Физические закономерности влияния характеристик наполнителя и поверхности контртела на формирование трибослоя при трении полимерного нанокомпозита | Изв. вузов. Физика. 2019. № 8. DOI: 10.17223/00213411/62/8/95

Физические закономерности влияния характеристик наполнителя и поверхности контртела на формирование трибослоя при трении полимерного нанокомпозита

Анализируются существующие закономерности влияния характеристик частиц-включений и микрогеометрии поверхности подложки на условия формирования устойчивого трибослоя при трении полимерного нанокомпозита. Исследования проведены с помощью метода подвижных клеточных автоматов, в рамках которого явно учитываются профиль поверхности контртела, адгезионные свойства материала матрицы и размеры частиц нанонаполнителя. Показано, что для обеспечения низкофрикционных свойств гибридного полимерного нанокомпозита предпочтительным нанонаполнителем являются частицы, размеры которых сопоставимы с характерным размером микропрофиля подложки. Проведены оценки формы и размера углублений на поверхности контртела, способствующие условиям формирования устойчивой трибопленки из частиц SiO2.

Physical regularities of influence of filler characteristics and rface surface on the formation of tribolayer friction o.pdf Введение Наметившийся в последнее время научный интерес к полимерным нанокомпозитам (НК) обусловлен тем, что физико-механические свойства таких материалов могут быть существенно изменены путем направленного дизайна их состава. Это достигается посредством добавления различных наноразмерных наполнителей на стадии изготовления нанокомпозитов, которые также называются гибридными НК [1-8]. Так, в работе [3] отмечается увеличение значений прочности и деформации разрушения нанокомпозита на основе эпоксидной смолы при добавлении в его состав наночастиц диоксида кремния с объемной долей менее 10 %. Заметное увеличение микротвёрдости и трещиностойкости НК с нановключениями описывается в работе [4]. Эффект повышения модуля Юнга обнаружен в [5], а повышение пределов упругости и текучести отмечается в [6]. Коллективами авторов работ [7, 8] показан эффект заметного изменения триботехнических свойств полимерных нанокомпозитов при добавлении в них углеродных нановолокон и других наноразмерных наполнителей. Таким образом, возможность целенаправленного воздействия на физико-механические свойства полимерных НК делает их уникальными объектами с потенциалом широкого использования в различных современных приложениях. Несмотря на достигнутый прогресс в экспериментальном изучении физико-механических свойств полимерных композитов с различными наноразмерными наполнителями, природа проявления этого эффекта по-прежнему остается малопонятной. В частности, принято связывать изменения фрикционных свойств гибридных НК с особенностями тонкого переходного трибослоя (трибопленки), формируемого на поверхности контактирующих тел [9]. Однако экспериментальное изучение причины низких фрикционных свойств формируемых переходных трибопленок представляется очень сложной задачей ввиду динамики самого процесса трения, а также малых пространственных и временных масштабов объекта исследования. Изучение этого явления с помощью просвечивающей электронной микроскопии без специальной трудоемкой и дорогостоящей методики обработки, например фокусированного ионного луча, не представляется возможным. В этой связи востребованными становятся методы теоретического описания, основанные, в том числе, на компьютерном моделировании фрикционного поведения полимерных композитов с различными наноразмерными наполнителями. В последние годы был получен ряд принципиально новых научных результатов, позволяющих объяснить природу низкофрикционных свойств гибридных НК. Это в равной степени относится как к экспериментальным результатам по анализу структуры и состава формируемых переходных трибопленок, так и к результатам численного моделирования, которые показали ключевую роль аморфизации трибослоя для снижения величины силы сопротивления относительному проскальзыванию сопряженных поверхностей [10, 11]. Ряд ключевых вопросов тем не менее остается без ответа. В частности, почему трибопленка на основе углерода в более глубоких канавках профиля контртела не заменяется трибопленкой из наночастиц диоксида кремния? Решение этой проблемы имеет принципиальное значение, поскольку трибопленка на основе углерода не обеспечивает требуемых фрикционных свойств, а значит, что низкофрикционные свойства гибридных НК зависят от качества поверхностного слоя контртела. Одним из возможных объяснений этого результата является то, что продукты износа могут оставаться в углублениях между микровыступами поверхности, а эти зазоры обеспечивают демпфирующий эффект. Такое поведение приводит к локальному снижению давлений и температуры и, наконец, ингибирует процесс обезуглероживания. Таким образом, имеющиеся экспериментальные данные явно указывают на существование непосредственной связи между размерами частиц нанонаполнителя и микрогеометрией поверхности контртела. Анализ достоверности этой гипотезы требует