Особенности трения полимеров

У восходящего солнца больше. поклонников, чем у заходящего.

Гней Помпей

Контактирование полимерных материалов в металлополимерных трибосистемах имеет ряд существенных особенностей. Причём, полимеры в твёрдом (стеклообразном или кристаллическом) и в высокоэластичном (резины) состоянии ведут себя по разному.

Рассмотрим контактирование твёрдых полимерных материалов на примере самосмазывающихся гибридных композитов, состоящих из антифрикционных фторопластовых (ПТФЭ) волокон "полифен", прочных полиимидных волокон "аримид Т" и фенолкаучуковой аморфной матрицы. Из волокон соткана специальная техническая ткань, пропитанная матричным связующим и приклеенная к металлическому субстрату (подложке).

В первый момент трения происходит удаление с поверхности фенольной смолы в результате усталостного изнашивания [50]. Отдельные фрагменты могут быть вынесены из зоны трения, частично перенесены на контртело или поглощены фторопластом, имеющим способность обволакивать инородные частицы без повреждения рабочего слоя.

Дальнейший подвод энергии при трении приводит к аморфизации поверхности ПТФЭ (снижению содержания кристаллической фазы), что связано с интенсивной деформацией контактных зон. Параллельно увеличивается площадь фактического контакта, снижаются контактные напряжения и происходит текстурирование фторопласта в направлении скольжения (фибрилизация). Этот процесс затруднен в связи с тем, что отдельные участки нитей и даже филаментов фторопласта заключены в матричную капсулу и необходимо ее разрушение. С другой стороны, заранее ориентированные структуры волокон (при крое, обеспечивающем их параллельность вектору скорости скольжения) облегчают текстурирование.

В процессе деформационной аморфизации и текстурирования кристаллических образований, в них (в первую очередь на их границах) возникают дефекты - межфибрильные микротрещины. Частичное отделение фрагментов полимера сопровождаемое текстурированием, приводит к вытягиванию под действием сил трения чешуеподобных пленок - элементарных частиц износа, частично переносимых на контртело.

Из-за слабой адгезии пленка переноса ПТФЭ не является сплошной, а состоит из отдельных фрагментов, уносимых из зоны трения, когда она дости-гает критической толщины 10...40 нм [50]. Продукты износа ПТФЭ (третье тело) представляют собой как бы граничную смазку.

Перенесенный материал - это полимер подвергнутый температурному и механическому воздействию при трении. Масс-спектрометрические исследования [50] в перенесенном ПТФЭ показали отсутствие в нем пиков с массовым числом более 100. Это говорит о деструкции макромолекул фторопласта.

В результате механодеструкции, интенсифицируемой температурой (термомеханическая) и кислородом воздуха (термоокислительная), в полимере возникают активные макрорадикалы, которые частично рекомбинируют, а частично реагируют с активированной трением поверхностью контртела, адсорбируясь на ней. Деструкцию ПТФЭ, сопровождающую процесс переноса, подтверждает наличие в пленке ионов фтора.

Деструкция ПТФЭ двояко влияет на адгезионный контакт: образование макрорадикалов ускоряет его, а возникновение низкомолекулярных фрагментов (включая газообразные продукты) - затрудняет.

Следует отметить, что фрикционный перенос характерен для всех полимеров, поэтому в пленке переноса рассматриваемых покрытий отмечены фенольные фрагменты, равномерно распределенные по сечению пленки [33]. Однако, поверхностный слой пленки переноса в 2...3 нм состоит только из фторопласта.

Приработочное изнашивание продолжается до заполнения впадин между микронеровностями контртела и промежутков в ткани, то есть выглаживания поверхности покрытия.

Переход к стационарному периоду трения характеризуется динамическим равновесием в образовании и разрушении пленки фрикционного переноса. Возможно, что периодические срывы этой пленки связаны с колебательным характером динамических процессов.

В период катастрофического износа в полимерном покрытии израсхо-дован практически весь объем фторопласта и в зоне трения обнажены прочные волокна, адгезионно связанные с матрицей композита. Коэффициент трения, контактные напряжения и температура резко возрастают и, почти сразу же, обнажается металлический субстрат. В этот период значительно возрастает вклад усталостного изнашивания, который из сопутствующего (ведущего для матрицы) становится основным. Особенно резко разрушение наступает у жесткоцепных полимеров с относительно низким пределом усталостной прочности.

При трении, полимеры в высокоэластичном состоянии - эластомеры или резины имеют ряд особенностей:

1 - высокую подвижность полимерных цепей, т.е. резина обтекает микронеровности и вместо пластических деформаций происходят высокоэластические;

2 - наличие в молекуле каучука полярных групп увеличивает адгезионные силы в зоне контакта;

3 - при достижении нагрузкой 40% модуля сжатия площадь фактического контакта становится равной номинальной площади;

4 - жесткость резины слабо влияет на коэффициент трения т.к. чем больше модуль, тем меньше фактическая площадь контакта, но больше число адгезионных связей на единицу площади.

Обе составляющие трения адгезионная и деформационная имеют вязкоупругую природу. При адгезии энергия рассеивается на поверхностном молекулярном уровне, а при деформации - во всем объеме деформированного эластомера.

При скольжении эластомера по твердому телу поверхностные макромолекулы эластомера образуют с контртелом фрикционные связи. Этапы этого взаимодействия следующие:

- образование связей;

- растяжение макромолекул;

- разрыв связей;

- релаксация (постепенное уменьшение деформации).

Следовательно, макромолекулярные цепи эластомера совершают непрерывные скачки из одного равновесного состояния в другое.

Деформационная составляющая определяется объемными свойствами полимерных материалов. Она обусловлена запаздыванием восстановления эластомера после вдавливания в него отдельного выступа микронеровностей. При трении эластомеров по несмазанной (сухой) металлической поверхности адгезионная составляющая в два раза больше деформационной. Смазка, снижая адгезию, уменьшает силу трения.

Особенности контактирования полимерных материалов необходимо учитывать при разработке и эксплуатации металлополимерных трибосистем.