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

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 проекта 23-19-00484

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

Руководитель Торская 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

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 слова Трение, 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)

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

5. Шкалей И.В., Торская Е.В., Дьяконов А.А. Трибологические свойства покрытий СВМПЭ на подложке из морозостойкой резины Новые материалы и технологии в условиях Арктики [Электронный ресурс]: материалы VI Международной конференции с элементами научной школы для молодежи, посвященной 30-летию высшего химического образования в Республике Саха (Якутия), Издательство: Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова, Якутск , с. 99-100 (год публикации - 2023)

6. Морозов А.В., Кравчук К.С. Оценка действительного и мнимого модуля упругости приповерхностных слоев морозостойкой резины методом нанодма индентирования Новые материалы и технологии в условиях Арктики [Электронный ресурс]: материалы VI Международной конференции с элементами научной школы для молодежи, посвященной 30-летию высшего химического образования в Республике Саха (Якутия), Издательство: Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова, Якутск, с. 78-79 (год публикации - 2023)

7. Маховская Ю.Ю., Морозов А.В., Кравчук К.С. Метод определения вязкоупругих свойств поверхностных слоев эластомеров на основе нанодинамического индентирования Механика твёрдого тела (год публикации - 2025)

8. Торская Е.В., Шкалей И.В., Степанов Ф.И., Маховская Ю.Ю., Дьяконов А.А., Петрова Н.Н. Using Thin Ultra-High-Molecular-Weight Polyethylene Coatings to Reduce Friction in Frost-Resistant Rubbers Polymers, Volume 16, Issue 20, 2870 (год публикации - 2024)
10.3390/polym16202870

9. Кравчук К.С., Султанова Г.Х. Установка для определения вязкоупругих свойств резин в диапазоне температур от -60℃ до +60℃ Заводская лаборатория. Диагностика материалов (год публикации - 2024)

10. Петрова Н.Н., Тимофеева Е.Н., Мухин В.В., Морозов А.В., Панкратьев Р.И. Analysis of Elastomer Performance in Cold Climates and Off-Road Vehicles Full-Scale Tests Proceedings of the 10th International Conference on Industrial Engineering. ICIE 2024. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Cham, pp. 602–613 (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-65870-9_55

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Для оценки климатической устойчивости модельных систем двухслойного материала из СВМПЭ и БНКС-18, не содержащего противостарителей, проведена натурная экспозиция образцов на полигоне СВФУ в г.Якутске. В настоящее время получена и обработана информация об изменении свойств в течение 6 месяцев. Климатические испытания подобных материалов проводятся впервые. Для оценки динамики изменения свойств в процессе старения были выбраны следующие характеристические показатели: физико-механические свойства (прочность и относительное удлинение при разрыве, напряжение (модуль) при заданном удлинение) и усилие расслаивания материала, по которым в процессе старения были рассчитаны коэффициенты старения. Структуру полимеров при натурной экспозиции фиксировали с помощью оптической и электронной микроскопии, а химические изменения на поверхности материала – с помощью ИК-НПВО спектроскопии. При натурной экспозиции двухслойного материала на основе БНКС-18 и СВМПЭ в результате одновременного воздействия термо- и фотоокислительного, озонного старения слои претерпевают разные виды изменений. Эластомерный слой дополнительно структурируется, становится жестким, его прочность увеличивается до 40%, а слой СВМПЭ после 6 мес. экспозиции хрупко разрушается в связи с переходом процессов старения в стадию фотолиза. Результаты старения двуслойных образцов существенно зависят от уровня инсоляции: на какую из поверхностей при экспозиции падают прямые солнечные лучи, та и претерпевает более значительные деградационные изменения. Процессы деструкции в слое СВМПЭ при атмосферном старении двухслойного материала сопровождаются образованием карбонильных, альдегидных, эфирных групп на поверхности, что было зафиксировано с помощью ИК-спектроскопии. Рассчитан индекс окисления после 6 мес. экспонирования, составляющий 0,1- 0,15. Предложен метод для определения механических свойств поверхностных слоев высокоэластичных материалов по результатам наноДМА испытаний, который позволил определить функции релаксации и ползучести материала, а также частотные зависимости динамических действительного и мнимого модулей. Проведен расчет и анализ механических свойств для двух типов морозостойких резин при различной степени износа их поверхностей, а также до и после климатического старения. Установлено, что изнашивание поверхностей приводит к увеличению жесткости поверхностных слоев и снижению их релаксационных свойств, при этом изменения в поверхностном слое резины на основе изопренового каучука менее выражены, чем для резины основе бутадиен-нитрильного каучука. Климатическое старение привело к повышению жесткости резины на основе бутадиен-нитрильного каучука, при этом релаксационные свойства материала практически не изменились. Трибологические испытания резин в паре со стальной гладкой поверхностью в диапазоне температур от -25 до +60 °С показали существование зависимости скорости формирования поврежденности приповерхностных слоев от температуры испытания резины, при этом исследования микротопографии поверхностей испытанных образцов демонстрирует отсутствие ее эволюции в процессе трения на заданном в работе пути трения. Было проведено экспериментальное исследование износоконтактных характеристик покрытий СВМПЭ на морозостойкой резине различной толщины после климатического старения. Испытания были проведены при контактном взаимодействии исследуемых материалов в форме кольца с плоской стальной поверхностью диска при варьировании нагрузочно-скоростных параметров и изменении температуры от -25 до 60 ℃. Показано, что для всех материалов повышение скорости скольжения приводит к увеличению коэффициента трения, вместе с тем не влияя на их износостойкость. При увеличении нагрузки ¬коэффициент трения снижается, хотя кратно увеличивается износ. Было установлено, что коэффициент трения материалов чувствителен к температуре. В то же время, в условиях низких температур скорость износа не изменяется. Установлено, что трибологические характеристики материалов после ускоренного старения не ухудшаются. Проведено моделирование контакта шарика и двухслойного материала в условиях однонаправленного скольжения с целью получения зависимостей деформационной составляющей трения от скорости скольжения для покрытий различной толщины. СВМПЭ чувствителен к фрикционному нагреву, поэтому решена также тепловая задача определения температуры в зоне контакта. Показано, что минимальный коэффициент трения имеет место для покрытий толщиной 600 мкм. В то же время в случае покрытия толщиной 300 мкм поверхность дорожки трения практически не отличается от исходной. Таким образом, исследуемая комбинация полимеров обеспечивает антифрикционные свойства и износостойкость поверхностного слоя при сохранении демпфирующих свойств резины. На основе решения задачи о скольжении с постоянной скоростью ограниченной и периодической системы инденторов по границе вязкоупругого полупространства с покрытием Проведен анализ эффекта взаимного влияния на контактные и внутренние напряжения при наличии сил трения для покрытий разной толщины. Анализ показал, что существуют оптимальные и нежелательные значения толщины покрытия, которые определяются условиями нагружения (геометрией контакта, нагрузкой, скоростью). Критерием являются максимальные значения напряжений, от которых может зависеть разрушение композита покрытие-подложка. Это растягивающие, максимальные касательные и приведенные напряжения. Наличие сил трения в диапазоне коэффициентов от 0.02 до 0.25, экспериментально зафиксированных для СВМПЭ, в случае множественного контакта может приводить к парадоксальному результату – снижению максимальных значений напряжений с ростом величины коэффициента трения. Этот эффект характерен для более тонких покрытий.

Публикации