КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-19-00484

НазваниеТеоретико-экспериментальное исследование механических и трибологических свойств новых слоистых материалов на основе морозостойких резин

РуководительТорская Елена Владимировна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2025 г. 

Конкурс№80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-103 - Трибология

Ключевые словаТрение, изнашивание, эластомеры, сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), покрытия, контактная задача, контактная усталость, индентирование

Код ГРНТИ30.51.41

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Разработка новых материалов для создания и усовершенствования машин, предназначенных для работы в северных регионах России, является важной проблемой. Эксплуатация техники показывает, что при длительном воздействии отрицательных температур производительность техники снижается примерно в 2 раза. При этом отказы техники часто связаны с неудовлетворительной работой узлов трения, изготовленных из высокоэластичных материалов, в частности, уплотнений. Причиной использования высокоэластичных материалов, чаще всего это резины, является необходимость герметизации и поглощения вибраций различной природы (в том числе, возникающих при трении). Однако, эластомерные материалы без специальных силовых элементов неработоспособны при высоких давлениях и скоростях скольжения. Нанесение покрытий является одним из основных методов модификации для обеспечения антифрикционных свойств, износостойкости, но в случае резин требования к этим покрытиям особенно высоки: помимо износостойкости и антифрикционных свойств - это способность выдерживать большие изгибные деформации и высокая степень сцепления на границе раздела. В рамках данного проекта предполагается исследовать новый класс двухслойных материалов – морозостойкие резины с покрытием из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Технология соединения двух этих полимеров, очень отличающихся по свойствам, обеспечивает необходимую степень сцепления, а СВМПЭ может рассматриваться как износостойкий антифрикционный материал. Оптимизация составов и рекомендации по использованию нового материала в узлах трения могут быть даны только после комплексного исследования его механических, реологических, триботехнических характеристик, механизмов разрушения в условиях фрикционного взаимодействия, в том числе в условиях перепада температур, характерных для регионов Арктики. Возможность изменения толщины покрытия от десятков микрон до миллиметров, а также использования резин-подложек с различными свойствами ставит фундаментальную задачу оптимизации толщины покрытия и выбора материала подложки для фиксированных условий фрикционного нагружения, в том числе связанного с наличием вибрации. Помимо износа вероятной зоной разрушения является граница раздела, что связано со значительной разницей механических свойств материалов, вызывающей концентрацию напряжений при контакте. Циклическое изменение напряжений, обусловленное трением и вибрацией, может приводить к накоплению усталостных повреждений и разрушению. Предполагается экспериментально-теоретическое изучение этого явления, в том числе при изменении температуры. Для этого необходимо будет решить новые задачи о контакте (условно «стационарном» и подвижном) двухслойного основания с вязкоупругой подложкой при переменной нагрузке, обусловленной вибрацией. Также предполагается разработать новую методику изучения контактной усталости тел с покрытиями при высокочастотном взаимодействии с гладким индентором. Сочетание модели с экспериментом позволит прогнозировать процесс накопления повреждений, в том числе с учетом влияния температуры на свойства покрытий и резиновых подложек, климатического старения резины и т.п. Предполагается также исследовать влияние температуры, нагрузочно-скоростных характеристик фрикционного контакта на антифрикционные свойства и износостойкость исследуемого материала. Важно также определение свойств высокоэластичных материалов таким образом, чтобы их можно было использовать в моделях контактного и фрикционного взаимодействия. В проекте предполагается разработка метода нанодинамического механического анализа, при помощи которого на основе новой модели можно определять модуль упругости, вязкость, тангенс угла механических потерь в зависимости от температуры, частоты и времени при различных осциллирующих микронагрузках. Эта часть работы имеет самостоятельную ценность как задел для создания программного обеспечения российского прибора, который будет использоваться в рамках проекта.