WWW.OS.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Научные публикации
 

«Аннотация Рассмотрена возможность преобразования эмпирического закона изнашивания в физическую модель износа композита. ...»

Оценка эффективности наполнения полимерных композитов …

УДК 621. 892

Е.Б. Седакова, Ю.П. Козырев

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ НАПОЛНЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ

КОМПОЗИТОВ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Елена Борисовна Седакова, к. т. н., старший научный сотрудник,

ФГБУН Институт проблем машиноведения РАН,

Россия, Санкт-Петербург

тел. (812)321-47-74, E-mail: elenasedakova2006@yandex.ru

Юрий Петрович Козырев, к. т. н., старший научный сотрудник ФГБУН Институт проблем машиноведения РАН, Россия, Санкт-Петербург тел. (812)321-47-74.

Аннотация Рассмотрена возможность преобразования эмпирического закона изнашивания в физическую модель износа композита. Показан один из аспектов применения физической модели износа для оценки эффективности наполнения полимерных матриц на стадии разработки композитов. Построены расчетные зависимости относительной интенсивности линейного изнашивания композита по отношению к матрице в зависимости от процентного содержания дисперсного наполнителя и параметров нагружения.

Ключевые слова: износостойкость, интенсивность линейного изнашивания, композит, полимер, наполнитель, объемная концентрация, трение, износ.

E.B. Sedakova, Yu.P. Kozyrev

ESTIMATION OF FILLING EFFICIENCY OF POLYMERIC

COMPOSITES OF TRIBOTECHNICAL PURPOSES



Dr. Elena B. Sedakova1, e-mail: elenasedakova2006@yandex.ru;

Dr. Yuri P. Kozyrev1.

Institute of Problems of Mechanical Engineering, Russia Abstract The opportunity of transformation of the empirical law of wear in physical model of wear of a composite is considered. One of aspects of application of Е.Б. Седакова, Ю.П. Козырев physical model of wear for a definition of efficiency of filling of polymeric matrixes at a stage of development of composites is shown. Calculation dependences of relative intensity of a composite linear wear in relation to a polymer matrix are constructed depending on volumetric concentration of disperse filler and loading parameters.

Key words: wear resistance, intensity of linear wear, composite, polymer, filler, volumetric concentration, friction, wear.

При создании новых полимерных композиционных материалов триботехнического назначения удобно уже на начальной стадии разработки иметь возможность относительной оценки эффективности наполнения.

Для решения поставленной задачи воспользуемся разработанным ранее эмпирическим законом изнашивания (ЭЗИ) [1]. Математическим выражением ЭЗИ является соотношение, связывающее коэффициент износа К с совместной нагрузкой pv, представляющее собой произведение контактного давления p на скорость скольжения v, и имеющее вид

–  –  –

где a, b, c, d – размерные коэффициенты, характерные для исследуемого материала.

В [1] показано, что ЭЗИ справедлив в широком диапазоне нагрузок и применим для определения величины K при любом pv из заданного диапазона. Выражение (1) состоит из двух слагаемых, первое из которых описывает механохимическую, а второе – механическую составляющую изнашивания. В технических исследованиях износостойкость материалов часто оценивают по величине интенсивности линейного изнашивания Ih. Используя полученные размерные коэффициенты и, учитывая, что Ih = Kp, возможен переход от (1) к выражению для определения Ih

I h ap 2vebpv cp(edpv 1). (2)