проведения специальных научных исследований. В настоящей работе с целью выявления существующих закономерностей между размерами частиц нанонаполнителя и микрогеометрией поверхности подложки была разработана модель локального пятна контакта полимерного нанокомпозита и численно изучены закономерности поведения НК на микро- и мезомасштабном уровнях в условиях трибоконтакта с явным учетом микрогеометрии поверхности контртела и размерных характеристик используемого нанонаполнителя. Для достижения поставленной цели была использована реализация метод частиц на масштабе отдельных структурных элементов композиционного материала - метод подвижных клеточных автоматов [12-14], эффективно зарекомендовавший себя для решения различных триботехнических задач с явным учетом динамики процесса. Численная модель локального пятна контакта На рис. 1 показана схема нагружения и исходная структура моделируемой сборки, разработанной для изучения возможной связи между размерами частиц нанонаполнителя полимерного композита и микрогеометрией поверхности твердой подложки. Моделируемая область включала в себя непосредственно контактирующую поверхность полимерного образца, а также прилегающие поверхностные слои, содержащие включения различного размера и формы. С этой целью моделировались образцы, фрагменты которых вблизи области контакта представлены на рис. 2. Включения представляли собой частицы - подвижные клеточные автоматы со свойствами диоксида кремния, а автоматы матрицы обладали свойствами эпоксидной смолы. При этом объемная доля частиц SiO2 была увеличена в узком контактирующем слое для ускорения процесса взаимодействия частиц нанонаполнителя с подложкой. Диаметр каждого автомата был установлен равным 10 нм, что соответствует среднему диаметру мельчайших частиц диоксида кремния, которые в настоящее время применяются в нанокомпозитах [15]. Увеличение размера автоматов от 10 до 20 нм не оказывало влияния на среднюю величину коэффициента трения и режимы скольжения. Геометрия образца составляла 125 мкм, вдоль направлений X и Y соответственно, а полное число автоматов в моделируемой сборке - около 75 тысяч. Рис. 1. Общий вид моделируемой сборки и схема нагружения моделируемого образца Рис. 2. Фрагмент исходной структуры моделируемого композита с наноразмерными включениями различного характерного размера: а - 20 мкм и б - 60 мкм вблизи области контакта Зависимости, используемые для описания взаимодействия между подвижными клеточными автоматами, приведены на рис. 3. Они были построены на основе данных, представленных в следующих литературных источниках: [16] - для эпоксидной смолы и диоксида кремния, [17] - для мартенситной стали 100Cr6 и [18] - для углеродного волокна. При моделировании контактного взаимодействия полимерного образца с материалом подложки полагалось отсутствие адгезионных сил. По оси Х применялись периодические граничные условия. По вертикали на автоматы верхнего слоя композиционного образца действовали дополнительные силы (F), имитирующие сжатие. В исследованиях, описанных в [19], было установлено, что нормальное давление оказывает влияние на поведение скольжения и толщину слоя механического перемешивания частиц износа в условиях сухого трения. В цитируемой работе анализировалось поведение моделируемой системы в диапазоне давлений 10-50 МПа. Из этого диапазона в настоящих исследованиях было выбрано одно характерное значение давления, равное 30 МПа, для демонстрации формирования структуры и развития повреждений в слое трения. Относительная скорость скольжения (V) была задана постоянной и соответствовала 5 м/с. Шаг интегрирования составил 0.01 мкс. Рис. 3. Диаграммы напряжение - деформация для материалов, используемых в численной модели локального пятна контакта полимерного гибридного нанокомпозита В исходном состоянии численной модели предполагалось, что все соседние элементы в композиционном образце были в состоянии «связанные» (поверхностные слои считались не содержащими исходных повреждений в рассматриваемом масштабе). Рассматривалось несколько вариантов профиля поверхности контртела. Результаты моделирования Влияние размера частиц включений Исследование потенциальной взаимосвязи между параметрами микрогеометрии поверхности конртела и характеристиками полимерного нанокомпозита проводилось в два этапа. Первоначально анализировалось влияние размера частиц включений нанонаполнителя гибридного композиционного материала на особенности его взаимодействия с микрогеометрией поверхности жесткой подложки. С этой целью рассматривалось два типа образцов, в которых варьировался диаметр частиц включений, как было отмечено выше. Микрогеометрия профиля контртела в обеих моделируемых сборках состояла из трех областей А, В и С с различным характерным профилем поверхности. В области А профиль поверхности подложки характеризовался углублениями V-образной формы с шириной в основании треугольника 70 нм. Область В профиля контртела содержала прямоугольные углубления шириной 40 нм, а область C включала прямоугольные углубления профиля поверхности шириной 80 нм. Глубина всех типов