Об учете масштабных эффектов при моделировании механических и трибологических свойств двухфазных микро- и наномодифицированных полимерных покрытий

Автор: Бузник В.М., Лурье С.А., Волков-богородский Д.Б., Князева А.Г., Соляев Ю.О., Попова Е.И.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 4, 2015 года.

Бесплатный доступ

Моделируются механические и фрикционные свойства полимерных композиционных материалов, полученных на основе сверхвысокомолекулярных полиэтиленов, которые широко применяются в качестве узлов трения и уплотнительных элементов в различных видах современной техники и медицине. Рассматриваются двухфазные полимерные композиты, полученные путем модификации высокомолекулярных полимеров введением микро- и нанонаполнителей. Для таких материалов характерно явное проявление масштабных эффектов, заключающееся в немонотонной зависимости механических свойств и трибологических характеристик от концентрации наполнителя (включения) и характерного размера включений. В работе для учета масштабных эффектов предлагается использовать градиентные модели первого порядка, которые описывают не только нелокальные (градиентные) эффекты в объеме, но и адгезионные межфазные эффекты, оказывающие влияние на формирование переходных зон в окрестности границ фаз. Масштабные параметры и параметры адгезии градиентной модели механических свойств позволяют учитывать особенности рассматриваемых модифицированных полимеров, связанные с тем, что влияние наполнителей на свойства определяется не собственными свойствами наполнителя, а изменением морфологии полимера, т.е. формированием зон кристаллизации полимера в окрестности частиц наполнителя, распределенного по объему. Для моделирования фрикционных свойств наполненных высокомолекулярных полимеров с учетом масштабных эффектов предлагается модель, основанная на аналогии коэффициентов трения поверхностно-неоднородных структур с механическими характеристиками податливости неоднородного материала, когда «слабая» фаза определяет эффективные свойства. Показывается, что использование этой аналогии одновременно с использованием соотношений для эффективных податливостей периодического двухфазного композита, найденного в рамках градиентной модели упругости в одномерном приближении, позволяет хорошо описать характерные немонотонные зависимости коэффициента трения от концентрации наполнителя для рассматриваемых полимерных композитов. Представляется, что предложенные соотношения будут полезны для прогноза свойств проектируемых антифрикционных полимерных покрытий.

Еще

Полимерные композиты, микро/нановключения, масштабные эффекты, коэффициент трения, моделирование, механические свойства, градиентная теория

Короткий адрес: https://sciup.org/146211591

IDR: 146211591   |   УДК: 678.073   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2015.4.03

On account of scale effects in the simulation of mechanical and tribological properties of two-phase microand nanomodified polymer coatings

This work presents simulated mechanical and frictional properties of polymer composite materials derived from the ultra-high molecular weight polyethylenes which are widely used as units of friction and sealing elements in different types of modern technology and medicine. There authors considered the two-phase polymer composites obtained by modifying the high molecular weight polymers by introducing micro- and nanoinclusions. Such materials tend to clear manifestation of scale effects, consisting of the non-monotonic dependence of the mechanical properties and tribological characteristics on the inclusion concentration and on characteristic size of inclusions. In order to register the scale effects it is proposed in this work to use first order gradient models which describe not only the non-local (gradient) effects in volume but also interfacial effects that affect the formation of transition zones in the vicinity of phase boundaries. Scale and surface parameters of gradient model of mechanical properties allow to take into account the peculiarities of the considered modified polymers, associated with the fact that the effect of fillers on properties is determined not with the own properties of the filler, but with the change of polymer morphology, i.e. with the forming of polymer crystallization zones in the vicinity of particles of filler distributed in volume. In order to simulate scale effects on the frictional properties, we proposed a model based on the analogy of the friction coefficient of inhomogeneous surface structures with mechanical characteristics of compliance of inhomogeneous material, when the "weak" phase defines the effective properties. It is shown that the use of this analogy simultaneously with the use of relations for effective compliances of periodic two-phase composite, found under the gradient model of elasticity in the one-dimensional approximation, allows a good description of typical non-monotonic dependences of the friction coefficient on the concentration of filler for the considered polymer composites. It appears that the proposed equations will be useful for the prediction of the properties of designed anti-friction polymer coatings.

