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

На правах рукописи

ТЮКИН АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

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

05.16.09. - Материаловедение (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Омск - 2011

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО

“ Омский государственный технический университет”.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор,

Машков Юрий Константинович

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор,

Мозговой Иван Васильевич

- доктор технических наук, доцент

Коротаев Дмитрий Николаевич

Ведущая организация - Филиал Военного учебно-научного центра Сухопутных войск «Общевойсковая академия ВС РФ» (г. Омск)

Защита диссертации состоится 23 декабря 2011 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.178.10 Омский государственный технический университет по адресу: 644050, г.Омск, ул.Мира 11, в ауд.340.

Тел./факс (3812) 65-22-92.; e-mail visur@omgtu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОмГТУ

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью составителя, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по адресу диссертационного совета.

Автореферат разослан _ ноября 2011 года

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат физ.-мат. наук, профессор Суриков В.И.

Общая характеристика работы

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.

Основное содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и основные положения работы, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору и анализу опубликованных работ по теме диссертации. Отечественными и зарубежными учеными, такими как Виноградов В.Н., Колесников В.И., Кутьков А.А., Костецкий Б.И., Краснов А.П., Машков Ю.К., Мышкин Н.К., Охлопкова А.А., Погосян А.К., Свириденок А.И. и др. на основе проведенных исследований сформулированы научные положения и предложен ряд теорий, позволяющих объяснить механизмы трения и изнашивания полимерных композиционных материалов, а также методы повышения износостойкости деталей узлов трения. В главе рассматриваются и анализируются структура, механические и триботехнические свойства политетрафторэтилена и ПКМ на его основе, а также обоснование выбора его в качестве объекта исследований.

Рассмотрены электрические свойства аморфно-кристаллических полимеров и электрические явления, возникающие при трении по металлу полимерных и полимерных композиционных материалов по металлу. Исследования, выполненные Балабековым М.Т., Белым В.А., Биликом Ш.М., Гольдаде В.А., Дубининым А.Д., Дерягиным Б.В., Колесниковым В.И., Кротовой Н.А., Лебом Л.Б., Михневичем Н.Н., Мироновым В.С., Постниковым С.Н., Пинчуком Л.С., Розенбергом Е.М., Смилгой В.П., Смуруговым В.А., Френкелем С.А., Цурканом В. П., Чичинадзе А.В. и др. позволяют объяснить механизмы некоторых трибоэлектрических процессов и явлений при трении. Однако их влияние на износостойкость деталей узлов трения до настоящего времени не получило достаточно обоснованного объяснения.

По результатам проведенного анализа опубликованных работ сформулирована цель и определены задачи исследования.

Вторая глава посвящена описанию выбранных методов и средств экспериментального исследования. Описаны методики исследования влияния контактного давления, температуры, вида и концентрации наполнителей ПКМ на трибоЭДС в металлополимерной паре трения. Приведено описание методик исследования механических, триботехнических, электрических свойств ПКМ, описаны методы и средства экспериментального исследования влияния схемы включения металлополимерного трибосопряжения в электрическую цепь на скорость изнашивания ПКМ.

Во второй главе также проведен анализ измерительных схем и приведено описание установки, разработанной для экспериментальных исследований трибоэлектрических процессов и их закономерностей.

Для исследования трибоэлектрических процессов и свойств ПКМ использовали образцы ПКМ на основе ПТФЭ, содержащие в качестве наполнителей ультрадисперсный скрытокристаллический графит (СКГ) марки ГЛС-3 (ГОСТ 5420-74) с удельной поверхностью частиц 55…70 м2/г, углеродное волокно (УВ), высушенное и измельченное в присутствии порошка ПТФЭ до размеров 50…500 мкм. Образцы ПКМ изготавливались по технологии холодного прессования и последующего свободного спекания.

Для исследований электрических эффектов и триботехнических свойств ПКМ была разработана специальная установка, в рабочем узле, которой реализуется торцовая схема трения палец-диск (рис.1). Конструкция рабочего узла состоит из следующих деталей: 1 – текстолитовый корпус- держатель полимерных образцов, 2 - металлическое кольцо, 3 - полимерный образец, 4 – самоустанавливающиеся металлическое контртело, 5 - текстолитовая изоляция, 6 - металлический шарик, 7 – прибор, регистрирующий трибоЭДС, 8 – электроизмерительный блок трибозаряда.

