Розробка і дослідження наномодифікованих композиційних фторопластових матеріалів триботехнічного призначення

This paper reports the analytical and experimental studies aimed at designing and modeling fluoropolymer anti-friction materials. The optimal ratios of the total surface of polymer particles to the total surface of filler particles for different brands of fluoropolymer-4 have been determined, as well as the critical concentrations of the modifiers of fluoropolymer anti-friction materials. The calculations of antifriction carboplastics' elasticity modules indicate the existence of adhesion between carbon fiber and polytetrafluoroethylene. When constructing composites that combine high durable and tribotechnical characteristics, it is advisable to combine modifiers with different dispersion and polymer-oligomeric matrices, which enables the implementation of the principle of multilevel modifying. It has been established that the adhesion between carbon fiber and polytetrafluoroethylene can be improved by applying a fluoropolymer coating onto the surface of carbon fibers or by modifying with zirconium oxide nanopowders. The binary fluoropolymer matrix applied to the surface of carbon fiber can be used as an effective base for composite materials. This study has demonstrated that filling polytetrafluoroethylene (PTFE) with coke, carbon fibers (18‒19.5 % by weight), and zirconium oxide nanopowders in the amount of up to 2 % by weight produces materials with high mechanical characteristics and durability. It has been shown that the existence of an oligomer component improves the thermodynamic compatibility at the interface and promotes the plasticization of the PTFE boundary layers. Molecular structure with a certain orientation of coke and carbon fiber in the interphase areas is inherent in the materials with improved physical and mechanical propertiesВыполнены аналитические и экспериментальные исследования для конструирования и моделирования фторопластовых антифрикционных материалов. Определенны оптимальные соотношения суммарной поверхности частиц полимера к суммарной поверхности частиц наполнителя для разных марок фторопласта-4 и критические концентрации модификаторов фторопластовых антифрикционных материалов. Расчеты модулей упругости антифрикционных карбопластиков свидетельствуют о наличии адгезии между углеродным волокном и политетрафторэтиленом. При создании композитов, которые сочетают высокие прочностные и триботехнические характеристики, целесообразно сочетание модификаторов разной дисперсности и полимер-олигомерные матрицы, что обеспечивает реализацию принципа многоуровневого модифицирования. Установлено, что адгезия между углеродным волокном и политерафторетиленом может быть увеличена в результате нанесения на поверхность углеродных волокон фторопластового покрытия или модификацией нанопорошками оксида циркония. Бинарная фторопластовая, нанесенного на поверхность углеродного волокна, может быть использована в качестве эффективной основы для композиционных материалов. Проведенные исследования показали, что наполнение политетрафторетилена (ПТФЕ), коксом, углеродными волокнами (18–19,5 мас. %) и нанопорошками оксидов циркония в количестве до 2 масс. % приводит к получению материалов, которые владеют высокими механическими характеристиками и износостойкостью. Показано, что наличие олигомерного компонента повышает термодинамическую совместимость на границе раздела и способствует пластифицированию граничных слоев ПТФE. Материалам с улучшенными физико-механическими свойствами отвечает молекулярная структура с определенной ориентацией кокса и углеродного волокна в межфазных участкахВиконані аналітичні та експериментальні дослідження для конструювання і моделювання фторопластових антифрикційних матеріалів. Визначені оптимальні співвідношення сумарної поверхні частинок полімеру до сумарної поверхні частинок наповнювача для різних марок фторопласту-4 і критичні концентрації модифікаторів фторопластових антифрикційних матеріалів. Розрахунки модулів пружності антифрикційних карбопластиків свідчать про наявність адгезії між вуглецевим волокном і політетрафторетиленом. При створенні композитів, що поєднують високі міцнісні і триботехнічні характеристики, доцільно поєднання модифікаторів різної дисперсності і полімер-олігомерні матриці, що забезпечує реалізацію принципу багаторівневого модифікування. Встановлено, що адгезія між вуглецевим волокном і політерафторетиленом може бути збільшена в результаті нанесення на поверхню вуглецевих волокон фторопластового покриття або модифікацією нанопорошками оксиду цирконію. Бінарна фторопластова матриця, нанесеного на поверхню вуглецевого волокна, може бути використана як ефективна основа для композиційних матеріалів. Проведені дослідження показали, що наповнення політетрафторетилену (ПТФЕ), коксом, вуглецевими волокнами (18–19,5 мас. %) і нанопорошками оксидів цирконію в кількості до 2 мас. % приводить до отримання матеріалів, що володіють високими механічними характеристиками і зносостійкістю. Показано, що наявність олігомерного компонента підвищує термодинамічну сумісність на межі розділу і сприяє пластифікуванню граничних шарів ПТФЕ. Матеріалам з покращеними фізико-механічними властивостями відповідає молекулярна структура з певною орієнтацією коксу і вуглецевого волокна в міжфазних ділянка

