Параметры износа полимерных материалов

Полимер	ПФ	ПТФЭ	ПК	ПА - 6	эпоксиды	Графитопласт АТМ - 2
 МПа	147	63	840	630	180	776
ty	1,3	5,0	2,9	2,6	4,6	7,7

Если в узле прошел процесс приработки, то величину шероховатости контр-тела можно представить в виде функций параметров материала и его износ можно рассчитать по уравнению: где К₂ = 0,1 – 0,01;  =1; К_t – константа фрикционной усталости материала (К_t = 2 – 3), Р_ном – номинальное усилие в зоне контакта, Е – модуль материала, к – коэффициент, характеризующий напряженное состояние на контакте, гистерезисные потери (для случая износа полимеров = 0,08 – 0,12).

Экспериментальную оценку износостойкости полимерного материала можно осуществлять при истирании его по поверхности с острыми выступами - шкурке на основе корунда, кварца и т.п., или по поверхности с выступами – металлической сетке. Первый тип испытаний соответствует абразивному износу, второй - усталостному износу. В таблице 34 приведены величины износа различных полимерных ма­териалов при скольжении по корундовому полотну (I_абр) и по металли­ческой сетке (I_уст) .

Таблица 34.

Параметры износа полимерных материалов.

полимер	(Iабр) 105	(Iуст) 105	полимер	(Iабр)105	(Iуст) 105
ПА –68	0,9	0,0001	ПТФЭ	5,0	0,0065
ПА – 6	0,8	0,0009	ПС	4,5	0,4
ПА – 66	0,6	0,00015	УПС	5,0	0,06
ПЭНП	1,0	0,0007	ПММА	3,5	0,005
ПЭВП	0,7	0,004	ПК	2,6	0,02
ПП	1,5	0,003	эпоксиды	7,5	0,03

Удельной характеристикой процесса износа является скорость изно­са  = KPV, где К - коэффициент, зависящий от условии работы данной пары, наличия и типа смазки, Р- давление и V - скорость скольжения. Существует метод определения эксплуатационного диапазона при­менения пластмассовых деталей в узлах трения. Он связан с определени­ем предельных значений комплекса [РV], ниже которых обеспечивается стабильная работа узла трения. Например, [РV]₂₅ означает , что за 100 часов в условиях данных Р и V износ подшипника составит 25 мкм По­скольку значения коэффициента трения и интенсивности изнашивания полимеров в значительной степени зависит от температуры (рис.108-109), то трибологические характеристики часто выражают т.н. "термофрикционными" кривыми. Поэтому разработан метод, сочетающий оба вышеуказанные подхода. Согласно этому методу зависимость коэффициента трения  и интенсивности изнашивания I от скорости скольжения и температуры (при пос­тоянной нагрузке и шероховатости контртела) характеризуют т.н. паспортом триботехнических свойств, представленными на рис.110.

f I.10⁸

0,7 ПА-6 0,9 ПА-6

0,6 ПА-6+СВ ПФ

0,6 ПА-6+СВ

0,5 ПФ

0,4 ф е н и л о н АТМ-2 0,3 АТМ-2

0,3 ф е н и л о н

20 40 60 80 100 Т⁰С 20 40 60 80 100 Т⁰С

Рис.108 Рис.109.

f Износ, мг

ПА-6 100 ПФ

0,3

0,2 50 ПК

0,1 ПА-6

V, м/с

0,3 0,2 0,1 30 50 70 90 110 Т⁰С

0,2 4 5 6 7 8 9 10

0,4 класс чистоты поверхности

0,6

0,8

I.10¹⁰

Рис.110. Рис.111.

Характеризуемые зависимости носят явно нелинейный характер и поэтому простые критерии типа [РV] следует применять очень осторожно