углублений была одинаковой и составляла 70 нм. На рис. 4 показан фрагмент результирующей структуры полимерного гибридного НК с наночастицами SiO2 с характерным размером 20 нм на установившемся этапе трения. Темно-серым цветом отмечены автоматы со свойствами эпоксидной смолы, а светло-серым - автоматы со свойствами диоксида кремния. Прямоугольниками на рисунке выделены области с различным типом микрогеометрии поверхности контртела. Можно видеть, что вне зависимости от типа микрогеометрии (А, B или C) во всех типах углублений присутствуют автоматы, принадлежащие как материалу матрицы, так и материалу частиц включений. Такое распределение автоматов может быть объяснено малостью размеров частиц нанонаполнителя и их возможностью оседать во всех типах рассмотренных углублений. Рис. 4. Фрагмент результирующей структуры полимерного гибридного НК с наночастицами SiO2 с характерным размером 20 нм на установившемся этапе трения Таким образом, в случае полимерного гибридного НК с малым размером частиц нанонаполнителя формирование устойчивого трибослоя из частиц диоксида кремния будет затруднено тем, что частицы SiO2 будут перемешаны с частицами эпоксидной смолы, которые со временем все же будут вынесены из зоны трибоконтакта за счет разогрева и испарения. Однако этот фактор определяет длительность этапа притирки до перехода системы к режиму устойчивого трения с низким коэффициентом трения. Анализ траекторий движения частиц, приведенных на рис. 5, подтверждает то, что на установившемся режиме относительного проскальзывания полимерного гибридного нанокомпозита по поверхности контртела движущиеся автоматы остаются локализованными в узком поверхностном слое, контактирующем с подложкой. Изменение положений автоматов внутри углублений профиля контртела практически не наблюдается. Имеется лишь незначительное вовлечение частиц из больших углублений области С. Рис. 5. Траектории автоматов на установившемся этапе трения для фрагмента полимерного гибридного НК с наночастицами SiO2 с характерным размером 20 нм На рис. 6 приведен фрагмент результирующей структуры полимерного гибридного НК с наночастицами диоксида кремния с характерным размером 60 нм на установившемся этапе трения. Можно видеть, что в отличие от предыдущего примера, в случае крупных частиц нанонаполнителя их заполнение углублений области В профиля контртела наблюдается значительно реже. Это объясняется близостью характерных размеров частиц включений и ширины углублений. Отдельные автоматы со свойствами диоксида кремния, которые можно видеть внутри таких углублений области В, представляют собой фрагменты более крупных частиц, разрушившихся в процессе трения. Аналогичные выводы можно сделать и для области А микропрофиля поверхности. Однако описанные выше закономерности для этого участка подложки выражены менее явно. Рис. 6. Фрагмент результирующей структуры полимерного гибридного НК с наночастицами SiO2 с характерным размером 20 нм на установившемся этапе трения Таким образом, в случае гибридного полимерного нанокомпозита с размером частиц нанонаполнителя, сопоставимым с размером углублений профиля поверхности контртела, формирование устойчивого трибослоя из частиц диоксида кремния будет происходить более интенсивно. Действительно, в этом случае крупные частицы SiO2 остаются локализованными в узком трибослое, где происходит интенсивный фрикционный разогрев материала и высока вероятность перехода частиц кремнезема в состояние близкое к аморфному. Именно такой переход, как было показано в работах [10, 11], обуславливает режим устойчивого трения с низкофрикционными свойствами гибридного полимерного нанокомпозита. Влияние критериев адгезии на формирование трибослоя Для исследования возможной взаимосвязи между адгезионными свойствами элементов гибридного полимерного НК и характеристиками формируемого трибослоя в работе моделировалась система, представленная на рис. 1, в которой варьировались параметры перехода пары подвижных клеточных автоматов из состояния «несвязанные» в состояние «связанные». С этой целью анализировался характер траекторий автоматов в трибослое на установившемся этапе относительного проскальзывания образца по поверхности контртела. Рассматриваемые варианты значений параметров перехода состояния пары «несвязанных» автоматов в состояние «связанные» приведены в таблице. Параметры перехода пары автоматов из состояния «несвязанные» в состояние «связанные» для моделируемых образцов Образeц Напряжение_1*), МПа Интервал_1*), мкс Напряжение_2*), МПа Интервал_2*), мкс 1 Нет Нет Нет Нет 2 50 0.1 100 0.02 3 230 0.1 300 0.02 4 300 0.1 400 0.02 Примечание. *) Напряжение_1/Напряжение_2 в паре «несвязанных» контактирующих автоматов, при сохранении которого в течение интервала времени (Интервал_1/Интервал_2) пара полностью переходит в состояние «связанные», иначе «несвязанная» пара автоматов становится «связанной» частично в долях от длительности времени их взаимодействия. Детальное описание правил переключения состояний в паре автоматов приведено в [14]. На рис. 7 приведены траектории движения подвижных