Однако выражение в виде (2) пригодно для оценки величины Ih уже готового материала. Для оценки износотойкости разрабатываемых композитов требуется обобщенное выражение, учитывающее как особенности изнашивания составляющих композита, так и их взаимное влияние. В ряде работ [2, 3] отмечаются, что поверхность трибоконтакта композита состоит из чередующихся областей материала матрицы и наполнителя. Эти данные получены в результате анализа поверхности трен ия методом сканирующей электронной микроскопии. Тогда в условиях действия внешней сжимающей нагрузки контактное давление распределяется между матрицей и Оценка эффективности наполнения полимерных композитов … наполнителем, и износостойкость композита будет зависеть от механических и триботехнических свойств этих составляющих. Заметим, что для получения выражения ЭЗИ композита в целом недостаточно знания величин размерных коэффициентов, полученных отдельно для полимерной матрицы и наполнителя, так как влияние составляющих композита на его износостойкость не подчиняется правилу аддитивности. Это подтверждается и существенным различием величин коэффициентов ЭЗИ, ответственных как за механизмы изнашивания, так и за степень влияния температуры на физико-механические характеристики. Тогда обобщенное выражение на основе ЭЗИ требует разработки условий объединения коэффициентов с учетом распределения общей нагрузки по долям, приходящимся на области выхода на поверхность трения матрицы и на структуры наполнителя. Обозначим долю внешней нагрузки, приходящейся на контактную поверхность матрицы, через, тогда (1-) - доля внешней нагрузки, приходящейся на контактную поверхность наполнителя. Примем в (2) размерные коэффициенты, характеризующие Ih матрицы, как a1, b1, c1, d1, а коэффициенты, характеризующие Ih наполнителя, как a2, b2, c2, d2. При объединении ЭЗИ наполнителя и матрицы необходимо учесть полученные размерные коэффициенты. В [4] отмечалось, что величина коэффициента b в показателе степени при первом слагаемом ЭЗИ связана с процессом образования вторичных структур. В композите не могут одновременно протекать два диффузионных процесса, способствующих переносу материала для формирования вторичных структур. Представляется, что в реальном композите преобладает процесс, связанный с физико-механическими свойствами матрицы. На это указывают и то, что b1 b2. Тогда следует принять b1 в качестве коэффициента в показателе степени экспоненты в первом слагаемом ЭЗИ композита в целом. В то же время вклад других коэффициентов в коэффициенты ЭЗИ композита будет определяться.





При учете выше сказанного (2) принимает вид

–  –  –

Е.Б. Седакова, Ю.П. Козырев В (4) входит величина, для определения которой в работах [5, 6] получены выражения с учетом двух различных широко применяемых технологий изготовления композиционных материалов. Так, для композитов, полученных по технологии, включающей этап перемешивания крупных частиц полимера с более мелкими частицами наполнителя, соотношения для расчета имеет вид

–  –  –

наполнителя микронных размеров. На поверхности наполнителя при создании композита происходит адсорбция полимера, вследствие чего образуется слой с повышенными механическими характеристиками [8, 9]. Повидимому, за счет этого слоя в условиях действия внешней нагрузки сжатия происходит передача сдвиговых напряжений на наполнитель. Тогда, чем больше суммарная поверхность наполнителя, тем более эффективно идет передача этих напряжений. Для нахождения величины kс построена зависимость суммарной площади частиц наполнителя от их линейного размера с последующей ее аппроксимацией экспоненциальной кривой. Таким образом получено, что при использовании наполнителя наноразмеров kс = 0,5 мкм, а при введении наполнителя микронных размеров kс =3 мкм.

В результате при принятых допущениях получена физическая модель износа модельных композитов, математическим выражением которой является ЭЗИ с эквивалентными коэффициентами в виде (4). Покажем, что эта модель применима для оценки триботехнической эффективности наполнения полимерной матрицы. Для этого используем величину IСm = IhС /Ihm. Так как наполнение в большинстве случаев преследует цель снижения интенсивности линейного изнашивания композита, то значение IСm дает количественную оценку этого эффекта, то есть позволяет оценить триботехническую эффективность наполнения композитов. Кроме того, величина IСm учитывает тот факт, что износы матриц различных композитов могут отличаться на порядки при одних и тех же типах наполнителей.

Для определения IhС используем выражение (4), а для определения Ihm

– выражение (2). Разложим экспоненты, заключенные в скобки в (4) и (2), в ряд Тейлора и ограничимся первыми двумя слагаемыми. В результате получим для (4)

–  –  –

Если pv0 и f =0, то ICm =1, так как все коэффициенты в (9) будут равны.

