Металлополимерные системы. 
Основы трибологии

Практически в любой технике можно встретить элементы, образующие пару трения металл-полимер: подшипники скольжения с полимерными втулками, уплотнительные манжеты и полимерные сальниковые уплотнения плунжеров, поршней, фрикционные передачи, тормозные устройства, искусственные суставы.

Рассмотрим, с точки зрения трибологии, металлополимерную систему как пару трения металл — полимер. Пара трения — система из двух элементов, соприкасающиеся поверхности которых перемещаются друг относительно друга.

Пара трения металл — полимер представляет собой своего рода металлополимерную систему, отличную по свойствам и происходящим в ней процессам от пар металл — металл, полимер — полимер.

Металлополимерная система — это совокупность по меньшей мере двух предназначенных для совместной работы тел, соединенных атомно-молекулярными силами или механически, одно из которых состоит из макромолекул (полимер), а другое — из атомов с обобществленными электронами (металл).

Металлополимерный материал — это полуфабрикат, состоящий из полимеров и металлов, соединенных между собой неподвижно атомно-молекулярными силами или механически, и предназначенный для изготовления деталей, узлов и конструкций ('например, металлический листе полимерным покрытием).

Металлололимермая деталь — это элементарная (неделимая) часть конструкции или узла, изготовленная из полимеров и металлов или металлополимерного материала (например, металло-полимерное зубчатое колесо).

Металлополимерный узел — это элемент конструкции, состоящий из металлических и полимерных или металлополимерных деталей, который может быть также использован в различных конструкциях. (например, металлаполимерный узел трения, скольжения, металлаполимерные уплотнительные узлы).

Полимеры обладают по сравнению с металлами более низким коэффициентом трения, меньше изнашиваются, малочувствительны к ударам и колебаниям. И в то же время обладают низкой, по сравнению с металлами, теплопроводностью и теплостойкостью.

Полимер в паре трения металл — полимер используют непосредственно как тело трения, либо в виде покрытия — плёнки на поверхности другого материала, в основном металла. Чистые полимеры не используются в парах трения, для улучшения свойств в них вводят наполнители, пластификаторы, модификаторы и т. д., используют композиционные полимерные материалы.

Трение полимерных композиционных материалов сопровождается химическими реакциями окисления, процессами трибодеструкции и структурирования (изменения структуры материала при трении), разрыва химических связей, синтеза новых фаз и другими процессами. Всё это приводит к образованию вторичных структур, облегчающих или затрудняющих процесс трения сопряженных поверхностей в узлах трения. Поверхностные слои как металлического контртела (элемент пары трения, работающий совместно с материалом трения, так и полимерного композиционного материала при трении находятся также в сложном напряженно-деформированном состоянии под действием сдвиговых напряжений и деформаций. Механохимическая деструкция макромолекул в поверхностных слоях приводит к разрыву химических связей, образованию свободных радикалов, а также может инициировать адсорбционное пластифицирование поверхностных слоев полимерной и сопряженной металлической детали (согласно эффекту Ребиндера под влиянием активной среды (в том числе смазочных материалов) при трении происходит пластифицирование поверхностного слоя металла).

При различных режимах трения возможен фрикционный перенос материалов, который заключается в переносе полимерного материала на металлическое контртело. В результате взаимодействия частиц полимера с активными участками поверхности контртела формируется так называемое «третье тело» — плёнка фрикционного переноса. Механизм образования плёнки переноса зависит от механизма разрушения полимерного материала, степени деструкции макромолекул, активности образующихся радикалов и их взаимодействия с металлом, подвижности молекулярных цепей.

Структура и свойства плёнки переноса имеют определяющее значение в механизме трения и изнашивания металлополимерных пар трения.

Исследования и опыт эксплуатации металлополимерных трибосопряжений показали, что удовлетворительная работа этих сопряжений возможна только при условии образования на металлическом контртеле устойчивой полимерной плёнки фрикционного переноса. Установлено, что образование плёнки фрикционного переноса происходят благодаря адгезионным связям, возникающим при контакте полимера с металлом. Процесс образования адгезионной связи можно разделить на две стадии.

• · На первой стадии происходит перемещение молекул полимера к поверхности металла и их определённое ориентирование в межфазном слое, в результате которого обеспечивается тесный контакт между молекулами и функциональными группами полимера и металла.
• · Вторая стадия процесса состоит в непосредственном взаимодействии полимера и металла.

Изучению механизма образования плёнок фрикционного переноса посвящено много работ, но они, как правило, носят частный характер, так как в них исследуются отдельные виды полимерных и композиционных материалов.