Электрические и триботехнические свойства и трибоэлектрические эффекты при трении композиционного материала на основе политетрафторэтилена

Полимеры и полимерные композиционные материалы (ПКМ) играют прогрессивную роль в развитии приборостроения и машиностроения. Применение ПКМ позволяет значительно снизить материалоемкость изделий, трудоемкость изготовления различных деталей за счет современных высокопроизводительных и ресурсосберегающих технологических процессов производства полимерных деталей. Материалы на полимерной основе могут работать в вакууме, в химически активной и инертной средах, при криогенных и повышенных температурах в различных узлах трения в широком интервале нагрузок и скоростей скольжения.

ПКМ используются в различных видах техники — от изоляторов токопроводящих материалов до подшипников и уплотнений транспортных, технологических и энергетических машин. Они находят широкое применение в нефтехимической, авиационной, космической, военной, криогенной и в других видах техники. Современное материаловедение, используя совершенные технические средства и методики, разрабатывает и исследует пути и методы создания в полимерных композиционных материалах структур, обеспечивающих получение оптимальных механических, электрических, триботехнических и других свойств [7, 8].

Значительный практический интерес представляют узлы трения, изготовленные с применением полимерных материалов, так как они имеют малую массу, работают практически бесшумно, обладают демпфирующей способностью, в большинстве случаев не требуют смазки.

Необходимо отметить, что в науке о трении полимеры породили множество новых задач, обусловленных специфическими свойствами этих материалов. Как показывает практика композиционные материалы на основе полимеров в значительно большей степени, чем металлы, чувствительны к воздействию многочисленных факторов, обусловленных трением и влиянием внешней среды

12,34,85]. Во многих полимерах одновременно присутствуют аморфная и кристаллическая фазы, надмолекулярная структура характеризуется большим разнообразием молекулярных образований (цепи, глобули, фибриллы и т. д.). Особенность строения полимерных материалов определяет механизмы их трения и изнашивания [55,67].

Существенная особенность полимерных материалов и ПКМ на полимерной осковс заключается еще и в том, что их работа в трибосистемах сопровождается развитием процессов трибоэлектризации и генерации трибоЭДС. Еще в 1939 г. Е. М. Розенбергом [73] было отмечено, что при исследовании трения и износа следует помнить «.об электрических, электрохимических явлениях, процессах адсорбции, и других видов сорбции на трущейся поверхности, которые затрудняют или, наоборот, интенсифицируют износ». В 1946 году Ребиндер П. А. и Венстрем A.M. [96] экспериментально подтвердили взаимосвязь электрохимических и трибологических свойств трибосопряжений. Первые результаты исследований о влиянии электрических явлений на процесс трения были опубликованы в 1952 году А. Д. Дубининым [30,31]. Им же были проанализированы и причины возникновения электрического тока при трении. В прямом эксперименте было установлено, что электрический ток возникает даже при трении образцов из одного материала. Природа возникновения электрических эффектов на трущихся поверхностях исследовалась и в других работах [29,78,94].

Установлено, что процессы электризации интенсифицируют один из видов изнашивания — коррозионно-механический, при котором механическое изнашивание сопровождается химическим и электрическим взаимодействием материала со средой. К видам коррозионно-механического изнашивания можно отнести: 1) фреттинг — коррозию, вызывающую разрушение постоянно контактирующих поверхностей в условиях тангенциальных микросмещений без удаления продуктов износа- 2) водородный износ, связанный с выделением водорода при разложении воды, нефти и нефтепродуктов, деструкцией пластмасс при трении, применении водородного топлива.

Экспериментально установлено, что полимеры можно условно разделить на электроотрицательные и электроположительные [91]. При трении электроотрицательных полимеров происходит «металлизация» поверхности полимера, которая способствует износу металлического контртела [17]. Электроположительные полимеры слабо изнашивают металлические контртела, они сами изнашиваются при трении и характер износа различен для каждой пары трения. Возникающее при трении в металлополимерной паре электрическое поле оказывает влияние на процесс переноса полимеров на металлическое контртело. Анализируя роль переноса частиц полимеров в механизме изнашивания, А. И. Свириденок отмечает, что поиск универсальных зависимостей, определяющих перенос, весьма затруднителен, так как для каждой пары трениясуществует оптимальное отношение нагрузки, скорости и температуры, обусловливающее оптимальную кинетику процесса переноса с лучшими триботехническими характеристиками [63].

