УДК 621.891;621.893; 539.422.52

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МАТЕРИАЛА КОНТРТЕЛА НА

ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УГЛЕРОДНЫХ

КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ТКАНЕВЫХ ПРЕПРЕГОВ

Щербакова1 О.О., Буковский1 П.О., Муравьева1 Т.И., Шпенев1 А.Г.,

Кривошеев2 А.Ю., Каледин3 А.В., Шикунов3 С.Л., Курлов3 В.Н.

испытания композитов проводили на трибометре по схеме контакта кольцо-

диск.

из карбида кремния. Установлено, что интенсивность изнашивания и

коэффициент трения,при используемых в работе нагрузочно-скоростных

режимах, главным образом зависятот выбора материала контртела.

Термообработка (карбонизация или графитация) и материал препрега (ПАН

или вискоза) также оказывают влияние, но уже в зависимости от выбранного

контртела. Показано, что при испытаниях с керамическим

контртеломтрибологические характеристики (коэффициент трения и

электронноймикроскопии с рентгеноспектральным анализом и оптической

характеристики. После испытаний со стальным контртелом на поверхности

композитов в составе пленки обнаружено значительное количество железа,что

свидетельствует об износе контртела. Данный процесс негативно влияет на

трибологические свойства композитов. В тоже время керамическое контртело

практически не изнашивается, делая его более предпочтительным материалом

для работы в узлах трения в паре с углеродным композитом.

Ключевые слова:Углерод-углеродный тканевый композит, препрег,

углеродные волокна, полиакрилонитрил, вискоза, термообработка,

коэффициент трения, износостойкость, трибология композитов, структура

являются композиты, армированные углеродными волокнами (УВ) [1-6].

Разнообразие областей применения материалов на основе УВ обусловлено

широким спектром их характеристик. УВ присущи экстремально высокие

значения модуля упругости и прочности, химическая и термическая стойкость,

низкий коэффициент линейного термического расширения, повышенные (по

сравнению с другими волокнами) тепло- и электропроводность, специфические

трибологические свойства (они могут быть использованы как во фрикционных

трибологические характеристики существенное влияние оказывает пленка

вторичных структур (ВС), формирующаяся в процессе трения из продуктов

систем в виду их низкой плотности, отличных теплофизических, механических

и трибологических характеристик [15]. Трибологические характеристики таких

композитов зависят от типов материалов, параметров торможения (давления,

скорости и т.д.), окружающей среды (температуры, влажности и т.д.) и

технологии их изготовления (обработки поверхности композитов) [16].

Структурные составляющие композитов, такие как матрица, волокна и их

расположение относительно поверхности трения также оказывают важное

результаты показали, что образующаяся на поверхности при различных

условиях торможения пленка ВС оказывает положительное влияние на

трибологические характеристики (коэффициент трения и износостойкость).

Авторами [19] с использованием СЭМ, ОМ и трехмерного цифрового

видеомикроскопа также было обнаружено образование третьего тела (пленки

ВС) на поверхности трения. Было установлено, что при увеличении

контактного давления происходит постепенный рост пленки. Данный процесс

приводит к формированию сплошной пленки, которая способствует

уменьшению коэффициента трения и сглаживанию процесса торможения.

уплотнителя в полости подшипника в системе вторичного потока авиационного

композитов. Трибологические характеристики антифрикционных композитов

существенно зависят от материала поверхности, с которым они контактируют.

После трибологических испытаний важно исследовать процесс массопереноса

материала контртела на поверхность композитов, так как данный факт будет

свидетельствовать о его изнашивании. При износе контртела в контактной зоне

образуются абразивные частицы, которые способствуют ухудшению

трибологических характеристик композитов. Таким образом важно подбирать

углеродных тканевых композита, изготовленных ООО «ГМК», г. Таганрог.

Материалы изготавливали методом прессования, пропитанного полимером

тканевого препрепрега с последующей термической обработкой (таблица 1).

Полученные таким образом заготовки уплотнялись методом осаждения

пироуглерода из газовой фазы и проходили финальный обжиг при различной

графитация).Образцы композитов были выполнены в виде дисков диаметром 40

порошком полимерного связующего пульвербакелит. Полученная смесь

подвергается прессованию, термофиксации, а затем пиролизу при температуре

900℃. В результате получается углеродная заготовка, обладающая сквозной

пористостью и достаточной механической прочностью для проведения еѐ

механической обработки. С помощью механической обработки углеродной

заготовке придаѐтся форма близкая к форме конечного образца, после чего

производится жидкофазное силицирование в вакууме при температуре около

1500℃.

Перед началом проведения экспериментов контртела были отполированы на

шлифовально-полировальном комплексе “TegraPol-25” до шероховатости Sa ≈

интенсивности изнашивания) углеродных композитов проводили на

лабораторном трибометреUMT-2 (Cetr, USA) по схеме полного контакта

фиксированном контактном давлении P = 0,5 МПа (F = 150 Н) и постоянной

скорости скольжения V = 0,5 м/с (n = 795 об/мин). В процессе испытания пары

трения, вследствие фрикционного разогрева, происходило повышение

температуры, достигающее значений T = 80…100°С. Измерение

композитов измерялся до и после эксперимента при помощи встроенного в

трибометр датчика линейного сближения образцов. Для достижения

достоверных результатов проводили трехкратное повторение эксперимента,

затем по методу среднеквадратичного отклонения вычисляли средние значения

и доверительный интервал на участках, соответствующих установившемуся

режиму трения (рис. 2 б). Испытание образцов осуществляли по заданной

оператором программе в автоматическом режиме.