клеточных автоматов для фрагментов моделируемых образцов, содержащих трибослой, на установившемся этапе трения. Согласно результатам моделирования, в случае, когда моделируемый материал не обладает свойствами адгезионного схватывания, содержание всех типов исследуемых углублений контртела постоянно обновляется. Это подтверждается наличием ненулевых траекторий движения частиц во всех областях с различной микрогеометрией поверхности контртела (рис. 7, а). Однако если задать значения параметров адгезионного схватывания значительно ниже прочностных значений модельных материалов, то разрывов связей автоматов (переход из состояния «связанные» в состояние «несвязанные») не происходит. Этим объясняется результат, представленный на рис. 7, б, где поверхностные автоматы полимерного образца не образуют трибослой, а сохраняют исходное «связанное» состояние на протяжении всего процесса трения. В действительности условия разрыва связей в зоне контакта для многих пар автоматов реализуются, однако, ввиду низких значений критерия адгезионного схватывания, такая пара на следующем временном шаге полностью переходит обратно в состояние «связанные». С другой стороны, увеличение значений критериев адгезионного схватывания (выше прочности на сдвиг) приводит к тому, что наблюдается выборочное взаимодействие движущихся автоматов, принадлежащих сформировавшемуся трибослою, с автоматами, лежащими в углублениях микропрофиля контртела. Из рис. 7, в и г видно, что на этапе установившегося трения происходит обновление содержания преимущественно прямоугольных углублений микропрофиля контртела с шириной 80 нм (область С). Ненулевых траекторий движения автоматов в областях А и В микропрофиля поверхности подложки существенно меньше. Это означает, что динамическое обновление таких углублений в процессе трения происходит менее интенсивно. Рис. 7. Траектории автоматов в области трибослоя на установившемся этапе трения (интервал времени с 3106 по 4106 шагов интегрирования) для фрагментов образцов полимерного гибридного НК с различными значениями параметров адгезионного схватывания: а - образец_1; б - образец_2; в - образец_3 и г - образец_4; А, В и С - области с различной микрогеометрией поверхности контртела Таким образом, для обеспечения условий формирования устойчивой трибопленки на поверхности контртела значение параметра адгезионного схватывания для материала частиц нанонаполнителя должны быть выше предельной прочности на сдвиг такого материала. Это означает, что материал частиц включений должен обеспечивать возможность адгезионного схватывания с материалом матрицы, однако такие процессы должны быть труднореализуемыми, иными словами, происходить в условиях сильного локального стеснения на протяжении интервала времени, достаточного для обеспечения сильного физико-химического соединения. Заключение В работе на основе разработанной численной модели локального пятна контакта полимерного гибридного нанокомпозита исследованы закономерности механического поведения НК на микро- и мезомасштабном уровнях в условиях трибоконтакта с явным учетом геометрии микропрофиля поверхности контртела и характерных размеров частиц нанонаполнителя. Выявлены факторы, способствующие условиям формирования устойчивой трибопленки из частиц диоксида кремния в области сопряжения взаимодействующих тел. Согласно результатам моделирования, для обеспечения низкофрикционных свойств гибридного полимерного НК предпочтительным нанонаполнителем являются частицы, размеры которых сопоставимы с характерным размером микропрофиля поверхности подложки. В этом случае твердые включения оказываются локализованными в приповерхностной области углублений контртела и создаются условия, необходимые для формирования аморфизированного трибослоя из частиц диоксида кремния. Установлено, что V-образная форма углублений является предпочтительной для обеспечения устойчивого режима трения по сравнению с прямоугольной формой углублений микропрофиля поверхности подложки. Кроме того, для обеспечения устойчивости формируемого трибослоя при трении условия адгезионного схватывания материала нанонаполнителя должны быть выше предельной прочности на сдвиг для такого материала, другими словами, адгезионное схватывание должно реализовываться в условиях интенсивного стеснения между частицами, формирующими слой механического перемешивания материала в зоне трибоконтакта. Отметим, что в работе не проанализирована роль углеродных включений, однако, как показывают результаты экспериментальных измерений [7], углеродные волокна, наряду с включениями 100Cr6, могут выступать в качестве дополнительных участков формирования первичных пятен трибоконтакта, на которых образуется трибослой из частиц диоксида кремния в аморфизированном состоянии. В [10] путем прямого молекулярно-динамического моделирования установлено, что вовлечение частиц углерода в трибослой также характеризуется низкими значениями силы сопротивления относительному проскальзыванию материалов трибопары, а значит, способствует проявлению низкофрикционных свойств полимерных гибридных нанокомпозитов.