3. Трение при наличии твердых смазок. При выборе материалов для узлов трения необходимо учитывать, что трение источник потерь энергии и нагрева трущихся поверхностей, оно сопровождается шумом и вибрациями деталей, износ вызывает изменение геометрии узлов трения и может вызвать их катастрофическое разрушение. Полимерные материалы применя­ются в узлах трения без смазок (ПТФЭ, ПФ, ПА, ПК) только при низких эксплуатационных нагрузках. Их износ в сильной степени зависит от ха­рактеристик и материала контр-тела. Важным фактором, определяющим интенсивность изнашивания материала в узлах трения является шероховатость контр-тела (рис.111) и его материал. Если принять износ ПТФЭ по углеро­дистой стали за 1, то в аналогичных узлах износ ПТФЭ по чугуну возра­стает в 2 раза, по нержавеющей стали в 3 раза, по хромированному по­крытию в 20 раз, а по алюминиевому сплаву - в 50 раз. Поэтому в узлах трения, как правило, применяются композиты, содержащие функциональные наполнители, снижающие адгезионную составляющую коэффициента трения. Это наполнители, обладающие сильно анизотропной слоистой структурой - графит, дисульфиды молибдена и вольфрама, диселениды некоторых метал­лов и др. Они называются твердыми смазками (ТС). Наиболее распростра­ненной ТС является  - MoS₂, фрикционные константы которого составляют  = 0,3 МПа, = 0,049. К сожалению, этот материал стабилен при высо­ких температурах (1100⁰С) только в условиях вакуума или инертной ат­мосферы. На воздухе он быстро окисляется (+350 - +480⁰С) до МоО₃ и серы или SО₂. Дисульфид вольфрама -WS₂, хотя и в 3 раза дороже, но обладает более высокой термостабильноотью, чем MoS₂. Кроме них в ка­честве ТС применяют: BN, MoSe₂, WSe₂, NbSe₂, CdJ₂, PbJ₃, Sb₂S₂, AgJ. ТС отличаются весьма низкими коэффициентами трения (таблица 35), особенно в инертной атмосфере

Таблица 35.

Коэффициенты трения твердых смазок по стали.

Тип ТС		Тип ТС		Тип ТС	
Графит	0,04-0,06	TiS2	0,2	NbSe2	0,06
MoS2	0,02-0,03	TaS2	0,7	TaSe2	0,08
WS2	0,06	MoSe2	0,02	AgJ	0,14
Sb2S2	0,17	WSe2	0,02	BN	0,7 – 0,1

Следует отметить, что селениды металлов имеют более низкие ко­эффициенты трения, чем суьфиды тех же металлов. В ряде случаев при­меняют комбинации различных ТС (гранит + MoS₂ и т.п.). Кроме ТС, час­то применяют твердые сказочные покрытия, свойства которых можно из­менять в желательном направлении за счет применения различных связующих, введения наполнителей, ориентации и. т.п. Для получения твердых смазочных покрытий применяют неорганические и органические связующие: ЭС, ФФС, ПУ, КОС и др. и ТС (дисульфиды, диселениды, галогениды, графит). Коэффициенты трения твердых смазочных покрытий по стали обычно лежат в пределах 0,04-0,12 (на воздухе) и 0,02-0,05 (в вакууме).

В процессе эксплуатации полимерных материалов, включающих ТС, на поверхности контр-тела образуются тонкие пленки, обладающие малым со­противлением сдвигу, малой адгезией и большим сопротивлением внедре­нию неровностей. Для образования таких пленок требуется всего 2-10% наполнителя типа ТС. В качестве полимерной ТС часто применяют ПТФЭ, весьма значительно снижающий коэффициенты трения различных полимер­ных материалов. Введение антифрикционных наполнителей практически не меняет основных свойств полимеров из-за малого содержания таких доба­вок. Если узел трения работает в условиях больших нагрузок с повышен­ным тепловыделением, то в полимер кроме антифрикционных добавок целе­сообразно вводить высокотеплопроводные, в том числе металлические на­полнители, способные отводить тепло из зоны трения.

4. Антифрикционные полимерные материалы. Наиболее часто для изго­товления трущихся деталей машин и механизмов применяют полимерные, углеграфитные и металлокерамические материалы, основными преимущест­вами полимерных антифрикционных материалов являются: высокая техно­логичность (литье, экструзия), низкая стоимость, удовлетворительная, прочность и теплостойкость, особенно при применении ароматических полиамидов, арамидов, полисульфонов, полиимидов. Температурный интер­вал работы антифрикционных материалов на основе термопластов состав­ляет 100-120⁰С, для деталей из реактопластов 250-300⁰С.

5. Фрикционные полимерные материалы.

К фрикционным относятся материалы, дающие в паре с металлом коэффициент трения в пределах 0,2<  <0,3. Основным требованием к материалам, используемым во фрикционных устройствах (тормоза муфты сцеплений регуляторы опоры скольжения), является условие постоянства коэффициента трения в процессе приработки и работы узла. Любое торможение связано с переходом кинетической энергии движения в тепловую, т.е. с сильным разогревом фрикционного узла Основной расчет фрикционных устройств является тепловая динамика трения, а расчет температуры фрикционных элемента проводится по формуле: , гдеW_{т. п.} – мощность теплового потока, α_т.п. – коэффициент его распределения , m – масса фрикционного элемента, с – его теплоемкость. В реальных условиях, когда процесс тепловыделения сопровождается охлаждением уравнение имеет вид: где_охл. – время охлаждения , , где_охл. – коэффициент теплоотдачи, А_охл. – поверхность теплоотдачи узла трения , n - число включений фрикционных элемента в час, n >10 . Обычно один из элементов фрикционной пары трения изготавливают из металла для улучшения теплоотвода, а сам фрикционный материал наносят в виде тонкого покрытия на металлическую подложку .Основным требованием к фрикционным материалам является высокая износостойкость, т. к. обеспечить коэффициент трения  >0,2 достаточно легко.

