Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Рассмотрена и решена задача о контактном взаимодействии периодической системы упругих выступов с жесткой плоской поверхностью при наличии адгезии. Проведен расчет и анализ фактической площади контакта и эффективной податливости шероховатого слоя в зависимости от упругих и адгезионных характеристик взаимодействующих тел, формы выступов и плотности их расположения. Исследована роль взаимного влияния выступов. Предложен метод расчета эффективной поверхностной энергии для двух номинально плоских поверхностей, одна из которых покрыта упругими выступами. Установлено, что эффективная податливость шероховатого слоя и эффективная поверхностная энергия отличаются при относительном сближении и удалении взаимодействующих тел, т.е., имеет место адгезионный гистерезис. Полученные соотношения и метод расчета эффективных адгезионных характеристик контакта двух номинально плоских поверхностей, одна из которых покрыта выступами, будут использованы на следующем этапе выполнения проекта для моделирования на макроуровне адгезионной составляющей силы трения при скольжении индентора по поверхности шероховатого тела. Построено решение контактной задачи о внедрении под действием постоянной силы жесткого осесимметричного цилиндра, торцевая поверхность которого номинально плоская, но имеет микрорельеф, в тонкий вязкоупругим слой, сцепленный с жестким основанием или лежащий на нем без трения. Микрорельеф поверхности штампа моделируется периодической системой осесимметричных неровностей различной формы. Использование подхода, основанного на разработанном участниками проекта двухмасштабном исследовании контактной задачи, позволило получить аналитические выражения зависимости глубины внедрения цилиндра и размеров фактической области контакта от времени при разных значениях приложенной к цилиндру нагрузки. Исследовано влияние параметров микрогеометрии поверхности цилиндра (плотности расположения неровностей, их формы и размеров) и механических свойств слоя (отношение времен ползучести и релаксации) на зависимости характеристик контактного взаимодействия от времени. Проанализированы численные результаты для слоя, механическое поведение которого описывается моделью стандартного вязкоупругого тела, в контакте с системой неровностей, расположенных в узлах гексагональной решетки. Показано, что учет микрогеометрии поверхности цилиндра в каждый фиксированный момент времени изменяет жесткость системы, которая характеризуется отношением нагрузки к глубине внедрения. Предложена новая модель для исследования кинетики усталостного изнашивания вязкоупругого покрытия, прикрепленного к жесткой подложке. Усталостный механизм обусловлен циклическим взаимодействием покрытия с шероховатым контртелом, которое моделируется периодической системой гладких инденторов. Исследование включает решение задачи о скольжении индентора с постоянной скоростью по вязкоупругому покрытию, расчет напряжений с учетом взаимного влияния и исследование процесса накопления повреждений в материале. Расчет функции поврежденности для вязкоупругого слоя проводился с использованием критерия приведенных напряжений. Были рассмотрены два процесса: отделение поверхностных слоев конечной толщины и непрерывное разрушение с поверхности по усталостному механизму. Проанализировано влияние скорости скольжения и вязкоупругих свойств материала на накопление повреждений и скорость износа покрытия. При моделировании и анализе использовались два типа нагрузки: постоянная и стохастическая. За отчетный период осуществлена разработка технологии введения нанонаполнителей в полиуретан, созданный по растворной технологии. В качестве нанонаполнителей использованы одностенные углеродные и многостенные углеродные нанотрубки, алмазная шихта, детонационные наноалмазы, фуллерены, малослойный графен. Эти технологии позволили создать тонкие и ультратонкие слои. На жестком литьевом полиуретановых образцах осуществлено нанесение композитного слоя с помощью разработанных технологий. С помощью ионно-плазменной обработки были созданы внешние углеродные слои, которые должны обеспечить биосовместимость в случае, когда такая технология используется при изготовлении из полиуретана имплантатов. Проведенные исследования показали, что перспективными наполнителями для создания промежуточных слоев являются детонационные алмазы, фуллерены и