Как следует из (9), величина IСm зависит только от pv. Это дает возможность строить зависимости ICm для различных режимов нагрузки: p=var, v=const; v=var, p=const.

Е.Б. Седакова, Ю.П. Козырев Покажем применимость (9) для оценки триботехнической эффективности наполнения двух различных классов полимерных композитов: с пространственным распределением наполнителя и со случайным распределением. К первой группе относятся композиты на основе политетрофторэтилена (ПТФЭ). Ко второй группе композитов относятся материалы на основе полиамида. В качестве материала наполнителя примем мелкодисперсные фракции углеродного графитированного материала, пропитанного сплавом антифрикционных металлов, АГ-600 СО5 (ТУ 48-20-3-77). Для обеих групп композитов примем, что наполнитель в одном случае имеет микронные размеры частиц со средней дисперсностью 7 мкм, а в другом случае наполнитель имеет размер частиц, попадающий в нанодиапазон со средней дисперсностью 20 нм.

На рис. 1 по соотношению (9) построены зависимости IСm от объемной концентрации наполнителя и совместной нагрузки для модельных композитов на основе ПТФЭ, со средним линейным размером гранул rp=63 мкм, наполненных АГ-600 СО5 с различной дисперсностью.

Из рис. 1 следует, что величина IСm практически не зависит от pv в рассматриваемом диапазоне нагрузок. Концентрационная зависимость показывает, что IСm снижается приблизительно на два порядка при введении наполнителя микронных размеров с концентрацией f =10 об.%. (рис. 1, а), а в случае применения наполнителя наноразмеров (рис. 1, б) такое же снижение IСm достигается при f =3 об.%.

–  –  –

600 СО5: а). при rp=63 мкм, rf=7 мкм; б). при rp=63 мкм, rf = 20 нм.

Зависимости IСm от объемной концентрации наполнителя и совместной нагрузки для модельных композитов на основе полиамида, наполнен

–  –  –

ных АГ-600 СО5 с различной дисперсностью, построенные по (9), приведены на рис. 2.

Из рис. 2, а следует, что IСm модельного композита на основе полиамида имеет существенную зависимость от pv в случае использования наполнителя микронных размеров. Величина IСm, снижается монотонно с увеличением f и достигает своего минимального значения при pv=0,45 МПа м/с и концентрации 50 об.%. В этом случае IСm снижается только в 4 раза. В то же время при использовании наполнителя наноразмеров (рис. 2, б) зависимость IСm от pv менее выражена. Концентрационная зависимость IСm здесь имеет минимум при 12 об.% и pv=0,45 МПа м/с и снижается в 6 раз. Заметим, что при таком же объемном содержании наполнителя микронных размеров IСm снижается только в 2 раза.

–  –  –

Таким образом, разработанное на основе ЭЗИ выражение в виде (9) позволяет оценивать эффективность наполнения матриц на стадии разработки композитов с учетом величины совместной нагрузки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Козырев Ю.П., Седакова Е.Б. Многофакторный анализ механизмов износа политетрафторэтилена и его композита с использованием эмпирического закона // Вестник машиностроения. -2009. -N. 7. -C. 43Li F., Hu K. A., Li J.L., Zhao B. Y. The friction and wear characteristics of nanometer ZnO filled polytetrafluoroethylene // Wear. -2001. -V. 249. -N.

10-11. -P. 877-882.

Е.Б. Седакова, Ю.П. Козырев

3. Lai S-Q., Yue Li, Li T-S., Hu Z-M. The friction and wear properties of polytetrafluoroethylene filled with ultrafine diamond // Wear. -2006. -V.

260. -P. 462–468.

4. Седакова Е.Б., Козырев Ю.П. Приложение эмпирического закона изнашивания к вопросам прогнозирования износа композитов на основе политетрафторэтилена // Вопросы материаловедения. -2012. -N. 4. -С.

