CC BY
15
УДК 621.891
Ю.К. Машков, О.В. Кропотин
Омский государственный технический университет, г. Омск
СОЗДАНИЕ СТРУКТУРНОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ СИНТЕЗА И ЭВОЛЮЦИИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ТРИБОСИСТЕМ
Анализ результатов экспериментальных исследований в области разработки композиционных материалов (КМ) показывает, что в настоящее время не существует общего подхода в объяснении физико-химических процессов структурообразования как полимерных, так и металлических КМ, и рекомендаций по выбору типа и химического состава матрицы и наполнителей. При этом известные модели процессов эволюции поликристаллических материалов [1,2] не позволяют раскрыть механизмы формирования структуры КМ в условиях жидкофазного или твердофазного синтеза, а также в процессе эксплуатации.
При структурно-энергетическом подходе с позиций термодинамики неравновесных процессов при анализе эволюции термодинамических систем привлекается термофлуктуаци-онная теория прочности, согласно которой долговечность нагруженного тела, как фундаментальная характеристика механической прочности отражает усредненную скорость протекания процесса разрушения, связанного с накоплением дефектов и повреждений в структуре твердого тела. Основная закономерность, связывающая напряжение, абсолютную температуру и долговечность описывается известным уравнением С.Н. Журкова [3].
В процессе нагружения трением поверхностные слои трущихся тел испытывают напряжение различного вида (сжатие, изгиб, растяжение) и значительные деформации, приводящие к зарождению и накоплению микродефектов и структурно-фазовым превращениям, которые сопровождаются изменением свободной поверхностной энергии, внутренней энергии, энтропии и других термодинамических параметров [4]. Аналогичные процессы наблюдаются и при формировании структуры КМ на этапе прессования и термообработки композиций: деформация и трение частиц компонентов, структурно-фазовые превращения в матрице КМ. К названным процессам добавляются диффузия, массоперенос, деструкция матрицы, синтез новых фаз[4, 5].
Исходя из рассмотренных положений и результатов исследований эволюцию структурно-энергетического состояния КМ в процессе их синтеза можно представить в виде модели с двумя уровнями внутренней энергии (рис.1).
В исходном состоянии смесь компонентов как термодинамическая система имеет исходную структуру с уровнем энергии Е0. В процессе прессования вследствие деформации и трения частиц, активации и частичного разрушения, сопровождающихся диссипацией энергии, система переходит в новое напряженно-деформированное и неустойчивое состояние с меньшим уровнем энергии Е1. Это состояние в процессе термообработки (спекания) сменяется более устойчивым состоянием с меньшим уровнем энергии Е2 за счет образования энергетически выигрышных структур связующей фазы. Процесс эволюции энергетического
389
состояния системы завершается синтезом метастабильной структуры композиционного материала с уровнем энергии Е2.
Е
< исходная равновесная
структура компонентов
напряжеЙтмц^ формированная
структура компонентов \ 1 \
1 ^ч метастабильная структур а4"^^^
1 композита _^
г, С
Рис. 1. Модель эволюции структурно - энергетического состояния системы -
композиционного материала
В соответствии с рассмотренной моделью при синтезе композиционных материалов разработаны физические модели процессов формирования структуры твердосплавного композита на основе карбида титана (Т1С) и полимерного композита на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) [6, 7].
Механизм процесса эволюции системы в условиях эксплуатации рассмотрим на примере металлополимерной трибосистемы, включающей металлическое контртело и сопряженное тело из ПКМ на основе ПТФЭ с наполнителями в виде измельченного углеродного волокна, порошков бронзы и дисульфида молибдена.
В условиях трения на ПКМ воздействует механическая нагрузка в виде контактного
давления р и скорости скольжения у , которые вызывают упруго-пластическую деформацию £ поверхностного слоя, сопровождающуюся внутренним трением и формированием
поля напряжения а . Под влиянием £ и а в поверхностных слоях развиваются процессы структурно-фазовых превращений, характеризуемых изменением степени кристалличности
К . Одновременно идет процесс повышения температуры и накопления теплоты Q( т ) . Повышение температуры и деформация вызывают активацию процессов формирования слоистой надмолекулярной структуры и аморфизации ПТФЭ, определяемых энергией активации
Е
ам. Развитие активационных процессов сопровождается также разложением бронзы, амор-физацией меди и синтезом новых фаз, определяемых энтальпией трибохимических реакций ДН
тх.