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта будет дано научное обоснование состава и разработана методика создания наиболее перспективного, с точки зрения использования в триботехнике, двухслойного материала – морозостойкой резины с покрытием из СВМПЭ, призванным обеспечить антифрикционные свойства и износостойкость сопряжений в паре со сталью. В результате комплексного исследования, включающего трибоиспытания в широком диапазоне нагрузок, скоростей и температур, анализ материала методами оптической, конфокальной и сканирующей электронной микроскопии, будут установлены границы применимости данного материала. Будут проведены эксперименты по климатическому старению материалов с покрытиями и установлена эволюция их механических и реологических свойств, а также будут изучены структурные изменения в области раздела покрытия с подложкой. Сочетание экспериментов и моделирования позволит определить толщину покрытия, оптимальную для выбранных условий (нагрузки, скорости, температуры, шероховатости контртела). С фундаментальной точки зрения будут поставлены и решены контактные задачи, в которых вязкоупругое полупространство с покрытием либо без покрытия находится под действием периодически меняющейся нагрузки. Эти задачи могут быть использованы для изучения вибрационного контакта широкого спектра материалов, обладающих реологическими свойствами. В рамках данного проекта эти задачи будут использованы, в частности, для изучения усталостных явлений на границе раздела покрытия с подложкой при циклическом контакте. На основе проведенных экспериментальных и теоретических исследований будет разработана модель процесса накопления повреждений при фрикционном нагружении, сопровождаемом вибрацией, с учетом изменения температуры и эволюции свойств композиции покрытие-подложка при климатическом старении. Эта модель позволит оценивать ресурс сопряжения по критерию отслаивания покрытия для различных условий эксплуатации. Для достижения задач проекта необходимо знать различные свойства изучаемых материалов (механические, реологические, прочностные). Помимо использования стандартных методик в проекте будет разработан метод нанодинамического механического анализа (наноДМА) для определения вязкоупругих свойств приповерхностных слоев высокоэластичных материалов. Данный метод включает уже упомянутую новую математическую модель циклического индентирования поверхности вязкоупругого материала жестким сферическим телом, на основании которой будут получены соотношения для расчета вязкоупругих характеристик поверхностного слоя исследуемого материала по результатам нанодинамического индентирования. Разработанный метод позволит определять модули упругости и вязкоупругих потерь, а также времена запаздывания и релаксации поверхностного слоя исследуемых материалов в широком диапазоне температур. Значимость этих результатов состоит в том, что они будут служить входными параметрами в моделях для изучения трения вязкоупругих материалов, в том числе с покрытиями. Решение поставленной задачи имеет практическую ценность, так как может быть использовано компаниями, которые специализируются на производстве прецизионного научного оборудования. В рамках проекта также будет разработана оригинальная экспериментально-теоретическая методика по изучению процесса накопления усталостных повреждений на границе податливой вязкоупругой подложки и жесткого покрытия, реализуемая на приборе отечественного производства в моде индентирования переменной нагрузкой с заданной частотой. Эта методика также может быть адаптирована для других слоистых материалов.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Исследованы композиции на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и эластомеров разной полярности в целях создания новых типов полимерных композиционных материалов (ПКМ) для арктического применения. С точки зрения термодинамического подхода расчетным методом оценена возможность их прочного адгезионного соединения, рассчитаны межфазное поверхностное натяжение на границе раздела и адгезия между полимерами. Обоснован выбор 1,4 –цис -полиизопрена (СКИ-3) и бутадиен-нитрильного каучука (БНКС-18) для дальнейшего совмещения с СВМПЭ. Подробно исследованы реологические и кинетические закономерности вулканизации эластомера (на примере БНКС-18) при использовании в составе вулканизующей группы ускорителей разных химических классов (сульфенамиды, гуанидины, тиазолы и их комбинация). Разработана технология получения двухслойных ПКМ. Приведены результаты исследования влияния сульфенамида Ц, 2-меркаптобензотиазола, дифенилгуанидина и их комбинации на физико-механические, низкотемпературные свойства, агрессивостойкость исследованных резин, на прочность адгезионного взаимодействия между эластомерами (СКИ-3,БНКС-18) и сверхвысокомолекулярным полиэтиленом. Показано, что для достижения наиболее высоких эксплуатационных показателей и высокой адгезионной прочности соединения на границе раздела фаз предпочтительно