многостенные нанотрубки. Предложен критерий для определения безопасного размера трещин с точки зрения возможного влияния на повреждения биологической ткани организма. Применяться критерий может в качестве «экспресс оценки» при расчетах деформированного состояния полимерного имплантата в организме, а также при отработке технологии создания карбонизированного слоя на поверхности имплантата. Обнаружено, что на первом этапе деформирования образца происходит перестройка волнообразной поверхности углеродного нанослоя. Установлено, что увеличение высоты волн и уменьшение расстояния между ними позволяет сдвинуть начало появления трещин в сторону более высоких деформаций образца. Выяснено, что при наличии двух слоев на поверхности полиуретанового материала возможны два механизма растрескивания внешнего углеродного слоя: 1) рост большого числа трещин при их небольшом раскрытии (недалеком расхождении берегов трещины); 2) незначительное увеличение количества трещин, но с существенным их раскрытием. Какой из механизмов будет реализован – зависит от структуры промежуточного композиционного слоя. Установлено оптимальное (в процентах массы) содержание наполнителя. Перспективными в наших исследованиях оказались детонационные алмазы, фуллерены, многостенные нанотрубки. Наилучший результат получен при использовании многостенных нанотрубок. Они существенно ограничивают рост и раскрытие трещин. Установлено, что появление трещин в углеродном слое не приводит к их росту в глубину материала, то есть растрескивание углеродного слоя не представляет опасности с точки зрения разрушения самого полиуретанового имплантата. Предложена гипотеза формирования особенностей рельефа углеродного слоя, а также математическая модель, которая правильно отразила наблюдаемые в экспериментах закономерности, связанные с учетом энергии ионов, учетом флюенса (количества ионов, попавших на единицу поверхности), учетом механических свойств обрабатываемого материала. Методом инструментального индентирования было проведено экспериментальное исследование образцов полиуретанов различного типа (литьевых, растворных, двухслойных, а также полиуретанов с нанонаполнителями и покрытий из растворного полиуретана) на сканирующем нанотвердомере «Наноскан 4D» (Россия) при различных скоростях нагружения и температурах.. В результате были построены кривые «нагрузка-внедрение», по которым будут определены вязкоупругие свойства исследуемых материалов с учетом их чувствительности к нагреву. Было установлено, что при повышении температуры для всех полиуретанов наблюдается уменьшение их жесткости. Эти изменения в зависимости от типа испытываемого материала варьировались в диапазоне 1,5–3 раз. Проведены экспериментальные исследования адгезионной прочности покрытий из полиуретана (созданных по растворной технологии) на металлической подложке методом царапания стальным шариком. Анализ результатов испытаний показал, что в интервале нагрузок 0,05–1 Н отслоения покрытия не наблюдается, при этом присутствуют незначительные его повреждения. При высоких нагрузках (1–5 Н) формируется дорожка трения, имеющая форму, характерную для пластического оттеснения материала, набегающего перед индентором и его последующего разрушения в процессе царапания. Было установлено, что в диапазоне нагрузок 1,7–2,1 Н появляется первая область с покрытием, отслоившимся от подложки.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Биосовместимые поверхности полиуретановых имплантов можно получить путем создания на их границе углеродного слоя с помощью ионно-плазменной обработки. В 2022 году осуществлено изготовление трехслойных покрытий. Продолжены исследования использования тонких слоев из растворного полиуретана, содержащих нанонаполнители, которые подвергались ионно-плазменной обработке. Наиболее интересным результатом стал сравнительный анализ появления и роста трещин при деформировании биосовместимых поверхностей полиуретановых образцов, которые рассматривались при выполнении проекта в течении всех прошлых лет. Критерием было минимальное раскрытие трещин, позволяющее исключить или уменьшить защемление в них клеток организма при циклическом деформировании полиуретанового имплантата с углеродным покрытием. Разработана специальная методика и компьютерная программа для автоматической обработки экспериментальных данных, позволяющая осуществить анализ появления и раскрытия