Антифрикционные материалы для узлов, функционирующих в режимах гидродинамического и граничного трения, на основе наполненных нанодисперсными материалами термостойких полимеров

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 27.10.2015 № 14.578.21.0108 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 1 в период с 27.10.2015 по 31.12.2015 выполнялись следующие работы:

• Проведен аналитический обзор современной научно-технической литературы, методической, нормативной документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме.
• Проведены патентные исследования по ГОСТ 15.011-96.
• Сделан выбор и обоснованы направления исследований, в том числе:
  • проведен выбор и обоснованы пути создания износостойких антифрикционных материалов для узлов, функционирующих в режимах упругогидродинамического, смешанного и граничного трения, на основе наполненных нанодисперсными материалами термостойких полимеров;
  • разработаны способы усиления сцепления частиц наполнителей с полимерной матрицей для улучшения износостойкости композита при повышенных деформациях;
  • проведен подбор и обоснован выбор матричных теплостойких полимеров для создания композиционных материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками;
  • проведен подбор и обоснован выбор нанодисперсных квазикристаллических, углеродных и полимерных наполнителей для создания композиционных материалов.
• Разработан лабораторный технологический регламент получения порошковых композиционных материалов на основе термостойких полимеров.
• Изготовлены экспериментальные партии порошковых композиционных мате-риалов на основе термостойких полимеров.
• Проведено теоретическое моделирование упругого взаимодействия поверхности с неровностями произвольной формы с композитом в условиях нормального и одностороннего фрикционного контакта.
• контакта.
• Определены рациональные параметры модельных узлов трения.
• Определены рациональные режимы испытаний модельных узлов трения при эксплуатационных параметрах.
• Проведен выбор материала модельных металлических контртел.
• Разработана конструкторская документация на модельный узел трения.
• Проведена модернизация и подготовлен стенд для испытаний модельных узлов трения при эксплуатационных параметрах.

При этом были получены следующие результаты:

• Написан литературный обзор по тематике проекта, в котором подробно рассмотрены процессы трения и износа полимерматричных композитов (ПКМ), основные требования к материалам пары трения, виды износа, уравнения коэффициента трения, интенсивности износа и т.д., а так же влияние различных факторов, таких как температура, нагрузка, скорость скольжения, топография и материал контр-тела, и поведение при различных условиях испытаний промышленных марок ПКМ.
• Рассмотрены некоторые аспекты касаемо роли плёнки переноса (процессы массопереноса при трении), её типа в зависимости от структуры полимера и топографии поверхности контр-тела и др. факторов, а также приведены некоторые теории её формирования.
• Изучена роль наполнителей, в частности, их влияние на плёнку переноса, приведены механизмы повышения антифрикционных свойств ПКМ.
• Сформулированы некоторые критерии выбора наполнителей.
• Приведены результаты работ по использованию наноразмерных наполнителей, их преимущества и недостатки по сравнению с традиционными наполнителями микронных размеров. Помимо влияния различных внешних факторов, рассмотрена связь антифрикционных характеристик со строением ПКМ (форма, размер, природа частиц наполнителя, степень кристалличности полимера и его надмолекулярная структура).
• Приведены различные теории относительно увеличения износостойкости полимера при малой степени наполнения.
• Изучена перспектива использования гибридных наполнителей (волокно/частицы, микро/наночастицы и т.д.) и их возможный синергетический эффект.
• Проведены патентные исследования по ГОСТ 15.011-96.

• На основании анализа литературных данных, а также работ, проводимых лабораторией ранее, были предложены перспективные составы ПКМ, при которых возможно достижение наилучших характеристик ПКМ по трению и износу. Рассмотрены методы получения блочных изделий из ПКМ, перечислены достоинства и недостатки каждого из методов. Предложены режимы (температура, давление, скорость охлаждения и т.д.) получения блочных изделий из ПКМ.
• В результате проведённого анализа предложено использовать гибридные наполнители как эффективный способ повышения взаимодействия компонентов в композите. Также предложен механохимический метод получения порошковых композиции, который позволяет усилить взаимодействие компонентов между со-бой за счёт увеличения удельной поверхности частиц, увеличения поверхностной энергии, улучшения распределения компонентов по объёму смеси. В качестве подтверждения приводятся сравнения свойств ПКМ, полученного методом механохимии и жидкофазными методами.
• В качестве исходных полимерных матриц для разработки ПКМ с повышенными эксплуатационными характеристиками были выбраны полифениленсульфид и фторопласт;
• На основании проведённого анализа литературы и проводимых ранее работ по трибологии ПКМ в качестве исходных наполнителей предложено использовать наноалмазы, технический углерод, квазикристаллы, полиимиды для создания многофункциональных и эффективных гибридных наполнителей.
• Разработан лабораторный технологический регламент получения порошковых композиционных материалов на основе полифениленсульфида и фторопласта.
• Получены экспериментальные партий порошковых композиционных материалов на основе полифениленсульфида и фторопласта.
• Проведено теоретическое моделирование упругого взаимодействия поверхности с неровностями произвольной формы с композитом в условиях нормального и одностороннего фрикционного контакта. На основе математического метода решения интегральных уравнений плоской контактной задачи Блока и Кира была впервые поставлена и решена в замкнутом виде задача нормального контакта полуплоскости и неровности произвольной формы описываемых новой разработанной параметрической функцией. Это решение обладает научной новизной и практической значимостью, так как оно позволяет напрямую рассчитывать эпюру давлений в контакте неровности и плоской поверхности при любом размере зоны контакта, а также силу и сближение, используя известные уравнения плоской задачи теории упругости. Расчеты по полученным зависимостям показали, что управляя формой неровностей технологически можно оптимизировать эпюру давлений, повысив долговечность узла трения. Формулы были верифицированы расчетом методом конечных элементов.
• Определены рациональные параметров модельных узлов трения и рациональных режимов их испытаний при эксплуатационных параметрах, согласованных с индустриальным партнером.
• Разработана конструкторская документация на модельный узел трения. При разработке модельного узла трения учитывались рекомендации ГОСТ 27674-88, 23.001-200, РД 50-662-88.
  
• Проведена модернизация стенда, позволившая снизить амплитуды колебаний маятникового динамометра и повысить его чувствительности к процессам трения и изнашивания в модельных узлах трения. Для снижения динамических характеристик стенда установлены изготовленные входной и выходной валы динамометра и валы подвижного и неподвижного опорных узлов стенда. Для повышения достоверности результатов реализован метод регистрации фактических контактов неровностей в режимах упругогидродинамического и граничного трения, а также рычажная нагрузочная система для средних нагрузок.