использовать сульфенамид Ц и смесь меркаптобензотиазола и дифенилгуанидина, поскольку они обеспечивают наиболее высокие значения усилия расслаивания эластомера и термопласта. Исследована фазовая морфология резин и ПКМ на основе СКИ-3 и СВМПЭ, БНКС-18 и СВМПЭ, вулканизованных разными вулканизующими группами. Показано формирование протяженного переходного слоя, образованного вследствие взаимной диффузии полимеров и химического сшивания на границе раздела фаз, что положительно влияет на работоспособность ПКМ. Оценены низкотемпературные характеристики разработанных материалов: их температуры стеклования, оцененные методами ДСК и ТМА, позволяют рекомендовать их для применения в условиях Арктики. Разработана методика определения коэффициента трения и интенсивности изнашивания резин с СВМПЭ покрытием (двухслойный материал) по проведенным апробационным трибологическим испытаниям. Исследования были выполнены в широком диапазоне нагрузок, скоростей скольжения и температур. Изучено влияние толщины СВМПЭ покрытия (от десятков до сотен микрометров) на коэффициент трения и износ. Установлен эффект увеличения силы трения при уменьшении толщины покрытия, обусловленный влиянием реологических свойств резины. Проведены измерения шероховатости поверхности образцов до и после трибоиспытаний при помощи оптического бесконтактного профилометра. Исследована морфология материалов методами электронной сканирующей микроскопии. Податливость подложки оказывает влияние на шероховатость поверхности после трибоиспытаний в зависимости от толщины покрытия за счет перераспределения контактного давления. На изготовленных модельных образцах морозостойких резины двух типов (БНКС-18 и СКИ-3) были проведены серии трибологических испытаний, важным результатом которых для данного исследования являлось получение образцов резин с разным уровнем повреждений в их приповерхностных слоях. Разработана методика проведения испытаний резин методом наноДМА индентирования. Определены характеристики климатической камеры, позволяющие получить достоверные результаты испытаний (уровень влажности, температура, уровень шумов). Определены параметры проведения наноДМА испытаний (частота колебаний индентора, нагрузка, амплитуда колебаний, параметры ПИД регулятора). Проведены апробационные наноДМА испытания на образцах морозостойких резин в диапазоне температур от -60 до 60 ⁰C. Рассчитаны значения жесткости, мнимого и действительного модуля упругости. Рассмотрена контактная задача о взаимодействии жесткой сферы с вязкоупругим основанием под воздействием внешней нормальной нагрузки, осциллирующей с заданной амплитудой и частотой вокруг заданного среднего значения. С целью получения методики расчета вязкоупругих свойств материала на основе измеряемых в ходе эксперимента величин, построено решение обратной задачи, позволяющее по известным величинам средних значений и амплитуд нагрузки и внедрения, а также разности фаз между их колебаниями, определять характеристики вязкоупругого образца – времена запаздывания и релаксации, а также мгновенный модуль упругости. Получены соотношения, позволяющие пересчитывать эти величины в частотные характеристики вязкоупругого материала – действительный и мнимый модули и тангенс угла механических потерь. Предложена постановка и разработан метод решения задачи о скольжении периодической системы неровностей по границе вязкоупругого полупространства с относительно жестким покрытием, которое моделируется слоем, обладающим изгибной жесткостью. Проведено сравнение полученного решения с решением аналогичной задачи для изолированной неровности. Анализ результатов показал, что эффект взаимного влияния снижает потери на трение, связанные с несовершенной упругостью материала полупространства. Этот результат более заметен для толстых покрытий. В то же время, чем больше толщина покрытия, тем меньше величина деформационной составляющей силы трения.

 

Публикации

1. Степанов Ф.И., Торская Е.В. Моделирование скольжения системы неровностей по границе вязкоупругого полупространства с покрытием Известия РАН. Механика твердого тела, - (год публикации - 2024)

2. Торская Е.В., Морозов А.В., Степанов Ф.И. Множественный контакт вязкоупругих тел в условиях трения скольжения: теория и эксперимент Актуальные проблемы механики сплошной среды.- Ер.: Гитутюн, с. 244-248 (год публикации - 2023)

3. Торская Е.В., Морозов А.В., Степанов Ф.И. Multiple sliding contact of viscoelastic solids: modelling and experiments Journal of Physics: Conference Series, - (год публикации - 2024)

4. Шкалей И.В., Щербакова О.О., Муравьева Т.И. Исследование морозостойких резин с антифрикционным покрытием Тезисы докладов объединенной конференции «Электронно-лучевые технологии и рентгеновская оптика в микроэлектронике», с. 77 (год публикации - 2023)