Обмінна взаємодія і моделі контактної генерації збурень в трибосистемах

The physical mechanisms have been investigated that form and transform the corpuscular-vortex-wave thermal complexes of disturbances in contact tribosystems based on the quantum-mechanical exchange interaction. The presence of a contact gap determines the generation of pairs of quasi-particles-disturbances stabilized by wavelength and frequency. Internal instability and collapse processes in such a system of disturbances lead to the formation of defects in a tribopair's material and underlie the emergency friction regimes. This paper gives specific technical examples of the generation of thermal complexes at fretting, during the friction of sliding and rolling, and at cutting. It has been established that the destructive nature of the process of fretting at low values of reverse sliding speeds is caused by the generation and collapse of the corpuscular-vortex-wave thermal complexes. An example of acoustic friction emission in the ultrasonic region of the spectrum has been used to show the quantum nature of the disturbances generated by friction. The high-frequency spectrum of acoustic emission corresponds to the unbalanced composition of the disturbances and leads to the formation of wear particles. The exchange interaction in a tribosystem involving rolling on the plane has been considered. The results of statistical analysis of such rolling showed the existence of the effect of negative friction caused by the quantum generation of longwave disturbances. It has been demonstrated that the collapsed component of the generation of disturbances is significantly increased under the modes of materials destruction, including when cutting the materials. The corpuscular-vortex-wave mechanism of selective transfer and hydrogen wear in tribosystems has been described. It is shown that the properties of a servovite film under the mode of selective transfer are provided by the collapse processes in the system of disturbances. Similar processes at the vortex-wave transfer of hydrogen atoms in metals lead to the wear and destruction of the surface layer of frictionРассмотрены физические механизмы образования и трансформации корпускулярно-вихреволновых термокомплексов возмущений в контактных трибосистемах, основанные на квантово-механическом обменном взаимодействии. Наличие контактного разрыва определяет генерацию пар квазичастиц-возмущений, стабилизированных по длине волны и частоте. Внутренняя неустойчивость и коллапсные процессы в такой системе возмущений ведут к дефектообразования в материале трибопары и лежат в основе аварийных режимов трения. Приведены конкретные технические примеры генерации термокомплексов при фреттинге, трении скольжения и качения, резании. Установлено, что разрушительный характер процесса фреттинга при низких значениях скоростей реверсивного скольжения обусловлен генерацией и коллапсом корпускулярно-вихреволновых термокомплексов. На примере акустической эмиссии трения в ультразвуковой области спектра показан квантовый характер возмущений, генерируемых трением. Высокочастотный спектр акустической эмиссии соответствует неравновесному составу возмущений и приводит к формированию частиц износа. Рассмотрено обменное взаимодействие в трибосистеме с качением по плоскости. Результаты статистического анализа такого качения показали наличие эффекта отрицательного трения, вызванного квантовой генерацией длинноволновых возмущений. Показано, что коллапсная составляющая генерации возмущений значительно усиливается в режимах разрушения материалов, в том числе при резании материалов. Описан корпускулярно-вихреволновой механизм избирательного переноса и водородного изнашивания в трибосистемах. Показано, что свойства сервовитной пленки в режиме избирательного переноса обеспечиваются коллапсными процессами в системе возмущений. Аналогичные процессы при вихреволновом переносе атомов водорода в металлах приводят к изнашиванию и разрушению поверхностного слоя тренияРозглянуто фізичні механізми утворення і трансформації корпускулярно-віхрехвильових термокомплексів збуджень в контактних трибосистемах, засновані на квантово-механічній обмінній взаємодії. Наявність контактного розриву двох термостатів з різними знаками абсолютної температури визначає генерацію пар квазічастинок-збурень, стабілізованих по довжині хвилі і частоті. Внутрішня нестійкість і колапсні процеси в такій системі збурень ведуть до дефектоутворення в матеріалі трибопари і є причиною аварійних режимів тертя. Наведено конкретні технічні приклади генерації термокомплексів при фреттингу, терті ковзання і кочення, різанні матеріалів. Встановлено, що руйнівний характер процесу фреттингу при низьких значеннях швидкостей реверсивного ковзання обумовлений генерацією і колапсом корпускулярно-віхорхвильових термокомплексів. На прикладі акустичної емісії тертя в ультразвукової області спектру показаний квантовий характер збурень, що генеруються тертям. Високочастотний спектр акустичної емісії відповідає нерівноважному складу збурень і призводить до формування частинок зносу. Розглянута обмінна взаємодія в трибосистемі з коченням тіла по площині. Результати статистичного аналізу такого кочення показали наявність ефекту від`ємного тертя внаслідок квантової генерації довгохвильових збурень. Показано, що колапсна складова генерації збурень значно посилюється в режимах руйнування матеріалів, в тому числі при різанні матеріалів. Описано корпускулярно-віхорхвильовий механізм вибіркового перенесення і водневого зношування в трибосистемах. Показано, що властивості сервовітної плівки в режимі вибіркового перенесення забезпечуються колапсними процесами в системі збурень. Аналогічні процеси при віхрехвильовому перенесенні атомів водню в металах призводять до зношування і руйнування поверхневого шару терт