Еще

Список литературы Об учете масштабных эффектов при моделировании механических и трибологических свойств двухфазных микро- и наномодифицированных полимерных покрытий

  • О систематизации нанонаполнителей полимерных композитов/А.П. Краснов, В.Н. Адериха, О.В. Афоничева, В.А. Мить, Н.Н. Тихонов, А.Ю. Васильков, Э.Е. Саид-Галиев, А.В. Наумкин, А.Ю. Николаев//Трение и износ. -2010. -Т. 31, № 1. -С. 93-108.
  • Briscoe B.J., Sinha S.K. Wear of polymers//Proc. Inst. Mech. Eng. J. Eng. Tribol. -2002. -Vol. 216. -P. 401-413.
  • Полимерные нанокомпозиты: пер. с англ./под ред. Ю-Винг Май, Жонг-Жен Ю. -М.: Техносфера, 2011. -688 с.
  • Чердынцев В.В., Бойков А.А. Термическая устойчивость полимерных нанокомпозитов на основе свехвысокомолекулярного полиэтилена и полисульфона //Науковедение. -2013. -№ 4. -С. 1-8. -URL: www.naukovedenie.ru 12ТВН413.
  • Tribological behaviours of PA/UHMWPE blend under dry and lubricating condition/C.Z. Liu, J.Q. Wu, J.Q. Li, L.Q. Ren, J. Tong, A.D. Arnell//Wear. -2006. -Vol. 260. -P. 109-115.
  • Tribological behaviour of UHMWPE/HDPE blends reinforced with multi-wall carbon nanotubes/Y. Xue, W. Wu, O. Jacobs, B. Schdel//Polymer Testing. -2006. -Vol. 25. -P. 221-229.
  • Kuo Hsien-Chang, Jeng Ming-Chang. The influence of injection molding on tribological characteristics of ultra-high molecular weight polyethylene under dry sliding//Wear. -2010. -Vol. 268. -P. 803-810.
  • Briscoe B.J., Sinha S.K. Tribological applications of polymers and their composites: Past, present and future prospects//K. Friedrich, Alois K. Schlarb. Tribology of polymeric nanocomposites. -Elsevier, 2008. -P. 1-14.
  • Carbon nanofibre-reinforced ultra-high molecular weiht polyethylene for tribological applications/M.C. Galetz, T. Blar, H. Ruckdaschel, K.W. Sandler, V. Alstadt//Jornal of Applied Polymer Science. -2007. -Vol. 104. -P. 4173-4181.
  • A study of the tribological behavior of carbon-nanotube-reinforeed ultrahigh molecular weight polyethylene composites/Z. Wei, Y.-P. Zhao, S.L. Ruan, P. Gao//Surface and Interface Analysis. -2006. -Vol. 38. -P. 883-886.
  • Полимерные композиционные материалы в триботехнике/Ю.К. Машков, З.Н. Овчар, М.Ю. Байбарацкая, О.А. Мамаев; ООО «Недра-Бизнесцентр». -М., 2004. -262 с.
  • Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб. пособие/М.Л. Кербер, В.М. Виноградов, Г.С. Головкин ; под ред. А.А. Берлина. -СПб.: Профессия, 2008. -560 с.
  • Металлополимерные нанокомпозиты: получение, свойства, применение/В.М. Бузник, В.М. Фомин, А.П. Алхимов . -Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005. -Вып. 2. -258 с.
  • Охлопкова А.А., Гоголева О.В., Шиц Е.Ю. Полимерные композиционные материалы на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и ультрадисперных соединений//Трение и износ. -2004. -Т. 25, № 2. -С. 2002-2006.
  • Zhou J., Yan F. Improvement of the Tribological behavior of ultra-high-molecular weight polyethylene by incorporation of poly (Phenyl p-Hydroxyzoate)//J. of Applied Polymer Science. -2005. -Vol. 96. -P. 2336-2343.
  • Effect of aerosil organophilization on tribological properties of low-filled UHMWPE composites/V.N. Aderikha, V.A. Shapovalov, A.P. Krasnov, Yu.M. Pleskachevskii//J. Friction and Wear. -2008. -Vol. 29. -P. 318-323.
  • Processing and properties of MWNT/HDPE composits/Z. Vaobaug, F. Vongeheng, W. Lu, L. Viaobo//Carbon. -2004. -Vol. 42. -No. 2. -P. 271-277.