217-222.

5., Седакова Е.Б. Влияние особенностей структуры композиционных материалов на основе политетрафторэтилена на снижение нагруженности матрицы // Проблемы машиностроения и надежности машин. N. 2. -С. 40-45.

6. Козырев Ю.П., Седакова Е.Б. Влияние процесса направленной агрегации частиц на характеристики полимерных антифрикционных нанокомпозитов // Проблемы машиностроения и надежности машин. N.4. -С. 86-91.

7. Берлин А.А., Вольфсон С.А., Ошмян В.Г., Ениколопов Н.С. Принципы создания композиционных полимерных материалов. М.: Химия, 1990. -240 с.

8. Охлопкова А.А., Петрова П.Н., Гоголева О.В. Исследование триботехнических характеристик нанокомпозитов на основе смесей полимеров // Трение и износ. -2009. -Т. 30. –N. 5. -С. 500-505.

9. Панин С.В., Корниенко Л.А., Ваннарси С., Иванова Л.Р., Шилько С.В.

Сравнительный анализ влияния нано- и микронаполнителей окисленного Al на фрикционно-механические свойства СВМПЭ // Трение и износ. -2010. -Т. 31. -№5. -С. 492-499.



Похожие работы:

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Бийский технологический институт (филиал) государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» В.Н. Хмелев, А.В. Шалунов, А.В. Шалунова УЛЬТРАЗВУКОВОЕ РАСПЫЛЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ МОНОГРАФИЯ Бийск Издательство Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова U-sonic.ru – Лаборатория акустических процессов и аппаратов БТИ АлтГТУ Центр...»

«ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Библиотека Мурманск, 2014 Бюллетень новых поступлений за сентябрь 2014 года В настоящий «Бюллетень» включены книги, поступившие во все отделы библиотеки университета в сентябре 2014 года. «Бюллетень» составлен на основе записей электронного каталога. Материал расположен в систематическом порядке по отраслям знания, внутри разделов – в алфавите авторов и заглавий. Записи включают...»

«НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОННОГО ДОКУМЕНТООБОРОТА ЗАРУБЕЖНЫХ СТРАН Пахомова У. А., Кожушкова Н.В. ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» Магнитогорск, Россия SOME PECULIARITIES OF ELECTRONIC CIRCULATION OF DOCUMENTS OF FOREIGN COUNTRIES Pakhomova U. A., Kozhushkova N.V. Nosov Magnitogorsk State Technical University Magnitogorsk, Russia При организации рациональной системы документационного обеспечения в качестве объекта исследования можно...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ НАЦИОНАЛЬНЫМ ГО СТР СТАНДАРТ 55489— РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГЛЮТЕН КУКУРУЗНЫЙ Технические условия Издание официальное Москва Стандарти нформ ГОСТ Р 55489-2013 Предисловие 1 РАЗРАБОТАН Государственным научным учреждением Всероссийским научноисследовательским институтом крахмалопродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИИ крахмалопродуктов Россельхозакадемии) 2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 250...»

«НАША ПАМЯТЬ НАРОДНЫЙ ПАМЯТНИК НА НАРОДНЫЕ ДЕНЬГИ!! НАРОДНЫЙ ПАМЯТНИК НА НАРОДНЫЕ ДЕНЬГИ НАМ ВАЖНО ВАШЕ УЧАСТИЕ!! НАМ ВАЖНО ВАШЕ УЧАСТИЕ А 1 ОКТЯБРЯ 2015 ГОДА МОСКВА ПЛОЩАДЬ РАЗГУЛЯЙ ОКТЯБРЯ 2015 ГОДА МОСКВА ПЛОЩАДЬ РАЗГУЛЯЙ РЯ «Коллектив профессорско преподавательского состава и сотрудников Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана считает, что установка в Басманном районе памятника бойцам 7 й Бауманской дивизии народного ополчения наилучшим образом отражает...»





Загрузка...


 
2016 www.os.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Научные публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.