XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Надежность и долговечность механизмов во многом определяется явлениями трения и износа. Внедрение новых конструкционных материалов обеспечивает создание технических изделий с заданными эксплуатационными характеристиками, причем важное место среди этих материалов занимают полимерные нанокомпозиты [1-3]. В последние десятилетия полимеры приобретают все большее значение по сравнению с металлическими деталями в различных узлах трения из-за их низкой плотности, высокой износостойкости и простоты изготовления [4, 5]. Главным преимуществом полимерных нанокомпозитов как материалов для узлов трения являются их повышенные прочностные характеристики, связанные с особенностями взаимодействия полимер – наночастица. Повышение прочностных характеристик полимерных материалов обычно приводит к снижению коэффициента трения и износа. Для улучшения механических и трибологических свойств полимеров их обычно армируют различными наполнителями, такими как каолин, нанокремнезем, карбонат кальция, графен, стекловолокно, углеродное волокно, углеродные нанотрубки и т.д [6-9]. Однако эта закономерность не выполняется для полимерных композитов, наполненных микроразмерными наполнителями (в частности, волокнами). Это связано с тем, что в процессе износа микроразмерные наполнители вырываются из полимерной матрицы, что приводит к росту абразивных свойств поверхности и, как следствие, к росту коэффициента трения. Это проблему можно решить при использовании полимерных нанокомпозитов, так как наночастицы прочнее удерживаются в матрице, и их отрыв не приводит к изменению свойств микроповерхности (образованию задиров).

Проведенные ранее многочисленные исследования трибололгических свойств полимернойкомпозиции полибутиленатерефталата показали, что в сухих условиях статический коэффициент трения составляет примерно 0,243, а кинетический – 0,049 [10].

Таким образом, изучение трибологических и противоизносных свойств полимерных композиций, которые способных заменить металлические детали является весьма актуальным. В связи с этим, в данном исследовании будут изучены трибологические свойства пары трения полибутилентерефталат – сталь в условиях сухого трения при различных скоростях скольжения и давлении.

В качестве объекта исследования выступала фторопластовая композиция с химическим составом политетрафторэтилен – 70%, стекловолокно – 30%, метод производства заготовки - прессование.

Трибологические характеристики исследовали на машине трения торцевого УМТ200. Исследования проводились при скоростях скольжения 0,3 м/с, 1м/с, 2 м/с и нормальном давлении 0,3 МПа, 2 МПа и 3 МПа. Перед проведение исследований стальной диск зачищали на шлифовальной бумаге и обезжиривали гексаном. Износ исследуемого материала определяли по потере массы образцов из фторопластовой композиции. Взвешивание образцов проводили до и после трибологических исследований на аналитических весах. Изменения линейных параметров образцов определяли с помощью штангенциркуля.

Анализ результатов трибологических испытаний показывает, что при увеличении скорости скольжения в паре трения полибутелентерефталат – сталь с 1 м/с до 2 м/с положительно сказывается на эволюции коэффициента трения значения которого, снижаются практически в 2 раза (рис. 1, 2).

Рис. 1. Зависимость коэффициента трения от времени в паре трения полибутелентерефталат – сталь при V – 1 м/с Р – 0,3 МПа

Рис. 2. Зависимость коэффициента трения от времени в паре трения полибутелентерефталат – сталь при V – 2 м/с Р – 0,3 МПа

Изучение влияние нормального давление в зоне трения при фрикционном взаимодействии пары полибутелентерефталат – сталь указывает на уменьшение коэффициента трения при увеличении давления (рис. 3, 4). Однако, износ, определяемый по уменьшению массы образца, увеличивается, таблица 1.

Рис. 3. Зависимость коэффициента трения от времени в паре трения полибутелентерефталат – сталь при V – 0,3 м/с Р – 1 МПа

Рис. 4. Зависимость коэффициента трения от времени в паре трения полибутелентерефталат – сталь при V – 0,3м/с Р – 3МПа

Таблица 1.