  • Influence of mechanical activation, ion implanta-Tion and type of filler on formation of transferfilm in tribounits of UHMWPE-based/S. Panin, L. Kornienko, V. Sergeev, S. Wannasri, S. Piriyayon, T. Poowadin, L. Ivanova, S. Shilko//Mechanics of Composite Materials. -2011. -Vol. 4. -No. 5. -P. 727-738.
  • Модифицирование сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) нанонаполнителями для получения антифрикционных композитов/С.В. Панин, В.Е. Панин, Л.А. Корниенко, Т. Пувадин, С. Пирияон, С.В. Шилько//Известия вузов. Химия и химическая технология. -2011. -Т. 54. -Вып. 7. -С. 102-106.
  • Nano-and micro-structured UHMWPE composites filled with hydroxyapatite irradiated by nitrogen ion beams for bio-medical applications/S.V. Panin, L.A. Kornienko, M.V. Chaikina, V.P. Sergeev, L.R. Ivanova, S.V. Shilk//Russian Physics Journal. -2014. -Vol. 56. -No. 10. -P. 1137-1143.
  • Wear resistance of composites based on hybrid UHMWPE-PTFE matrix: Mechanical and tribotechnical properties of the matrix/S.V. Panin, L.A. Kornienko, T. Nguen Suan, L.R. Ivanova, M.A. Korchagin, S.V. Shil’ko, Yu.M. Pleskachevskii//Journal of Friction and Wear. -2015. -Vol. 36. -No. 3. -P. 249-256.
  • Износостойкость твердосмазочных композитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, наполненного стеаратом кальция/С.В. Панин, Л.А. Корниенко, Т. Нгуен Суан, Л.Р. Иванова, М.А. Полтаранин, С.В. Шилько, Ю.М. Плескачевский//Материалы. Технологии. Инструменты. -2015. -Т. 20, № 1. -С. 8-15.
  • Eshelby’s inclusion problem in the gradient theory of elasticity: Applications to composite materials/S. Lurie, D. Volkov-Bogorodsky, A. Leontiev, E. Aifantis//International Journal of Engineering Science. -2011. -Vol. 49. -P. 1517-1525.
  • Lurie S., Volkov-Bogorodskii D., Tuchkova N. Exact solution of Eshelby-Christensen problem in gradient elasticity for composites with spherical inclusions//Acta Mechanica. -2015. -№ 3. -Р. 1-12. DOI: DOI: 10.1007/s00707-015-1422-3
  • Волков-Богородский Д.Б., Лурье С.А. Интегральные формулы Эшелби в градиентной теории упругости//Механика твердого тела. -2010. -№ 4. -С. 184-194.
  • Gurtin M.E., Murdoch A.I. A continuum theory of material surface//Archive for Rational Mechanics and Analysis. -1975. -Vol. 57. -P. 291-323.
  • Steigmann D.J., Ogden R.W. Elastic surface-substrate interactions//Proc. R. Soc. Lond. Ser. A, Math. Phys. Eng. Sci. -1982. -Vol. 455. -P. 437-474.
  • Calculation of deformations in nanocomposites using the block multipole method with the analytical-numerical account of the scale effects/D.B. Volkov-Bogorodsky, Yu.G. Evtushenko, V.I. Zubov, S.A. Lurie//Comp. Math. and Math. Phys. -2006. -Vol. 46. -No. 7. -P. 1234-1253. DOI: DOI: 10.1134/s0965542506070153
  • The relationship between Shore hardness of elastomeric Dental materials and Young’s modulus/I.M. Meththananda, S. Parker, M.P. Patel, M. Braden//Dental materials. -2009. -Vol. 25. -P. 956-959.
  • Kunz J., Studer M. Determining the modulus of elasticity in compression via the Shore A hardnes//Kunststofe. -2006. -Vol. 6. -P. 92-94.
  • Кристенсен Р. Введение в механику композитов. -М.: Мир, 1982.
  • Лурье С.А. Тучкова Н.П. Континуальные модели адгезии для деформируемых твердых тел и сред с наноструктурами//Композиты и наноструктуры. -2009. -Т. 2, № 2. -С. 25-43.
  • Лурье С.А., Белов П.А., Соляев Ю.О. Адгезионные взаимодействия в механике сплошных сред//Математическое моделирование систем и процессов: сборник научных трудов. -2008. -№ 16. -С. 75-85.
Еще