ТРЕНИЕ И ИЗНОС композиционых МАТЕРИАЛОВ В ВАКУУМЕ

В узлах трибосопряжсний исполнительных устройств в машинои приборостроении, работающих в экстремальных условиях, таких как проникающая радиация, пониженное атмосферное давление и вакуум, а также криогенные и повышенные температуры весьма важно обеспечение стабильности значений триботехнических параметров пары трения — коэффициента трения и параметры износа трущихся поверхностей. С целью улучшения триботехнических характеристик в области контакта трущейся пары используются смазочные материалы на основе жидких и твердых сред композиционных составов на основе полимерной матрицы. На практике широко используются высокоэффективные жидкие смазочные материалы, типа масел с добавками, которые в условиях вакуума и повышенных температур имеют нестабильные реологические свойства, что существенно изменяет условия работы трибосопряжения. Однако наряду с жидкими смазочными средами также имеются твердосмазочные композиционные материалы на основе полимерной матрицы, наполненные дисперсными порошками неорганической природы, которые наиболее стабильны при работе в узлах трения в экстремальных условиях.

Композиционные твердосмазочные материалы выполняются на основе полимерной матрицы типа эпоксидных и эпоксифурановых смол, полиамидов, политетрафторэтилена, полиэтилена и других твердых органических веществ. В качестве добавок и наполнителей широко используются наноразмерные порошковые компоненты, такие как кластеры углерода, оксинитрид алюминия, оксид кремния, шпинели, дисульфид молибдена, бор, нанодисперсная медь, металлизированный графит и др.

На практике наилучшими триботехническими характеристиками обладают твердосмазочные материалы на основе ПТФЭ и ПЭ с дисперсным неорганическим наполнением, которые при сухом трении в нормальных условиях имеют значения коэффициента трения не превышающий значения ~0,15…0,16 при массовом износе твердой смазки — 1. .2* 10 ⁶ г/с.

Для работы узлов трения в экстремальных условиях (высокие радиация и вакуум) наиболее оптимальными являются твердые смазки композитов на основе эпоксидных смол и полиамидов, ввиду их высокой стойкости к воздействию проникающей радиации и повышенных температур. Твердые смазки на основе эпоксидных смол и полиамидов в режиме сухого трения не достигают триботехнических характеристик аналогичных смазкам на основе ПТФЭ и ПЭ.

Однако в ряде случаев даже незначительные дисперсные добавки активного вещества в композит могут создать заметное снижение триботехнических характеристик узла трения. Такое явление было впервые обнаружено Ивашовым Е.Н. и Степанчиковым С. В. (Патент РФ № 2 014 551 — приоритет 13 февраля 1992 г.).

Эффект снижения триботехнических характеристик триботехнической пары полимер — сталь узла трения наблюдался при сухом трении в вакууме при использовании твердых смазок на основе эпоксидных смол с активными добавками дисульфида молибдена и газопоглощающих порошков, например геггера СаА, что привело к существенному снижению параметров коэффициента трения и износа. Здесь при трении в вакууме в зоне трибоконтакта металла с полимерным композитом образуется динамически устойчивый «буферный слой» полимолекулярной фазы который способствует существенному снижению адгезионного взаимодействия контактной пары трения из-за наличия «молекулярной воздушной подушки».

Физическая модель трибоконтакта металл — диэлектрик. Известно, что на поверхности твердых тел формируется адсорбционный полимолекулярный слой остаточных газов, давление которых в таком приповерхностном слое составляет более 10⁵ Па (~ 1 атм).

При рассмотрении явления, возникающего в процессе трения скольжения в вакууме двух поверхностей (металл — диэлектрик) необходимо учитывать природу процессов электростатического взаимодействия свободных атомов и молекул на поверхности твердых тел. Так вследствие контакта тел металлдиэлектрик возникает двойной электрический слой зарядов в зоне их контакта, создающий адгезионное взаимодействие контактирующихся поверхностей.

В основе модели трения металла с полимером в вакууме (предложенной авторами настоящей книги в 2008 г.) считается необходимым обеспечение условий для одновременного протекания процессов электризации, генерации молекулярных фрагментов полимера и газов при протекании трибохимических реакций в сильных локальных электрических полях зарядов на поверхности диэлектрика в зоне трения. Эти условия в динамическом режиме трения в зоне контакта обеспечивают формирование связанного буферного слоя полимолекулярной фазы, состоящего из активных неравновесных фрагментов и молекул продуктов трения с самосогласованной динамической упорядоченностью при сильной ориентационной способности заряженных и поляризованных молекулярных элементов.

Узел трения можно рассматривать как контакт скольжения поверхностей материалов твердой смазки (композита на основе полимерной матрицы) и металла (контртела), где возникает межфазный двойной электрический слой зарядов и трибоэлектризация полимера при разделении поверхностей трения. Трибоэлектризация полимерной матрицы создает в приповерхностном слое диэлектрика связанные избыточные электрстныс заряды за счет прямой инжекции электронов из металла в контактирующий полимер, а также вследствие электрических разрядов в сильных локальных электрических полях при разделении зарядов двойного элекгрического слоя в зоне трения.

В зоне скольжения трибоконтакта металл — полимер протекают процессы износа и деструкции полимера на уровне нарушения его надмолекулярной структуры с выделением фрагментов молекул полимера в виде радикальных групп и газов изза механохимических реакций, протекающих в зоне трения в области высоких локальных электрических полей и температур.

Указанные динамические процессы развиваются в режиме скольжения и приводят к генерации неравновесных зарядов на границе раздела фаз, что вызывает компенсацию адгезионного взаимодействия двойного электрического слоя контакта при повышении упорядоченности структуры молекулярного приповерхностного слоя композита и молекул адсорбированных газов. Такая совокупность протекающих процессов уменьшает величину поверхностной энергии и адгезионное взаимодействие контактирующих поверхностей тел при скольжении в вакууме.

При трении в вакууме в зоне динамического трибоконтакта металла и полимерного композита образованный буферный слой полимолекулярной фазы существенно снижает адгезионное взаимодействие контактной пары трения из-за наличия «молекулярной воздушной подушки». Повышение скорости скольжения (вращения вала) трущихся поверхностей приводит к большей интенсификации выделения фрагментов радикальных групп молекул полимера и газов в зоне трения и повышению давления в буферном слое относительно давления вне зоны трения, т. е. вакуума. Таким образом, за счет возникновения повышенного давления в зоне трения буферный слой приобретает упругие свойства, аналогичные «гидродинамическому эффекту в жидкостях», вследствие чего существенно снижается взаимодействие и триботсхнические характеристики поверхностей трущихся тел.

Такое явление можно характеризовать как явление квазижидкостного скольжения (т.е. аналогичное жидкостному скольжению) трущихся поверхностей относительно друг друга по образованной упругой буферной «молекулярной воздушной подушке» при центрировании вала вращения относительно втулки (для плоского контакта при «подъеме») в результате также проявления гидродинамического эффекта в зоне трения.

Использование в качестве одной из компонентов наполнителя порошков цеолитов, обладающих сильной полярностью.

обеспечивает стабильность постоянства состава буферного газового квазижидкостного слоя в зоне трения. Наличие локальных электрических полей в зоне трибоконтакта позволяет также проявляться механизму генерации активных фрагментов и молекул этого слоя.

Возникновение явления квазижидкостного трения в вакууме приводит к значительному снижению коэффициента трения и износа материала в трибоконгакте.