Для создания полимерных фрикционным материалов применяют каучуки и реактопласты (фенол– или крезолформальдегидные смолы), а также их смеси. Для повышения прочности и теплостойкости фрикционным материалов в них добавляют асбест (15 – 60 % масс.) в виде волокон, ткани или картона и др. наполнители ,оксиды металлов, ВаSО₄, металлические порошки. Применение каучуковых или др. эластичных добавок в связующие улучшает сцепление фрикционной пары за счет увеличения площади дифракционного контакта. Иногда для улучшения теплоотвода армируют фрикционные элементы металлическими сетками. При всех положительных качествах (стабильность коэффициента трения в диапазоне эксплуатационных температур и скоростей, высокой износостойкости, высокого коэффициента трения) фрикционные полимерные материалы на основе традиционных термореактивных связующих обладают низкой температурой разложения, как правило, ниже +350 ⁰ . Значение теплоемкости фрикционных полимерных материалов обычно лежат в пределах 0,8 – 1,3 КДж/кг⁰К, а их теплопроводность составляет 0,4 –0,8 вт/м⁰К.

6. Абразивные полимерные материалы. Значительный интерес представляет применение полимерных (термореактивных) материалов для создания композиций, наполненных твердыми абразивными наполнителями (кварц, корунд, алмаз, оксиды металлов) и предназначенных для получения шлифовального или полировального инструмента. Для надежной работы шлифовальных кругов, точильных камней необходимо выполнение ряда специфических условий: отсутствие образований на трущейся поверхности тонкой полимерной пленки с пониженным коэффициентом трения (замасливание), возможность регулировать в широких пределах интенсивность изнашивания материала (для постоянного обновления его поверхности ), высокая прочность (для выдерживания центробежных нагрузок и предотвращения выкрашивания абразива), теплостойкость связующего (при длительных циклах шлифовки и полировки). В наибольшей степени для получения абразивного инструмента пригодными являются фенолформальдегидные смолы. Введение в матрицу ФФС абразивных частиц различного размера и твердости дает возможность получать инструменты для грубой и тонкой обработки поверхности. Для получения высоконаполненных композитов гранулометрический состав наполнителей следует подбирать специальными расчетами, чтобы обеспечить максимальные значения коэффициента упаковки. Для регулирования интенсивности изнашивания абразивного инструмента в связующие вводят балластные наполнители, удаляющиеся с заданной скоростью из композита за счет растворения в охлаждающей жидкости.

Лекция 13. ПМ со специальными свойствами.

Полимерные материалы с регулируемыми электрическими свойствами.

Дилектрики. Электреты и пьезоэлектрики. Антистатики и полупроводники.

Электропроводящие композиты. Радиопрозрачные и радиоотражающие

материалы. Магнитные композиты.

Важной областью применения полимеров и ПКМ является электротехническая промышленность. Большинство полимеров обладает электроизоляционными свойствами и в этом качестве широко применяется, однако на основе полимерных матриц возможно создание полупроводниковых, электропроводных и даже сверхпроводниковых материалов. Вначале рассмотрим основные определения электрофизики.

Основные физико-технические величины.

Электрическая проводимость или электропроводность полимеров – это способность полимеров при приложении электрического напряжения пропускать электрический ток. В диэлектриках, каковыми являются большинство полимеров, после приложения к образцу постоянной разности потенциалов плотность тока уменьшается со временем, вследствие диэлектрической поляризации. Поэтому измерение электропроводности проводят через 100 – 1000 с (или через 10 мин) после приложения напряжения. Различают удельную объемную электропроводность - _v и удельную поверхностную электропроводность - _s и соответствующие им обратные величины – удельное объемное - _v и удельное поверхностное - _s электрическое сопротивление. Величину _v определяют как сопротивление кубического образца полимера_, к противоположным граням которого приложены плоские электроды. Оно измеряется в ом.м (обратная величина _v измеряется в См/м – сименс на метр или в ом^-1м^-1). Величину _s определяют как сопротивление квадратного плоского образца полимера, к противоположным ребрам которого приложены линейные электроды. Оно измеряется в ом (обратная велиячина _s измеряется в См – сименсах или в ом^-1). Электропроводность полимеров и композитов в сильной степени зависит от содержания примесей, в первую очередь – влаги, на поверхности этих материалов. Для типичных полимеров логарифмы этих показателей приведены в таблице 36.