Трибоэлектрические эффекты влияют на процессы образования антифрикционными полимерными материалами на поверхности трения пленки фрикционного переноса, диффузию [10,33,69] продуктов деструкции полимера в металл [1,37,39,40,51], структурно-фазовые изменения. Анализ имеющихся данных о структурных изменениях в поверхностных слоях трущихся тел [13,23,58,64,75] и одновременно происходящих термодинамических процессах диссипации механической энергии [12,68] показывает, что эти процессы являются определяющими в механизме трения и изнашивания твердых тел в трибосистемах любого типа. Другими словами, названные процессы определяют характер и закономерности процессов трения и изнашивания, а следовательно и процессов трибоэлектризации металлических, полимерных и металлополимерных узлов трения независимо от условий нагружения и смазки. Поэтому структурный анализ физико-химических процессов при трении и изнашивании и анализ термодинамических явлений (фазовых переходов, трибохимических реакций, деструкции, тепловых и трибоэлектрических эффектов) этих процессов позволяют получить наиболее полную физическую картину изучаемого явления и определить пути и методы направленного изменения свойств материалов трибосистемы на основе общего термодинамического подхода к оценке свойств узла трения как открытой термодинамической системы [52].

Возникновение трибоЭДС в металлополимерной паре трения, оказывает влияние на триботехнические характеристики, во многих случаях ухудшая их, уменьшая тем самым срок службы трибосистемы. Ярким примером тому является попытка использования на железнодорожном транспорте тормозных колодок из ПКМ. Применение колодок из ПКМ вместо чугунных выявило повышенный износ поверхности катания колес при эксплуатации из-за процессов трибоэлектризации, а также ряд дефектов, снижающих эффективность торможения и ограничивающих широкое применение таких колодок. Изготовление деталей из комбинации электроположительных и электроотрицательных пластмасс, частично решает задачу — приводит к снижению электростатического потенциала деталей, и повлияло на уменьшение величины момента трения и температуры сопряженных тел [17], но данный способ не всегда технически оправдан и каждый отдельный случай требует своего решения.

Введение

электропроводящих наполнителей также оказывает влияние на трибоЭДС, образующейся в паре трения металл — полимер. На примере исследования композиций на основе ПТФЭ было установлено, что при введении кокса с концентрацией 20 масс. % потенциал на трибосопряжении резко уменьшается в 42 раза [43]. Следовательно, использование электропроводящих наполнителей позволяет уменьшать трибоЭДС и ее негативное влияние, однако увеличение концентрации наполнителей может ухудшить, как механические, так и триботехнические свойства ПКМ. Таким образом, возникает проблема оптимизации и снижения трибоЭДС до величины, не приводящей к понижению триботехнических свойств металлополимерных трибосистем.

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 повышения эксплуатационных свойств металлополимерных трибосистем: уменьшения износа деталей пары трения и увеличения их срока службы.

Исходя из вышесказанного объектом данного исследования являются полимерные композиционные материалы на основе ПТФЭ и металлополимерные трибосистемы.

Предмет исследования: электрические, механические и триботехнические свойства ПТФЭ, модифицированного углеродными модификаторами.

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.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования:

1. Анализ научной литературы, относящийся к рассматриваемой проблеме, с целью выявления состояния исследуемой проблемы в материаловедении и триботехнике.

2. Цель работы и сформулированные задачи предполагали использование комплекса экспериментальных и расчетных методов. Экспериментальные методы включали: проведение исследований по изучению свойств ПКМ (механических, триботехнических, электрических), исследование электрических явлений при трении и влияния трибоэлектризации на триботехнические свойства ПКМ. Использованные расчетные методы включали: математические методы планирования экспериментов, статические методы обработки экспериментальных данных и регрессионный анализ.

