Physical regularities of the influence of filler characteristics on tribological properties of polymer nanocomposite.pdf Введение Композиты с полимерной матрицей являются наиболее распространенным типом композиционных материалов, которые находят широкое применение практически во всех секторах современной промышленности. Такие композиты все чаще становятся объектами научных исследований из-за возможности значительных изменений их механических, физических и других свойств за счет использования наполнителей различных типов. В последние годы в полимерных композитах, наряду с традиционными наполнителями, все большее распространение получают различные наноразмерные частицы, добавляемые в композиционную смесь. Основным преимуществом этих материалов является использование низкой концентрации наполнителя (1-5 об.%) и малый размер самих частиц по сравнению с традиционными композитами [1-6]. Уменьшение размера от микроскопического до наноскопического масштаба приводит к резкому увеличению доли межфазной поверхности по сравнению с обычными композитами, что способствует значительному изменению свойств материала. Так, в [7] было установлено, что скорость износа полимерного нанокомпозита (ПНК) на основе полифениленсульфида заметно снижается при использовании в качестве нанонаполнителя частиц TiO2 и CuO, но увеличивается при использовании в качестве наполнителя наночастиц ZnO и SiC. Заметное увеличение микротвердости и трещиностойкости ПНК описано в [8]. Увеличение значения модуля Юнга почти на 20% было обнаружено в [9]. В работах [4, 10] показан эффект значительного изменения фрикционных характеристик ПНК при добавлении углеродных нановолокон и других наноразмерных наполнителей. Таким образом, возможность целенаправленного воздействия на механические свойства нанокомпозита на основе полимерной матрицы делает их уникальными объектами с потенциалом широкого использования в различных приложениях. Ранее в [11] было установлено, что монодисперсные наночастицы диоксида кремния (НДК) с диаметром ~ 20 нм, полученные с помощью золь-гель-процесса, значительно улучшают трибологические свойства традиционных эпоксидных композитов. Трибологические характеристики таких ПНК меняются за счет образования на поверхности контакта тонкой, хорошо распределенной пленки переноса, называемой также трибопленкой. Обнаружено, что при добавлении наночастиц SiO2 в ПНК коэффициент трения с ростом давления быстро падает за счет образования в зоне контакта трибопленки, в то время как коэффициент трения для обычного композита скачкообразно возрастает. Несмотря на то, что во многих публикациях отмечается важность формируемых трибопленок в условиях сухого трения, лишь некоторые из таких работ посвящены исследованиям ее структуры [12]. Это объясняется тем, что трибопленки обычно очень тонкие и нанокристаллические, что требует специальных и дорогостоящих методов подготовки образцов. В этой связи методы компьютерного моделирования представляют эффективный инструмент исследования влияния трибопленок на трибологические свойства ПНК. Так, в работе [13] в рамках метода подвижных клеточных автоматов (ПКА) была разработана численная модель локального пятна контакта ПНК с добавлением НДК и углеродных волокон. Было проведено систематическое исследование влияния топографии поверхности и размеров нанонаполнителя на режимы формирования трибопленки. В настоящей работе с использованием разработанной ранее численной модели пятна контакта исследуется влияние pV-фактора (произведение давления p на скорость относительного проскальзывания V) на трибологические свойства ПНК и проводится сравнение результатов численных исследований с экспериментальными данными. Материалы и методы исследования Описание численной модели На рис. 1, а изображена схема нагружения и исходная структура моделируемой сборки, реализованной в рамках метода подвижных клеточных автоматов [14-17]. Моделируемая область включала поверхность неподвижной жесткой подложки из стали 100Cr6, а также прилегающие поверхностные слои композита, содержащие углеродные волокна и НДК. Рассматривалось два типа образцов с характерным диаметром НДК ~ 20 и 60 нм. Нановключения задавались автоматами со свойствами SiO2, а автоматы матрицы обладали свойствами эпоксидной смолы. Диаметр одного автомата был равным 10 нм, что соответствует среднему диаметру мельчайших наночастиц SiO2. Геометрия образца составляла 12×5 мкм по направлениям X и Y соответственно, а общее количество автоматов достигало ~ 75 тыс. Параметры функций отклика, используемых для описания взаимодействия между подвижными клеточными автоматами, приведены в табл. 1. Соответствующие зависимости для НДК в условиях температуры пятна контакта были выбраны на основе результатов молекулярно-динамического расчета, описанного в [18] (рис. 1, б). Рис. 1. Общий вид моделируемой сборки и схема нагрузки (а). Детали композиционного материала с НДК ~ 20 нм показаны на вставке. Зависимости напряжение - деформация