УДК 620.186.4
МОДИФИКАЦИЯ ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИТОВ
МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ.
1,*111, 1,
111, 2,
1 Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН, Москва, 119526, Россия
2 ООО «ГМК», Таганрог, 347913, Россия
*kel-a-kris@list.ru
Проведено исследование композитного материала на основе углеродной ПАН ткани и
матрицы, полученной методом осаждения из газовой фазы. Образец исследуемого материала
был подвергнут обработке лазерным излучением, в результате чего температура его
поверхностного слоя кратковременно достигала 2800-3000 °C. Также отдельный образец
композита был подвергнут термической обработке при температуре >2000ºС. Для
подготовленных таким образом композитных образцов были получены коэффициенты трения и
изнашивания в паре со стальным и керамическим контртелами. Поверхность композитов после
трения была исследована методом сканирующей электронной микроскопиис
рентгеноспектральным анализом с целью определения особенной механизмов трения и
изнашивания модифицированных материалов. Установлено, что лазерная обработка
значительно улучшает антифрикционные свойства углеродного композита в паре со
стальнымконтртелом (уменьшение коэффициента трения в два раза, уменьшение износа в три
раза). Так же выявлено, что лазерная обработка значительно меняет структуру плѐнки,
образующейся на поверхности трения композитов в паре со сталью.Из еѐ состава исчезает
материал контртела, она становится толще и плотнее, полностью покрывая поверхность
композита.Это позволяет поверхностной плѐнке в большей степени проявлять твѐрдосмазочные
и противоизносные свойства, улучшая трибологические характеристики композита.
1.Введение.
[1]
[2].
[3].
[4].
-
5
-
,
[6].
2. Исследуемыетрибологическиекомпозиты.
.
-
-
-
.
Таблица 1. Виды исследуемых композитов и особенности их изготовления.
1
-
<
2
-
>
3
-
<
-
[7]
[8]
1..50
0 1 2 3 4 5
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.10
dV/d(logr), cm3/cm3
logR, nm
octane
water
Рисунок 1 –Дифференциальные кривые распределения приведѐнных радиусов пор по октану ( ) и
воде (●) материала Хардкарб-ТП в логарифмическомотбражении.
3. Параметры лазерной обработки углеродного композита.
.
ComsolMultiphysics [9 Heattransferinsolids
[10].
Cp = 710 ( = 1280 3,
λII = 35 (
λ
= 4 (.
0..3000 °C [11].
-3000 °C.
. 27 °.
= 1,08
,
12, 13].
RaycusRFL-C6000 [14]
10] :
=0 2
010
, (1)
I0 2), r0
r0 = 1,5 0C
50
2.
-
3000 °C
r0 = 1,5
P = 200
Рисунок 2. Установившееся распределение температуры вглубь образца в процессе обработки
излучением мощностью P = 200 Вт со скоростью обработки 5 мм/с и радиусом пятна
r0 = 1,5 мм. Размер области 2,8х1 мм2, шаг сетки 0,1 мм. Время после начала обработки 7 с.
Направление движения пятна слева направо.
-
,
2800 0C
4. Реализация процессалазерной обработки в среде защитного газа
,
.
Рисунок 3. Схема циркуляции защитного газа аргона вокруг образца в процессе лазерной
обработки. Аргон подается снизу вверх вокруг боковой поверхности образца и сверху вниз на
обрабатываемую поверхностькоаксиально потоку лазерного излучения, показанному красными
стрелками. Направления потоков защитного газа показаны чѐрными стрелками.
,
, .-
5. Методика трибологических испытаний
- . 4).
F = 150 V = 0,5 .
=
=
,
Рисунок 4. Принципиальная схема трибологических испытаний.
1 – самоустанавливающийся держатель, 2 – оснастка для крепления контртела, 3 –
контртело, 4 – углеродный диск, 5 – оснастка для крепления диска.
6. Результаты трибологических испытаний.
. 5
0
1
2
3
4
5
6
7
Ih, мкм/км
сталь керамика
1 2 3 321
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
m
сталь керамика
1 2 3 321
Рисунок 5. Зависимость интенсивности изнашивания (слева) и коэффициента трения (справа) от
материала контртела (сталь, керамика): 1. Хардкарб-ТП; 2. Хардкарб-ТПГ; 3.Хардкарб-ТП после
лазерной обработки.
[15]
7. Структура поверхности трения композита.
[16, 17].
6 .
a
b
c
1 (b); 3
(c);
-)
-),
-
)
2
a
b
c
7. -
1
(b); 3 (c);
2
C
O
Cr
Fe
1
1
80,09
19,87
0,01
0,03
2
11,90
29,56
6,90
51,64
3
47,72
30,19
2,44
19,65
4
34,08
35,19
3,46
27,27
2
1
75,22
24,75
0,01
0,02
2
76,58
18,96
0,66
3,81
3
75,40
20,62
0,66
3,32
3
1
73,39
26,61
-
-
2
78,46
21,36
-
-
3
75,31
24,69
-
-
)
15].
8. Выводы
)
.
0C 30000C
0C.
[4, 8] ,
.
Благодарности
Финансирование
-19-00548-).
Литература.
1. Sarower K., Chowdhury A.S., Sazzad H.A., Imtiaz A.C., Faiz A. Review of the developments
in composite materials over the last 15 years // Reference Module in Materials Science and
Materials Engineering. 2023
2. Cheng H., Xue N.J., Hou W.Q. The application and development of carbon/carbon composites
in aircraft and high-speed train braking systems // Carbon. 2020 (184), 3033.
3. Lu, F.; Lu, L.; Liu, J.; Pang, X.; Song, C. Tribological Properties and Wear Mechanism of C/C
Composite Applied in Finger Seal. Machines 2023, 11, 176.
4. Bukovskiy, P.O., Morozov, A.V., Kulakov, V.V. et al. High-Temperature Tribotechnical
Properties of CarbonCarbon Friction Composites. J. Frict. Wear 43, 322329 (2022).
5.
-06-001208-5.
6. Al-Sulaiman, F. &Yilbas, Bekir. Lasertreatmentof a carbon/carbonreinforcedcomposite.
Lasers in Engineering. (2005). 15. 119-127.
7. Y. M. Volfkovich, A. V. Sakars, A. A. Volinsky.
2005, pp. 292-302.
8.
9. https://www
10.
-
-
14 . ISBN 978-5-91741-261-0 EDN QYWHWB.
11. Shpenev, A.G. The Influence of the Thermoelastic Instability on the Wear of Composite Brake
Discs. J. Frict. Wear 42, 3037 (2021). https://doi.org/10.3103/S1068366621010104
12.
-186.
13.
520.
14. -rfl-c6000 // 19.07.2023.
15.
16. Shpenev A.G., Muravyeva T.I., Shkalei I.V., Bukovskiy P.O. Influence of the Surface Film
(Third Body) on the Friction and Wear Process of Carbon-Fiber Composites // Journal of
Surface Investigation. 401
17. Hua Su, Chuding Zhang, Shan Sun.
Researchonthewearmodelofcarbon/carboncompositefingerseal // Wear, Vol. 476, 2021,
203682