Весовые и линейные параметры образцов фторопластовой композиции

№	∆m, г	d1×h1+ d2×h2 до трения, мм	d1×h1+ d2×h2 после трения, мм	Режим трения
1	0,0015	17,9×20	18×20	V – 1м/с, P – 0,3МПа
2	0,0019	17,9×20	18×20	V – 2 м/с, P – 0,3МПа
3	0,0006	17,9×19,9	18×20	V – 0,3м/с, P – 1МПа
4	0,0123	17,9×20,05	19,4×19,7	V – 0,3м/с, P – 3МПа

Визуальный осмотр поверхности фрикционного взаимодействия пары фторопластовая композиция полибутелентерефталат – сталь показывает на значительные ее изменения, рис 5, так поверхность образца до трения достаточно ровная и имеет множество пор, рис. 5а. После трения при скорости скольжения 1 м/с и нормальной нагрузки 0,3 МПа поверхность образца становится более гладкая, что может свидетельствовать о снижении параметров шероховатости поверхности (рис. 5б).

Рис. 5. Поверхность фторопластовой композиции до трения (а) и после фрикционного взаимодействия при режимах: б – V=1 м/с, P=0,3 МПа;

в – V=2 м/с, P=0,3 МПа; г – V=0,3 м/с, P=1 МПа; д – V=0,3 м/с, P=3 МПа

При трении со скоростью скольжения 2 м/с и нормальной нагрузкой 0,3 МПа поверхность образца подвергается значительному изнашиванию (рис. 5в).

Увеличение при трении нормальной нагрузки в 10 раз приводит к значительному повышению температуры в зоне трения. При этом наблюдается плавление поверхности фрикционного взаимодействия образца и изменение его геометрических параметров (рис. 5д).

Таким образом, на основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1. Оптимальными условиями при трении полибутилентерефталата по стали при которых достигается наименьшее значение коэффициента трения являются скорость скольжения 2 м/с и давление 0,3 МПа.

2. Повышение давления в паре трения приводит к увеличению температуры в зоне трения и износу полибутелентарефталата.

Список литературы:

1. Treacy M.M.J., Ebesen T.W., Gibson J.M. Nanoparticles as reinforced agents // Nature (London). – 1996. – V. 381. – P. 678–680.

2. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. – М.: Машиностроение, 1977. – 526 с.

3. Горячева И.Г. Механика фрикционного взаимодействия. – М.: Наука, 2001. – 478 с.

4. Zhang X. R. et al. The friction and wear properties of carbon nanotubes/graphite/carbon fabric reinforced phenolic polymer composites //Advanced Composite Materials. – 2015. – Т. 24. – №. sup1. – С. 147-159.

5. Okhlopkova A. A. et al. Nanoceramic and polytetrafluoroethylene polymer composites for mechanical seal application at low temperature //Bulletin of the Korean Chemical Society. – 2013. – Т. 34. – №. 5. – С. 1345-1348.

6. Venkatesan M., Palanikumar K., Rajendra Boopathy S. Comparison of the Wear Properties of Polymer Composites Having CNT With and Without Glass Fiber Reinforcement //Transactions of the Indian Institute of Metals. – 2015. – Т. 68. – №. 1. – С. 91-97.

7. Cheng D. et al. Friction and wear behavior of carbon fiber reinforced brake materials //Frontiers of Materials Science in China. – 2009. – Т. 3. – №. 1. – С. 56-60.

8. Jumahat A., Kasolang S., Bahari M. T. Wear properties of nanosilica filled epoxy polymers and FRP composites //Jurnal Tribologi. – 2015. – Т. 6. – С. 24-36.

9. Mu B. et al. preparation and friction properties of PBT/MMT composites //Polymer composites. – 2009. – Т. 30. – №. 5. – С. 619-628.

10. Dourado M. et al. Dry and lubricated friction properties of polybutylene terephthalate (PBT) against polyamide 12 (PA12). – 2017.