в условиях одноосного растяжения и сдвига для НДК (б), рассчитанные с использованием метода молекулярной динамики [18] Таблица 1 Параметры функций отклика модельных материалов для двух температурных условий Материал Модуль Юнга, ГПа Предел упругости, ГПа 300 К / 500 К Предельная деформация, ε Прочность, ГПа 300 К / 500 К Углеродное волокно 240 3.20 / 3.16 0.013 3.33 / 3.28 Стальная подложка 206 0.80 / 0.77 0.106 0.92 / 0.90 Эпоксидная матрица 2 0.044 / 0.040 0.073 0.088 / 0.081 На автоматы верхнего слоя композитного образца действовали дополнительные нормальные силы (F), имитирующие сжатие 30 МПа. Относительная скорость скольжения (V) фиксировалась при каждом расчете, а ее значение варьировалось в диапазоне от 0.05 до 4 м/с. Таким образом, pV фактор изменялся в диапазоне 1.5-120 МПа∙м/c. Вдоль оси X задавались периодические граничные условия. Коэффициент трения (КТ) рассчитывался как отношение полной нормальной силы к тангенциальной составляющей, действующей на все автоматы верхнего слоя образца ПНК. Материалы Для изучения влияния формы и размеров частиц нанонаполнителя ПНК на режимы трения и износа, а также валидации результатов численного моделирования были проведены экспериментальные исследования, в которых использовались НДК различных типов. Всего было изготовлено пять вариантов композиционных образцов. В первом варианте (CompS) использовались частицы SiO2 с характерным размером ~ 20 нм, изготовленные по технологии «sol-gel» [19]. Получаемые при этом частицы имеют преимущественно сферическую форму и малый разброс по размеру. Во втором варианте (CompF) использовались НДК, представляющие коллоидный диоксид кремния. Особенностью таких частиц является сложная неправильная форма, а их размер варьируется от субмикронного до микронного с широким распределением по размеру. Кроме того, с использованием технологии «sol-gel» были подготовлены еще три типа ПНК (Comp50, Comp250 и Comp600), отличающиеся только размерами НДК: 50, 250 и 600 нм соответственно (рис. 2, а-в). Во всех вариантах композиционных материалов сохранялся процентный состав, который представлял собой эпоксидную смолу (матрица) 87 об.%, наполненную 10 об.% углеродными волокнами и 3 об.% НДК. Частицы наполнителя смешивались в соответствии с рецептурой стандартного метода растворения. Компаунды были отлиты в формы и отверждены при 70 и 120 °C в течение 8 ч. Рис. 2. Микрофотографии частиц SiO2 разного размера, изготовленные по технологии «sol-gel» (а-в). Схема нагружения «блок-на-кольце» (block-on-ring) согласно международному стандарту ASTM G137 (г) Методика испытаний Экспериментальные исследования проводились по схеме «блок-на-кольце» (block-on-ring) в соответствии с международным стандартом ASTM G137 (рис. 2, г). Испытательная установка имела четыре отдельных рычага с установленными полимерными штифтами, где неподвижный штифт прижимается к вращающемуся кольцу. Давление прикладывается собственным весом на каждом отдельном конце рычага. Все варианты материалов были испытаны в трибоконтакте со сталью 100Cr6 со средней шероховатостью поверхности Ra = 0.1 мкм и твердостью 60 HRc. Для возможного сопоставления полученных данных были выбраны следующие параметры нагружения: давление 3 МПа, скорость 1 м/с, время работы 20 ч. Уровень относительной влажности поддерживался в диапазоне 40-60%, а температура окружающей среды - в диапазоне 22-24 °C. Каждый вариант материала был испытан минимум 8 раз на предмет статистической закономерности. Полученные индивидуальные значения для удельной скорости износа и коэффициента трения в установившемся режиме были подвергнуты статистическому анализу. Результаты исследований Влияние размера частиц включений Оценки коэффициента трения, выполненные с помощью численной модели локального пятна контакта для образцов НДК с двумя характерными размерами частиц включений, не выявили принципиальной разницы в средних значениях (рис. 3, а). Тем не менее видно, что при добавлении в НДК более мелких частиц наполнителя колебания мгновенных значений КТ демонстрируют меньшую амплитуду. Это указывает на предпочтительное использование частиц SiO2 с диаметром, сопоставимым с размерами регулярной шероховатости контртела, для обеспечения устойчивого режима относительного проскальзывания. На рис. 3, б приведены результаты экспериментальных испытаний по схеме «блок-на-кольце», где оценивались средняя удельная скорость износа (ws) и коэффициент трения (μ) для исследуемых композиционных образцов с оценками соответствующего доверительного интервала. Результаты исследований показывают, что общие трибологические характеристики полимерных нанокомпозитов очень близки в большинстве случаев, за исключением образцов со значительно увеличенными размерами частиц диоксида кремния. Так, если для образцов CompF, CompS и Comp50, отличающихся формой и размерами НКД в интервале 20-50 нм, значение КТ равно ~ 0.25, то для образцов Comp250 и Comp600, когда размеры НДК значительно увеличены, μ достигает 