трещин в углеродном слое на поверхности массивного образца. Исследована связь межу шириной раскрытия трещин от деформаций образца для всех создаваемый одно- и многослойных покрытий. Установлены причины, ограничивающие рост ширины трещин и направляющие процесс трещинообразования в сторону увеличения их количества. Разработана методика исследования с помощью атомно-силовой микроскопии геометрических особенностей трещин в деформированных образцах. Установлено, что раскрытие трещин при деформировании образца не приводит к прорастанию микроразрывов под трещинами и что нет отслоения углеродных слоев от полиуретановых материалов. Эксперименты позволили установить толщину углеродных слоев при исследовании берегов трещин в деформируемом материале. Методом конечных элементов проведено вычислительное моделирование рельефов поверхности с многослойными покрытиями, включающее наличие тонкого растворного слоя под углеродным слоем. Расчеты подтвердили, что гипотеза формирования неровностей углеродного слоя в результате накопившихся зарядов при ионно-плазменной обработке образца хорошо объясняет наблюдаемые в экспериментах особенности рельефов поверхности. Решена контактная задача о внедрении в толстый вязкоупругий слой осесимметричного штампа при наличии вне области контакта осесимметричной пригрузки, равномерно распределенной по кольцевой области. Для решения задачи используется расширенный принцип соответствия, который действителен для неубывающей области контакта, и решение аналогичной упругой задачи. Получено выражение зависимости глубины внедрения штампа в слой от времени и исследовано влияние на эту зависимость параметров пригрузки (величины и размера области приложения) и механических свойств слоя (параметров функций ползучести модели стандартного вязкоупругого тела). Показано, что наличие пригрузки ведет к углублению штампа в слой в каждый момент времени при неизменной величине приложенной силы. Также произведена оценка влияния толщины вязкоупругого слоя на искривление его границы вследствие действия на нее кольцевой пригрузки и приведены значения толщины слоя, для которой модель полупространства приводит к незначительным ошибкам. На основе экспериментальных данных проведен анализ влияния флюенса поверхностной обработки на шероховатость поверхности, адгезионную и деформационную силы трения. Показано, что обработка с относительно малым флюенсом дает принципиально разные эффекты для двух изучаемых материалов: слабое изменение шероховатости и падение коэффициента трения для более жесткого полиуретана; для более податливого – существенный рост шероховатости и стабильно высокий коэффициент трения, слабо меняющийся в рассмотренных диапазонах нагрузок и скоростей. Таким образом, поверхностная обработка может быть использована как средство управления коэффициентом трения полиуретана и обеспечения его стабильно высоких фрикционных свойств. Предложена модель, описывающая трение между образцом с нанесенным шероховатым слоем и гладким индентором, учитывающая влияние шероховатости и адгезии на величину силы трения. Разработан алгоритм расчета контактного давления и адгезионной силы трения, при этом в качестве входных параметров используются эффективные адгезионные характеристики шероховатого слоя, рассчитанные на основе модели, которая была построена на предыдущем этапе выполнения проекта. Результаты моделирования качественно соответствуют картам трения, полученным экспериментально. Проведены испытания контактного взаимодействия жесткого шарика с поверхностью полиуретанов (литьевые, растворные, двухслойные, с нанонаполнителями, покрытие на металлической подложке) в условиях однонаправленного скольжения при постоянных нагрузке и скорости. Наличие в составе полиуретана нанотрубок приводит к снижению коэффициента трения. Подобное явление также зафиксировано для покрытия из полиуретана на металлической подложке. Для других исследуемых материалов снижение трения в контакте не происходит. Проведены испытания, где реализовано трение образцов с полиуретановыми покрытиями с нанонаполнителями (фуллерены и нанотрубки) по металлическому ролику при постоянных нагрузке и скорости скольжения в условиях граничной смазки. Установлено, что у образца покрытия без наполнителя коэффициент трения меньше при большем объемном износе, чем у остальных. Температура в процессе трения не изменялась для всех материалов.