Exchange Interaction and Models of Contact Generation of Disturbances in Tribosystems

The physical mechanisms have been investigated that form and transform the corpuscular-vortex-wave thermal complexes of disturbances in contact tribosystems based on the quantum-mechanical exchange interaction. The presence of a contact gap determines the generation of pairs of quasi-particles-disturbances stabilized by wavelength and frequency. Internal instability and collapse processes in such a system of disturbances lead to the formation of defects in a tribopair's material and underlie the emergency friction regimes. This paper gives specific technical examples of the generation of thermal complexes at fretting, during the friction of sliding and rolling, and at cutting. It has been established that the destructive nature of the process of fretting at low values of reverse sliding speeds is caused by the generation and collapse of the corpuscular-vortex-wave thermal complexes. An example of acoustic friction emission in the ultrasonic region of the spectrum has been used to show the quantum nature of the disturbances generated by friction. The high-frequency spectrum of acoustic emission corresponds to the unbalanced composition of the disturbances and leads to the formation of wear particles. The exchange interaction in a tribosystem involving rolling on the plane has been considered. The results of statistical analysis of such rolling showed the existence of the effect of negative friction caused by the quantum generation of longwave disturbances. It has been demonstrated that the collapsed component of the generation of disturbances is significantly increased under the modes of materials destruction, including when cutting the materials. The corpuscular-vortex-wave mechanism of selective transfer and hydrogen wear in tribosystems has been described. It is shown that the properties of a servovite film under the mode of selective transfer are provided by the collapse processes in the system of disturbances. Similar processes at the vortex-wave transfer of hydrogen atoms in metals lead to the wear and destruction of the surface layer of frictio