класса материалов, используемых в качестве матрицы. Например, антифрикционность многих композитов на полимерной основе часто находится в противоречии с их теплопроводностью и теплостойкостью. В тоже время введение наполнителей, повышающих теплопроводность, в полимерную матрицу часто приводит к снижению их механической прочности и повышает коэффициент трения. Использование износостойких высокотемпературных керамик для композиционных анитифрикционных материалов затруднено их сравнительно высокими коэффициентами трения и хрупкостью. Поэтому для решения вышеизложенных проблем необходимы новые «нетрадиционные» подходы к конструированию композитов, с привлечением фундаментальных исследований в области физико-химической механики материалов, коллоидной и органической химии, материаловедения и др. прикладных наук.

Вышеперечисленные задачи требуют для решения использование новых подходов к химическому конструированию композиционных материалов, привлечение к ним перспективных исследований в области физики твердого тела, материаловедения трибомоторинга и трибо- и нанотехнологий. При этом следует учитывать природу матрицы композиционных матеиралов, свойства, состав и количество введенных наполнителей, химические и физико-химические процессы, протекающие при взаимодействии компонентов материала и, конечно, процессы, протекающие в трибологическом контакте во время работы узла трения.

«Маслянит» является самосмазывающимся материалом, чье сопротивление изнашиванию значительно выше, чем у бронзы и баббитов. Обладая к тому же высокой стойкостью к коррозии, «Маслянит» может применяться в химической промышленности, в машиностроении, в

автомобилестроении, в судостроении, в гидротехнике, в энергетике и т.д. Из него делают корпуса подшипников, шестерни и детали машин, работающих в агрессивных средах, а также подшипники в насосах для перекачки жидкостей. Ученые и специалисты указали на возможность использования его в вакууме, где пары металлов, например, сталь и бронза, не работоспособны, так как необходимая смазка мгновенно испаряется и происходит сварка обоих металлов. Если один из металлов заменить самосмазывающимся материалом, то такие пары могут применяться и в вакууме.

Известно, что система полимер-пластификатор является термодинамически и агрегативно неустойчивой. При повышении температуры вследствие увеличения кинетической энергии усиливается движение макромолекул полимера и молекулы пластификатора¸ расположенные между молекулами полимера, постепенно выжимаются наружу. Это явление и было использовано при химическом наноконструировании полимерных композитов. При этом было доказано, что в случае межпачечного пластифицирования композит имеет значительно лучшие трибологические характеристики, чем в случае внутрипачечного пластифицирования. Межпачечный пластификатор, находящийся в полимере в определенном количестве, резко снижает величину коэффициента трения. В то же время имеется большое количество пластификаторов, которые в большинстве случаев проявляют себя как смазки при граничном трении. В дальнейшем при конструировании композитов, предназначенных для эксплуатации в тяжелых для полимеров условиях, явление пластифицирования было распространено на материалы с твердосмазочными наполнителями. Сочетание в полимерной матрице твердосмазочного наполнителя (типа дисульфида молибдена или графита) и пластификатора-смазки позволило резко повысить трибологические характеристики антифрикционных самосмазывающихся материалов с полимерной матрицей и создать целую гамму композитов для узлов трения шлюзовых затворов гидростанций, спуска судов на воду и других отраслей техники, где ранее композиционные материалы на основе полиамидов и полиэтилена не применялись. Однако непрерывное совершенствование машиностроения и специальных областей техники, в том числе космической, ужесточение условий работы узлов трения требовало еще более надежных теплостойких материалов и покрытий, что в свою очередь заставило ученых и практиков использовать при создании композитов новые подходы и нетрадиционные полимеры.

Были проведены теоретические исследования методов структурно-кинематического моделирования подвижных молекулярных форм большинства композиционных материалов, которые показали, что при повышении температуры в зоне контакта трущихся пар происходит перестройка структуры, заключающаяся в переходе от ограниченной подвижности молекул к их свободному вращению. При поворотной изометрии одна молекулярная структура переходит в другую без разрушения связей. При этом скорость внутреннего вращения, т.е. скорость конформационных превращений молекул зависит от потенциального барьера внутреннего вращения, составляющего для большинства молекул 3,3-25 кДж/моль. Поэтому в состав композитов вводили соединения не только повышающие прочность и его антифрикционные характеристики, но и способствующие перестройке структурных комплексов в зоне трибологического контакта. Энергия разрушения молекулярных комплексов такой структуры значительно выше величины их конформационной перестройки. Одними из характерных соединений, создающих в системе вышеуказанные условия, являются фосфаты некоторых металлов (Cu, Cd, Zn, Mo). Эти соединения снижают долю энергии, идущей на разрушение молекулярных комплексов, а в некоторых случаях трансформируют её в энергию конформационной перестройки.

Для примера приведем вариант композиционного материала с твердосмазочным наполнителем типа дисульфида молибдена, образующий при работе в контактной зоне ФТСП – фосфатное твердосмазочное покрытие, одним из компонентов которого является MoOPO4 ( аналогичные соединения, найдены и в объеме композита). Конформационный анализ этого фосфата, предопределяющий вероятность структурного перестроения и оптимальной ориентации

твердосмазочного наполнителя в зоне фрикционного контакта, показывает, что формирование структуры фосфатов молибдена происходит за счет входящих Аво все эти соединения тетраэдров PO4. При этом наличие сильно ослабленной связи атома молибдена с атомом кислорода предопределяет возможность псевдовращения тетраэдра, тем самым, обеспечивая высокую подвижность системы. С геометрической точки зрения MoOPO4 – это восьмичленный цикл, построенный из атомов трех видов, характеризующийся стабильными длинами связей и чередованием 2-х различных внутрициклических валентных углов при атомах Mo и P (109,5 град. и 0 град.) В этом цикле с фиксированными длинами связей и валентными углами имеются 2 степени торсионной свободы и 5 конформаций. Для полифосфатных цепей характерен широкий интервал углов P-O-P; кроме того, наблюдается значительная ротационная гибкость этой связи, которая позволяет смежным тетраэдрам занимать альтернативные положения. При исследовании энергетических параметров этих соединений была определена энергия вращения кристаллической решетки и энергия связи (разрушения) атомов металлокомплексов, имеющие значения по Б. Эггинсу и Д.Корбриджу, -2-5 кДж/моль и 515,6 кДж/моль, соответственно.

Таким образом, учитывая гибкость фосфатных металлокомплексов, а также их энергетические параметры, можно сказать, что в зоне фрикционного контакта, более предпочтительно структурно-кинетическое перестроение, а не разрушение их конформационных фрагментов. Наличие поворотной изометрии молекул фосфатных комплексов позволяет им легко приспосабливаться к тем или иным условиям трения, что в свою очередь снижает скорость изнашивания композитов. Износостойкость композитов повышается также в виду того, что «микрокапсулы» MoS2, находясь в высокоподвижной активно перестраиваемой системе, могут свободно ориентироваться в отношении к поверхностям как подложки, так и контртела.

Leave A Comment

Вы не можете скопировать содержимое этой страницы