Рисунок 2. Типичный вид записи коэффициента трения (кривая 1) и линейного

сближения образцов (кривая 2) на трибометре UMT-2, где а – этап приработки;

микроскопии

исследовании для сбора данных использоваликонфокальный объектив с

микроскопе (СЭМ) Quanta-650 (FEI, США) с энергодисперсионным

рентгеноспектральным микроанализатором EDAX (AMETEK, США). В данном

исследовании применяли детекторы вторичных и обратноотраженных

электронов. Использование двух детекторов дает возможность собрать более

полную информацию о состоянии поверхности. Так, работа во вторичных

электронах позволяет получить информацию о топографии, а в

обратноотраженных – визуализировать участки с различными фазовыми

Для анализа фрикционно-износных характеристик композитов, полученные

экспериментальные данные были представлены в виде диаграммы (рисунок 3)

зависимости интенсивности изнашивания Ihи коэффициента трения μ от

материалов пары образцец-контртело (стальноеконтртело –рис 3а,

керамическое – рис 3б).

присутствует большое количество пор. Из результатов рентгеноспектрального

анализаследует (см. таблицу 4), что в процессе трения поры заполняются

частицами износауглеродных композитов (являющимися абразивом), тем

самым минимизируя их присутствие в зоне контакта, что благоприятно

сказывается на износостойкости исследуемой пары.СЭМ-изображения

поверхности до и после трения (рисунок 6 в,г) иллюстрируют, что на

появляются характерные полосы, направленные вдоль направления трения.

керамического контртелапосле трибологических испытаний составляют Sa=

сравнению с исходной поверхностью (Sa ≈ 0,030 мкм).

Рисунок 7. СЭМ-изображение поверхности образцов после трибологических

Таблица 5. Химический состав поверхности образцов после трибологических

низкий, по сравнению с образцами 1 и 3, коэффициент трения (см. диаграмму

на рисунке 3 б).Рентгеноспектральный анализ показал,что наповерхности

композитов имеются лишь небольшие частички, по химическому составу

соответствующие материалу контртела (на рисунке 7 указаны стрелками).

Данный факт свидетельствует о том, что массоперенос элементов с

керамического контртела отсутствует, т.е. оно практически не изнашивается,

что объясняет низкие значения коэффициента трения и интенсивности

изнашивания.

Заключение.

показателем, влияющим на трибологические характеристики.

Интенсивность изнашивания и коэффициент трения у композитов после

графитации имеют меньшие значения по сравнению с образцами после

карбонизации.Показано, что на поверхности всех композитов в составе

пленки вторичных структур содержится железо, перенесенное в

результате массопереноса с контртела. Однако, на поверхности образцов

влияющим на трибологические характеристики, является материал

препрега. У композитов на основе вискозного препрега образуется более

плотная и равномерная пленка вторичных структур, что обеспечивает

более низкие значения интенсивности изнашивания и коэффициента

трения по сравнению с композитами на основе ПАН препрега.

с керамическим контртелом демонстрируют лучшие значения по

сравнению со стальным. При трении в паре углеродный композит –

стальпроисходит заметный износ контрела, в отличие от пары

снижающая трения и износ. В используемых в технике трибоспряжениях

его термообработкой при повышенной температуреТ>2000 ºС. Тем не

менее, при наличии соответствующей технической возможности следует

выражают благодарность ИФФТ РАН им. Ю.А. Осипьяна за предоставленные

образцы высокопрочной керамики.

Финансирование. Работы выполнена при финансовой поддержке гранта

РНФ 19-19-00548-П.

Конфликт интересов: Авторы заявляют, что у них нет конфликта

интересов.

TransportationResearchProcedia. 2023. V. 68.P. 264-270.

Zhu. // Tribology International. 2023. V. 185.P. 108483. Doi:

10.1016/j.triboint.2023.108483.

J.Z., Raju K., Sugahara T., Fujihara K., Zushi H., Liu J.L. // Composites Part

A: Applied Science and Manufacturing. 2023.P. 107590. Doi:

10.1016/j.compositesa.2023.107590.

Doi: 10.1016/j.triboint.2015.05.023.

869.Doi: 10.1016/j.carbon.2015.08.100.

Wear. 2014. V. 319.P. 145–149.Doi: 10.1016/j.wear.2014.07.023.

10.1016/j.wear.2021.203682.

С. 43-60.

Kirichenko A.N. // Journal of Friction and Wear. 2022. V.43.№5. P. 491–501.

Doi: 10.3103/S1068366622050026.

Wear. 2010.V. 270.P. 95–103. Doi: 10.1016/j.wear.2010.09.010.

CeramicsInternational. 2015. V. 41. P. 11733–11740. Doi:

2.С. 43-60.

№ 12. С. 1871-1878.