ДЕ
Накопление внутренней энергии при трении в поверхностном слое ПКМ и пленке фрикционного переноса (ПФП) приводит систему к предельному неравновесному состоянию, при котором происходит диссипативный фазовый переход с образованием диссипатив-ной трибоструктуры, например термотропных жидких кристаллов и рентгеноаморфной меди [6, 7]. В процессе трения в условиях повторяющегося значительного деформирования на
390
микровыступах металлического контртела в пленке фрикционного переноса и поверхностном слое ПКМ накапливается внутренняя энергия ДЕ и по достижении критической плотности внутренней энергии происходит разрушение в виде износа пленки. Продукты изнашивания уносятся из зоны контакта, реализуя функцию обмена веществом и энергией с окружающей средой. Обнаженные участки контртела вновь вступают в адгезионное взаимодействие с поверхностью полимерной детали, и процесс частичного разрушения и восстановле-
ния пленки фрикционного переноса и диссипативных структур периодически повторяется.
Следовательно, в процессе фрикционного взаимодействия в композиционных материалов на основе ПТФЭ идут сложные физико-химические процессы структурно-термодинамической самоорганизации, включающие частичную деструкцию полимера, разложение компонентов, синтез новых фаз химических соединений, аморфизацию полимера и металлического наполнителя, изменение межслоевого расстояния в аморфной фазе ПТФЭ.
На основе результатов исследований и разработок, опубликованных в течение последних двадцати пяти лет [4-10] можно сформировать основные положения структурно-термодинамической теории синтеза и эволюции композиционных материалов трибосистем .
1. Композиционные материалы и трибосистемы, как открытые термодинамические системы, характеризуются определенными структурными и термодинамическими параметрами (критериями), определяющими их свойства. Следовательно, полная характеристика таких систем возможна только с использованием структурных и термодинамических критериев.
2. Формирование структуры композиционных материалов трибосистем не зависимо от физической природы матрицы - связующей фазы (металлическая или полимерная) при внешнем энергетическом воздействии в условиях твердофазного или жидкофазного синтеза сопровождается диссипацией и снижением уровня энергии системы и переходом ее в более устойчивое состояние с образованием метастабильной структуры.
3. Энергетическое воздействие любого вида (механические, тепловые, химические и т.д.) на этапах синтеза и эксплуатации композиционных материалов трибосистем приводит к эволюции системы с развитием физико-химических процессов, сопровождающихся изменением фазового состава, структуры матрицы и компонентов и их энергетического состояния (внутренняя энергия, свободная поверхностная энергия фаз), при этом изменяются степень упорядоченности и энтропия системы.
4. В условиях эксплуатации металополимерных трибосистем создаются потоки энергии и вещества, благодаря которым развиваются процессы самоорганизации более упорядоченных диссипативных трибоструктур, например, жидкокристаллических, обладающих более высокой износостойкостью при минимальном производстве энтропии в стационарном состоянии системы.
Библиографический список
1. Бершадский, Л. И. Трение как термомеханический феномен [Текст] / Л. И. Бершад-ский // Докл. АН УССР. Сер. А. -1977. - № 6. - С. 186-190.
2. Костецкий, Б. Н. Структурно-энергетическая приспосабливаемость материалов при трении [Текст] / Б. Н. Костецкий // Трение и износ. -1985. -№ 2. - С. 201-212.
3. Журавлев, В. А. Термодинамика необратимых процессов в задачах и решениях [Текст] / В. А. Журавлев. - М. : Наука, 1979.
4. Машков, Ю.К. О структурно - энергетическом механизме развития металлополи-мерных трибосистем [Текст] / Ю. К. Машков, Л. Н. Поцелуева // Долговечность трущихся деталей машин. - 1988. - Вып. 3. - С. 28-35.
391
5. Машков, Ю. К. Структурно - энергетическая самоорганизация и термодинамика ме-таллополимерных трибосистем [Текст] / Ю. К. Машков // Долговечность трущихся деталей машин. - 1990. - Вып. 4. -С. 219-244.
6. Машков, Ю. К. О структурно - энергетическом механизме синтеза твердосплавных безвольфрамовых композитов [Текст] / Ю. К. Машков, В. А. Акимов, З. Н. Овчар // Материаловедение. -2004. -№ 11. -С. 35-40.
7. Машков, Ю. К. Структурно - энергетическая самоорганизация в процессах синтеза и трения композитов на основе политетрафторэтилена [Текст] / Ю. К. Машков, О. А. Мамаев, В. И. Суриков // Трение и износ. - 2002. - Т.23, № 6. - С. 661-665.