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 ГЖМ 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 следующие научные положения и результаты диссертационной работы:

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.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка использованной литературы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основе анализа результатов исследований механических, электрических и триботехнических свойств полимерных композиционных материалов показано, что ПКМ на основе ПТФЭ наряду с высокой химической стойкостью и хорошими триботехническими свойствами обладают выраженной способностью к генерации трибоэлектрического заряда и трибоЭДС (разность потенциалов) в условиях фрикционного взаимодействия с металлическими контртелами.

2. Экспериментальные зависимости механических, триботехнических свойств ПКМ от концентрации ультрадисперсного углеродного наполнителя показывают: зависимость предела прочности имеет экстремальный характер с максимумом при концентрации 10 масс.%- концентрационные зависимости скорости изнашивания также имеют экстремальный характер с минимумом при концентрации 10. 15 масс. %.

3. Зависимости трибоЭДС от концентрации ультрадисперсного наполнителя при различном контактном давлении имеют два участка с различными градиентами снижения величины трибоЭДС: в интервале концентраций СКГ от 5 до 15 масс.% наблюдается снижение трибоЭДС с градиентом (0,04.0,05) мВ на 1,0 масс. %, в интервале 15.20 масс. % градиент снижения трибоЭДС увеличивается в 2 раза.

4. Зависимости трибоЭДС от контактного давления также имеют два участка, характеризующиеся различными градиентами уменьшения трибоЭДС, в интервале давлений 1,5.2,5 МПа он в 2 — 4 раза меньше чем в интервале 2,5.3,0 МПа.

5. С повышением температуры в исследуемом интервале 298.323 К трибоЭДС монотонно уменьшается при любом уровне контактного давления, что согласно зонной теории обусловлено уменьшением разности работ выхода электрона у полимера и металла при изменении температуры в условиях фрикционного взаимодействия.

6. Установлено, что процесс трибоэлектризации сопровождается накоплением электрического заряда в поверхностном слое ГЖМс увеличением концентрации и температуры величина трибоэлектрического заряда монотонно уменьшается и при повышении температуры на 45 К (от 298 до 343 К) и концентрации СКГ на 10 масс. % трибозаряд уменьшается в 3,4 раза.

1. Ведение электропроводящих углеродных наполнителей в виде ультрадисперсного СКГ и измельченного углеродного волокна оказывает существенное влияние на электросопротивление и удельную проводимость ПКМустановлено, что при концентрации УВ более 5 масс. % или концентрации СКГ более 15 масс.% ПКМ утрачивает свойства диэлектрика и переходит в класс электропроводящих материалов.

8. Раскрыты особенности механизмов электропроводности ПКМ при введении ультрадисперсного и волокнистого наполнителей, показано, что они связаны с различием механизмов формирования электропроводящих перколяционных кластеров из цепочек частиц наполнителей вследствие различия их размеров и геометрической формы, что и определяет различие критических концентраций (5 и 15 масс.%), при которых резко, на несколько порядков, изменяются электрическое сопротивление и удельная проводимость ПКМ.

9. Электроизоляция металлополимерной пары трения при работе в реальных условиях не дает преимуществ в износостойкости по сравнению со схемой имеющей заземление. Схема включения металлополимерной пары трения в электрическую цепь внешнего источника оказывает значительное влияние на процессы трибоэлектризации и износостойкости ПКМ при концентрации ультрадисперсного наполнителя более 15 масс.%- при меньшей концентрации влияние схемы включения незначительно вследствие высокого электрического сопротивления (сотни МОм) ПКМ.

10. Зависимость трибоэлектрического заряда от одновременно изменяющихся концентрации наполнителя и температуры описывается полученным уравнением регрессии, использование, которого в качестве математического выражения для трибоэлектрического заряда в энтропийной модели металлополимерной трибосистемы позволяет развить эту модель и получать более точные оценки интенсивности изнашивания металлополимерных трибосистем.

11. На основе сравнительного анализа графиков производной и скорости изнашивания ПКМ была разработана методика определения оптимальной концентрации наполнителя и скорости изнашивания разрабатываемого ПКМ без проведения трудоемких испытаний на трение и износ.