Ключевые слова

компьютерное моделирование, метод частиц, гибридные нанокомпозиты, частицы диоксида кремния, размер частиц нанонаполнтеля, микропрофиль контртела, computer simulation, particle method, hybrid nanocomposites, silicon dioxide particles, nanofiller particle size, counterbody microprofile

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Дмитриев Андрей ИвановичИнститут физики прочности и материаловедения СО РАН; Национальный исследовательский Томский государственный университетд.ф.-м.н., гл. науч. сотр. ИФПМ СО РАН, профессор НИ ТГУdmitr@ispms.ru
Jim Bai ChengИнститут композиционных материаловнауч. сотр.baicheng.jim@ivw.uni-kl.de
Всего: 2

Ссылки

Zare Y. and Rhee K.Y. // Phys. Mesomech. - 2018. - V. 21(4). - P. 351-357.
Kozlov G.V. and Dolbin I.V. // Rus. Phys. J. - 2018. - V. 61(5). - P. 974-978.
Yao X.F., Zhou D., and Yeh H.Y. // Aerosp. Sci. Technol. - 2008. - V. 12(3). - P. 223-230.
Zhang H., Zhang Z., Friedrich K., et al. // Acta Mater. - 2006. - V. 54(7). - P. 1833-1842.
Bondioli F., Cannillo V., Fabbri E., et al. // J. Appl. Polym. Sci. - 2005. - V. 97(6). - P. 2382-2386.
Ragosta G., Abbate M., Musto P., et al. // Polymer. - 2005. - V. 46(23). - P. 10506-10516.
Zhang L., Zhang G., Chang L., et al. // Tribol. Int. - 2016. - V. 104. - P. 225-236.
Zhang L., Qi H., Li G., et al. // Tribol. Int. - 2017. - V. 109. - P. 58-68.
Österle W., Dmitriev A.I., and Gradt T. // Tribol. Int. - 2015. - V. 88. - P. 126-134.
Dmitriev A.I., Nikonov A.Yu., and Österle W. // Lubricants. - 2016. - V. 4(3). - P. 24.
Dmitriev A.I., Nikonov A.Yu., and Österle W. // Lubricants. - 2018. - V. 6(2). - P. 43.
Psakhie S.G., Smolin A.Yu., Shilko E.V., et al. // J. Mater. Sci. Technol. - 1997. - V. 13(1). - P. 69-72.
Dmitriev A.I., Österle W., and Wetzel B. // Comput. Mater. Sci. - 2015. - V. 110. - P. 204-214.
Psakhie S., Shilko S., and Smolin A. // Frattura Integr. Strutt. - 2013. - V. 24. - P. 26-59.
Dmitriev A.I., Häusler I., and Österle W. // Mater. Des. - 2016. - V. 89. - P. 950-956.
Basu S., Moseson A., and Barsoum M.W. // J. Mater. Res. - 2006. - V. 21. - P. 2628-2637.
Tinscher R., Bahnsen C., Bomas H., et al. // Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. - 2001. - V. 32. - P. 607-620.
Goggin P.R. // J. Mater. Sci. - 1973. - V. 8. - P. 233-244.
Dmitriev A.I. and Österle W. // Tribol. Lett. - 2014. - V. 53(1). - P. 337-351.
 Физические закономерности влияния характеристик наполнителя и поверхности контртела на формирование трибослоя при трении полимерного нанокомпозита | Изв. вузов. Физика. 2019. № 8. DOI: 10.17223/00213411/62/8/95

Физические закономерности влияния характеристик наполнителя и поверхности контртела на формирование трибослоя при трении полимерного нанокомпозита | Изв. вузов. Физика. 2019. № 8. DOI: 10.17223/00213411/62/8/95