Таблица 36.

ПВДФ,ПА ПЭТФ ПЭ,ПП ПТФЭ,ПФО ПВХ ПК,ЭС,Пим ПС ФФС

lg _v 11-13 13-14 14-15 15-17 10-14 14-15 14-16 7-11

lg _s 12-13 14-15 15-16 16-17 13-14 14-16 16-17 10-14

Значения _s определяются количеством свободных заряженных частиц в единице объема, их подвижностью и зарядом, т.е. строением полимерной цепи и температурой. Носителями тока в полимерных диэлектриках являются ионы, поэтому _v снижается в присутствии примесей, воды и при воздействии ионизирующих излучений. С ростом температуры _v падает экспоненциально.

Электрическая прочность – минимальная напряженность внешнего электрического поля, при которой диэлектрик разрушается (пробой), теряя свои диэлектрические свойства, и становится проводником. Электрическая прочность измеряется в в/м или в Мв/м. Различают три основных формы электрического пробоя:

1.Собственно эле-ктрическую, обусловленную лавинным нарастанием концентрации электронных носителей в диэлектрике. Оно не зависит от температуры, толщины и времени приложения напряжения.

2. Тепловую, обусловленную прогрессивным нарастанием тепловыделения в материале за счет диэлектрических потерь. Напряжение пробоя экспоненциально падает с ростом температуры и уменьшается со временем. Оно зависит от формы и толщины образца.

3. Электрическую, обусловленную электрическим старением, т.е. изменением химического состава и структуры диэлектрика. Она развивается при низких напряжениях, причем время пробоя падает с увеличением напряжения и температуры. Его значения для некоторых диэлектриков приведены в таблице 37.

Таблица 37.

ПЭ ПП ПК,ПС ПФ ПТФЭ ПВХ ФФС ПММА

Е, Мв/м 40-50 25-40 20-25 20-30 25-50 25-45 10-18 25-40

1.3. Диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери.

Диэлектрическая проницаемость – это отношение емкости электрического конденсатора - С, заполненного диэлектриком, к емкости того же конденсатора, между обкладками которого вакуум – С₀: ^' = С/С₀. Диэлектрическая проницаемость связана с электрическим моментом единицы объема диэлектрика, возникающим вследствие деформационной и дипольной поляризации во внешнем электрическом поле. Она определяется строением полимера и зависит от частоты приложенного поля и температуры. Диэлектрические потери – это часть энергии внешнего электрического поля, которая необратимо рассеивается в диэлектрике. Если к конденсатору с диэлектриком между обкладками приложить переменное напряжение, то вектор силы тока, возникающего в нем, будет опережать по фазе вектор напряженности приложенного поля на угол . Размер этого угла также характеризует диэлектрические потери. Коэффициент потерь ^” выражается через остальные показатели следующим образом: tg  = ^”/^'. Величины этих показателей можно представит себе как действительную и мнимую часть комплексной диэлектрической проницаемости: ^* = ^’ - i^”. В слабых электрических полях значения всех электрических показателей не зависят от напряженности внешнего поля и определяются только его частотой -  и температурой. В зависимости от соотношения  и времени релаксации , которое требуется для поворота диполя под действием внешнего электрического поля, диэлектрическая проницаемость заметно меняется и весьма различается в радиочастотной (>>1) и в области низких частот (<<1). Значения ^’ для неполярных полимеров составляют 2-2,5; для слабо полярных полимеров 2,5-5; для полярных полимеров 4-8. Большие значения характерны только для сильно полярных полимеров и регистрируются при температурах выше температуры стеклования. Величины ^’ для типичных полимеров при 25⁰ и частоте 1000 гц приведены в таблице 38.

Таблица 38.

ПС ПП ПЭВП ПЭНП ПТФЭ ПММА ПЭТФ ПВХ Пим ПУ НПС ЭС ФФС

2,4-2,8 2,3 2,3-2,4 2,2-2,3 1,9-2,1 2,5-4 3.1 3-3.3 3,5 6-7 3-4 3,5-4 4-6

/ tg = 10^-4 / tg = 10^-3 /tg = 10^-1-10^-2 /

При работе полимеров в условиях воздействия высоких частот внешнего электрического поля применяют слабо полярные полимеры с низкими ^’: ПС и его сополимеры, ПЭ, ПП, ПТФЭ. При создании конденсаторов (для низких частот или для постоянного тока) применяют и более полярные полимеры: ПТФХЭ, ПФ, ПММА, ПА, ПК, ПЭТФ.