О термодинамике трения политетрафторэтилена и его композиций

В работах [1–8] рассматривается возможность использования концепции термодинамического анализа производства энтропии для изучения сложных процессов трения и износа. Во время этих процессов происходит преобразование механической работы или кинетической энергии в другие виды работы и энергии: тепловую, работу преодоления межмолекулярного взаимодействия сопряженных тел; энергию, связанную с пластической деформацией (изменение размера формы, перестройка кристаллической решетки) либо с разрушением (микротрещины), износом материалов, сопровождающимся выносом продуктов износа из зоны трения. Помимо энергетического характера процессы трения и износа протекают с диссипацией энергии [7], а также при температурном и химическом неравновесии, часто с возникновением химических реакций [1]. Эти процессы также относятся к группе необратимых термодинамических процессов и их анализ проводят через II закон термодинамики, т. е. через баланс энтропии [1, 2].

По данным работ [1–10], для стабилизации энтропии или сокращения ее производства по времени при продолжительном трении в узкой зоне сопряжения трущихся материалов возникают вторичные структуры (третье тело). В этой узкой зоне вторичных структур и концентрируется большая часть энергии. С появлением вторичных структур энтропия в зоне сопряжения трущихся тел снижается. Следовательно, процесс образования вторичных структур, приводящий к снижению коэффициента трения, интенсивности изнашивания, может соответствовать процессу самоорганизации и образованию диссипативных структур [9].

Целью данной работы является термодинамический анализ трибосистемы, включающей стальное контр-тело – композиционный политетрафторэтилен.

Материалы и методы исследования

Трибоиспытания композиционного политетрафторэтилена проводили на воздухе по схеме вращающийся вал – неподвижный частичный вкладыш на машине трения СМТ-1 (р=1 МПа, V=3 м/с). В качестве контртела использовали втулку из стали 45 с диффузионно-борированным покрытием.

Термический анализ образцов проводили методами термогравиметрии и дифференци-ально-сканирующей калориметрии на синхронном термическом анализаторе STA 449 C Jupiter (Netzsch, Германия), скорость нагрева - 5 °/мин.

Результаты исследования и их обсуждение

Любой узел трения или сопряженная пара трения является открытой системой, будь то режущий инструмент и обрабатываемая заготовка [8], токосъемная вставка электровозов, скользящая по проводу [7], металлофторопластовый материал в подшипнике скольжения [10].

Согласно работе И.Л. Пригожина энтропия отрытой системы имеет вид:

dS>dQ/T,

• т. е. ее дополняет прохождение процессов внутри системы, и ее выражение записывается: dS=dS е +dS i ,

где dS e – изменение энтропии системы, обусловленное обменом энергией и веществом с окружающей средой; dS i – изменение энтропии, обусловленное необратимыми процессами внутри системы.

Рассмотрим dS e для открытой системы, которое по работе [1] имеет вид: dU + pdV dSe =          + (dSe) вещ.

При достижении безызносности пары трения твердых тел dV=0, и (dS e ) вещ также стремится к нулю. Получаем энтропию закрытой системы:

dS e =dQ/T, 115

где dQ – подводимая к системе теплота, которая, согласно работам по трибологии [11–13], равна произведению коэффициента трения, нагрузочно-скоростного фактора pV и коэффициента уменьшения этого произведения k, который может достигать значения 0,8.

Так, при трении композиционного политетрафторэтилена (ПТФЭ) с содержанием меди или свинца по стальному контртелу, уже в начальный момент трения фиксируются фториды металлов [10]. Энергия связи фтора с металлами меньше энергии связи С-F [14]. Идет расход энергии на отрыв фтора от молекулярной цепи ПТФЭ. Однако этот процесс недолговременный, но может сказаться на стабилизации производства энтропии.

При трении чистого ПТФЭ в виде монолитного подшипника по металлам характерным признаком является его низкий коэффициент трения, обусловленный относительно слабой энергией связи межкристаллической структуры полимера. Поэтому продукты износа ПТФЭ представляют собой хлопья, размер которых определяется невооруженным глазом. При трении композиционного ПТФЭ продукты износа значительно уменьшаются в размерах.

Вероятно, введение в полимерную матрицу наполнителей приводит не только к ее структурированию [15], но и к возможному механическому разрушению молекулярной решетки полимера при внешнем воздействии. Снижается молекулярная масса полимера, уменьшаются его теплоемкость и температура плавления.

Показано (рис.), что при трении композиционного ПТФЭ в сопряженной зоне образуются вторичные структуры (третье тело) при температуре ниже температуры плавления полимера (327 ° С) [16, 17].

Рисунок – График термического анализа и дифференциально-сканирующей калориметрии продуктов трибодеструкции металлофторопластовой пары

Как правило, система не достигает равновесия из-за вмешательства внешних факторов, таких как нагрузка, скорость, температура и т. д. Поэтому для предотвращения роста энтропии на границе раздела сопряженной пары образуется высокоупорядоченное промежуточное третье тело. Образование промежуточного третьего тела является реакцией системы на внешнее воздействие с целью снижения скорости изнашивания, т. е., изменяя внешние факторы, можно увеличить вероятность образования третьего тела, тем самым снизив скорость изнашивания.

Для увеличения ресурса подшипников скольжения при эксплуатации в экстремальных условиях (высокие или низкие температуры, отсутствие смазки при повышенном нагрузочно- скоростном факторе, вакуум) при триботехнических испытаниях разработанных нами материалов установлен период продолжительного стационарного состояния со сравнительно пониженным износом [16, 17].

Заключение

Применение термодинамического подхода в области трибологии открывает новые возможности научных исследований для разработок материалов с улучшенными трибологическими характеристиками. Дальнейшие исследования формирования диссипативных структур (третьего тела) могут привести к разработке материалов, обладающих существенно улучшенной износостойкостью.

Работа выполнена в рамках государственного задания Байкальского института природопользования РАН (проект №0273-2021-0007).