Рис.1. Схема исследований электрических эффектов,

триботехнических свойств ПКМ

Электрическое сопротивление образцов измеряли в специальном приспособлении с помощью мегомметра марки ЭС 0210/1 - Г, имеющего диапазон измерения от 0 до 10000 Мом, класс точности 2,5. Для регистрации и обработки электрического сигнала трибоЭДС, использовали специальный ПК осциллограф и самописец марки КСП - 4. Зависимость трибозаряда от температуры исследовали на установке, доукомплектованной специально изготовленным электроизмерительным блоком (рис. 1 поз. 8), который состоял из баллистического гальванометра БГ, двух герконов и конденсатора постоянной емкости С. Измерение момента силы трения выполняли с помощью малогабаритного потенциометрического датчика давления ДМП-6А. Температуру измеряли с помощью термопары цифрового мультиметра марки MY – 62, погрешность измерений которого в интервале от 0 0С до 400 0С не превышала ±5 %.

Для исследования взаимосвязи тепловых и трибоэлектрических процессов и зависимостей трибоЭДС и трибозаряда от температуры, контактного давления и химического состава ПКМ, использовался статистические методы планирования и обработки результатов экспериментов. В качестве независимых изменяющихся параметров приняты контактное давление (механическая нагрузка), температура и концентрация углеродного модификатора.

В третьей главе рассматриваются результаты экспериментальных исследований механических, триботехнических и электрических свойств ПКМ. Механические свойства ПКМ оценивали по следующим параметрам: предел прочности при растяжении, модуль упругости при растяжении. Статический модуль упругости при растяжении Ер определяли согласно методике ГОСТ 9550 – 81 «Пластмассы. Методы определения модуля упругости при растяжении, сжатии и изгибе». Образцы изготавливали в виде плоских лопаток по ГОСТ 11262 – 80 «Пластмассы. Методы испытания на растяжение» По этому ГОСТу определяли также предел прочности при растяжении р. Установлено, что концентрационная зависимость предела прочности р имеет экстремальный характер. Максимум р наблюдается при концентрация СКГ 10 масс. % (рис.2). Из графика зависимости Ep = f(C) видно, что модуль упругости монотонно возрастает с увеличением концентрации наполнителя. Наибольшая интенсивность повышения модуля упругости наблюдается в интервале концентраций СКГ от 5 до 10 масс.%. Следовательно, концентрацию 10 масс.% ультрадисперсного скрытокристаллического графита можно считать критической.

Рис. 2. Зависимости механических свойств ПКМ от концентрации скрытокристаллического графита:

1 — предел прочности р; 2 — модуль упругости Ер

Графики концентрационной зависимости скорости изнашивания (рис.3) показывают, что при концентрации СКГ 5,0 масс.% скорость изнашивания мало зависит от контактного давления и ее среднее значение приближенно равно 6,310-4 г/ч. Зависимости скорости изнашивания от концентрации СКГ имеют экстремальный характер. При концентрации ультрадисперсного скрытокристаллического графита 10…15 масс. % наблюдается минимальный уровень скорости изнашивания. При концентрации 20 масс. % не зависимо от контактного давления скорость изнашивания образцов имеет максимальное значение, увеличиваясь в 1,7…2,2 раза. Исключение составляет зависимость, полученная при контактном давлении 1,5 МПа, где максимальная скорость изнашивания получена при концентрации 5 масс.% СКГ.

На графиках (рис.3) концентрационных зависимостей коэффициента трения видно, что при концентрации наполнителя 5 масс.% и изменении контактного давления в интервале 1,5…3 МПа коэффициент трения с увеличением концентрации повышается незначительно. При давлении 2,0 и 3,0 МПа он практически не изменяется. Таким образом, получены полные характеристики механических и триботехнических свойств ПКМ с концентрацией ультрадисперсного углеродного наполнителя в интервале от 5 до 20 масс.%.

Рис.3. Концентрационные зависимости скорости изнашивания и коэффициента трения ПКМ при контактном давлении:

1-1,5МПа; 2 - 2,0МПа; 3 - 3,0МПа.

Изучение электрических свойств ПКМ включало исследование концентрационных зависимостей электрического сопротивления, удельной проводимости, трибоЭДС и трибоэлектрического заряда.

Исследование зависимостей электрического сопротивления ПКМ проводили на образцах с двумя различными типами наполнителя при концентрации от 5 до 20 масс. %. В первом случае в качестве наполнителя использовали ультрадисперсный скрытокристаллический графит, во втором случае - измельченное углеродное волокно. Используя результаты измерения электрического сопротивления образцов, рассчитывали значения удельной проводимости по известной формуле , где l = (1,0 ± 0,1) ·10-2 м – длина полимерного образца, d = (5,0 ± 0,1)·10-3 м - диаметр образца, R – электрическое сопротивление образца.

Результаты измерений электрического сопротивления и расчетные значения удельной проводимости, представлены в таблице 1.

Таблица 1

Электрическое сопротивление и удельная проводимость образцов