Разрушение поверхности трения волокнистого композита при наличии абразивных частиц в контакте
Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН
Композиты на основе углеродного волокна, прежде всего, известны в качестве конструкционных материалов благодаря своей прочности и жёсткости. Однако существует область применения, в которой они также показывают перспективные результаты – это разнообразные узлы трения. В данной работе будут рассмотрены материалы на основе углеродного волокна и углеродной (либо керамической (карборундовой)) матрицы. Эти материалы благодаря высоким показателям теплопроводности, теплоёмкости и устойчивости к высоким температурам используются при изготовлении тормозных дисков авиатранспорта и высокоскоростного железнодорожного транспорта. Одной из главных задач при внедрении этих материалов является увеличение их износостойкости и таким образом продление ресурса эксплуатации тормозных дисков. Увеличение скорости и массы транспортных средств ведёт к ужесточению температурно-нагрузочных условий при трении тормозных дисков, а повышение требований к безопасности транспорта вызывает необходимость увеличения коэффициента трения при работе углеродных композитов.
При работе авиационных тормозных дисков нередко имеет место явление термоупругой неустойчивости, при котором происходит концентрация поверхностных давлений и температур на ограниченных участках поверхности трения. Это приводит к существенному нагреву рабочей поверхности (более 1000°С). Хотя такие температуры не приводят к потере рабочих свойств материала, перегрев поверхности может вызвать дополнительное увеличение износа композита. Влияние температуры на скорость изнашивания углеродных композитов исследовано мало из-за технических трудностей и носит выраженный немонотонный характер.
Попытки увеличить прочность и коэффициент трения композитов применением более жёсткого углеродного волокна приводят к ещё большему увеличению скорости изнашивания материала. Для достижения оптимальных эксплуатационных характеристик фрикционных композитов необходимы модели трения и изнашивания соответствующих материалов в условиях высоких нагрузок и температур, которые в данный момент развиты крайне слабо (в отличие от теорий прочности волокнистых композитов). В работе построена модель теплового воздействия на поверхность композитного материала в процессе его износа абразивными частицами. Рассмотрено влияние структуры матрицы и волокна композита на процесс выхода абразивных частиц износа из поверхности трения материала. Исследовано влияние условий трения (контактных давлений и температур) на силу трения и скорость изнашивания.