0.29. С другой стороны, даже незначительный рост размера наночастиц диоксида кремния, а также наличие разброса по их форме, приводит к увеличению доверительного интервала оцениваемых характеристик. Следовательно, увеличение размеров частиц нанонаполнителя способствует затруднению процесса образования стабильной переходной трибопленки и повышает неустойчивость режимов трения и износа. Полученные результаты находятся в хорошем согласии с данными численных исследований о влиянии размера НДК на образование переходных трибопленок, характер развития трения и износа. Рис. 3. Мгновенные (тонкие линии) и средние (жирные кривые) зависимости коэффициента трения для полимерного композиционного образца, заполненного НДК двух характерных размеров, при скорости скольжения V = 1 м/с (а). Средние значения КТ были получены как усреднение по ближайшим 100 точкам. Суммарные значения средней удельной скорости износа (ws) и коэффициента трения (μ) для исследуемых композиционных материалов (б) Влияние pV-фактора Результаты моделирования фрикционного контакта образца полимерного нанокомпозита, заполненного частицами диоксида кремния с характерным размером 20 нм при различных условиях нагружения, представлены на рис. 4. Рассчитанные значения мгновенного и среднего КТ для рассматриваемой системы при варьировании скорости скольжения с сохранением условий сжатия приведены на рис. 4, a. Как и ранее средние значения коэффициента трения были получены путем усреднения по ближайшим 100 точкам. Видно, что с увеличением скорости скольжения, а значит, и с увеличением pV-фактора коэффициент трения для моделируемого образца уменьшается. Это хорошо согласуется с экспериментальными данными, значения которых для сравнения показаны на рис. 4, б. Видно, что наблюдается сопоставимый наклон как для экспериментальной, так и для теоретической интерполяционной зависимости. Отличие состоит в смещении результатов численных исследований в сторону бóльших значений pV-фактора. Это связано с разницей в значениях прикладываемых сил к нагружаемому слою моделируемой сборки и экспериментальному образцу. Высокие значения нормальных сил легко объясняются небольшими размерами численной модели локального пятна контакта ПНК со стальным контртелом. Следовательно, эту разницу можно интерпретировать как разницу между значениями номинального и фактического сжимающего напряжения. В остальном представленная зависимость, полученная в ходе компьютерного моделирования, хорошо согласуется с экспериментальными данными, что свидетельствует об адекватности разработанной численной модели локального пятна контакта НДК. Рис. 4. Мгновенные (тонкие линии) и средние (жирные кривые) зависимости коэффициента трения для полимерного композиционного образца, заполненного частицами диоксида кремния с характерным размером 20 нм при различных значениях скорости скольжения V (а). Рассчитанные и экспериментально измеренные значения коэффициента трения в зависимости от pV-фактора (б) Таким образом, поскольку явный учет температурной зависимости механических свойств модельных материалов, реализованный в рамках метода ПКА, позволил описать экспериментально наблюдаемую зависимость коэффициента трения от pV-фактора, то можно утверждать, что трибологические свойства НДК обусловлены, в первую очередь, изменением механических свойств материала трибослоя, находящегося в условиях фрикционного контакта. Полученные результаты также подтверждаются данными молекулярно-динамического исследования по моделированию сдвиговой деформации образца SiO2, находящегося в аморфно-подобном состоянии [20]. Заключение На основе разработанной виртуальной модели локального пятна контакта полимерного композиционного материала были исследованы особенности его механического поведения на микро- и мезоуровнях при фрикционном контакте с явным учетом состава и структуры наполнителя. Выявлены факторы, которые способствуют формированию стабильной трибопленки из наночастиц диоксида кремния. Согласно результатам исследования, для обеспечения низких фрикционных свойств полимерных композиционных материалов, прежде всего, необходимо использовать комбинацию двух типов нанонаполнителя (наночастиц SiO2 и углеродных включений). Установлено, что в композиционном материале предпочтительнее использовать частицы SiO2, размеры которых сопоставимы с характерным размером микропрофиля поверхности подложки. В этом случае твердые включения локализуются в приповерхностной области впадин контртела и создаются условия, необходимые для образования переходного трибослоя. Экспериментальные исследования показали, что форма частиц диоксида кремния при сохранении характерного размера НДК не влияет в значительной степени на процесс образования трибопленки, особенности трения и износа. При этом значительное увеличение размеров НДК приводит к неустойчивому характеру трения, что находится в хорошем качественном согласии с результатами численных исследований.

Скачать электронную версию публикации