Введение к работе
Актуальность и иель работы. Получение композиционных материалов комплексом заданных свойств требует принципиально новых подходов к х созданию. Такие физико-механические характеристики материалов как сханичсская прочность, долговечность, износостойкость определяются не злько высокими характеристиками компонент, составляющих композит, о и величиной и стабильностью, адгезионного взаимодействия на ранице их раздела. Для прогнозирования свойств создаваемых омпозитов чрезвычайно важно научиться определять с достаточно ысокой точностью силу адгезионного сцепления на границе: раздела омпонснт и выявить возможные источники ее направленного изменения.
В связи с этим поверхность раздела является в настоящее время бъектом пристального внимания исследователей, успехи в создании овых высокоэффективных композитов конструкционного и риботехнического назначения в значительной степени обусловлены іубокими. теоретическими и. экспериментальными исследованиями еханизма контактного взаимодействия между инфсдиентами. іаксимальная реализация свойств полимерной матрицы и наполнителей в омлозитах возможна только при наличии оптимальной адгезии. Таким 5разом, изучение природыV". сил молекулярного сцепления онтактирующих поверхностей,: оценка величины этой силы и гтределение способов ее регулирования является актуальной проблемой, йскольху позволяет решать задачи создания композитов с заданными юйствами.
Сила , адгезионного ; сцепления на поверхности раздела является гзультатом совместного действия. ряда составляющих: химического шимодействия, водородных связей, электростатического и молекулярного ян-яер-Ваальсового) взаимодействия. Близко-действующая химическая )язь проявляется при непосредственном контакте молекул на
расстояниях порядка атомных, если существует минимум энергии взаимодействия. Электростатическое взаимодействие и водородные связи могут играть существенную роль только для материалов, компоненты которых содержат полярные группы. Ван-дер-Ваальсово взаимодействие возникает из-за флюктуации электромагнитного поля между электрически нейтральными телами. В этом смысле оно универсально, то есть возникает между любыми телами и действует на достаточно больших расстояниях между ними. Несмотря на то, что энергия физического взаимодействия составляет единицы процентов от энергии химической связи, все-таки физическая адгезия может играть существенную, а при малой вероятности химической связи, и основную роль в осуществлении сцепления на границе раздела. Поэтому представляется весьма перспективным применение для. описания и расчета адгезионного взаимодействия на границе раздела в композиционных материалах теории флуктуационяога электромагнитного поля. Целесообразность детального изучения ван-дер-Ваальсового взаимодействия для решения задач материаловедения очевидна.
Согласно теории ван-дер-Ваальсового взаимодействия сила сцепления между двумя, конденсированными телами определяется функциями диэлектрической проницаемости на мнимой оси частот этих материалов и среди их разделяющей, которые связаны только с оптическими константами этих тел. В свою очередь оптические постоянные определяются из спектра поглощения исследуемого материала, который отражает его химический состав, структурные особенности, молекулярное строение, ориентацию молекул и так далее. Таким образом, исследования спектров поглощения и определение оптических постоянных позволяют рассчитать силу взаимодействия между любыми контактирующими материалами. Модифицирование поверхностного слоя материала ведет к изменению его спектра поглощения и позволяет увеличивать или уменьшать силу взаимодействия в зависимости от поставленной задачи.
Существенное значение имеет определение адгезионного сцепления на поверхности раздела в микроэлектронике для создания многослойных структур, при исследовании условий устойчивости и оптимизации компонентного состава пленки (покрытия) на поверхности твердого тела. Изменять силу взаимодействия между слоями можно, либо вводя различные примеси, либо модифицируя определенным образом поверхности взаимодействующих слоев. Например, окисление поверхности кремния кислородом приводит к значительным изменениям спектра поглощения, а это в свою очередь ведет к изменению диэлектрической проницаемости, а следовательно и силы взаимодействия между материалами.
Целью работы являлось разработать универсальную методику расчета сил молекулярного взаимодействия на границе раздела полубесконечных либо слоистых тел, позволяющую определять силу сцепления любых материалов достаточно оперативно, чтобы можно было охватить широкий класс компонент при создании композита, но в то же время все этапы расчета должны быть проделаны с высокой точностью, чтобы не превратиться только в оценочные.
Для выполнения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработка методики и создание аппаратурного обеспечения для
количественных поляризационных исследований спектров поглощения
(отражения, МНПВО) в зависимости от рода материала в широком
оптическом диапазоне частот, включающем инфракрасную, видимую,
ультрафиолетовую области и область вакуумного ультрафиолета.
2. Разработка методики и алгоритмов программ для расчета
оптических постояішьй п(со)- показателя преломления, х(ю)- показателя
поглощения исследуемых материалов в широком диапазоне частот для
жидких, твердых и слоистых тел из спектров поглощения, отражения,
МНПВО.
-
Проведение экспериментальных спектроскопических измерений и определение оптических постоянных компонентов композитов.
-
Определение функции диэлектрической проницаемости на мнимой оси частот контактирующих тел (исходя из знания оптических постоянных) в виде, удобном для машинного расчета силы взаимодействия.
5. Проведение расчета силы молекулярного взаимодействия по
основной формуле ван-дер-Ваальсовых сил с помощью составленного
пакета программ.
61 Проведение экспериментальной проверки физико-механических и трибологических свойств материалов, созданных на основе проведенных расчетов.
1. В работе разработана методика расчета адгезионного сцепления на границе раздела компонентов, позволяющая на стадии проектирования композита прогнозировать ряд важных физико-механических и трибологических свойств создаваемых материалов. Методика объединяет экспериментальные спектроскопические измерения и расчетные методы.
Разработаны спектроскопические методы. количественных исследований и, их аппаратурное обеспечение для . большого набора материалов: * полимеров, минеральных наполнителей, полупроводников, жидких сред (аппретов). Разработаны технические решения для модернизации стандартного оборудования (спектрофотометра ИКС-29, приставок НПВО-1 и МНПВО-1), и проведены оперативные количественные поляризационные измерения спектров отражения полупроводников и спектров " нарушенного полного внутреннего отражения полимеров» жидкостей в И К области спектра, предложено аппаратурное решение для спектроскопических исследований в видимой, УФ областях и области вакуумного УФ (одинарный вакуумный монохроматор, позволяющий без дополнительных приставок проводить
измерения спектров поглощения, отражения, НПВО в диапазоне 100-600 нм, разработан и выполнен по индивидуальному заказу в ИФ АН Эстонии). Это позволяет получать спектры поглощения (отражения, НПВО), пригодные для дальнейших расчетов оптических констант любого диэлектрического материала в диапазоне 100 - 25000 нм.
Разработана методика расчета оптических постоянных п(о)) -показатель преломления, х(ю) - показатель поглощения и диэлектрической проницаемости є(со). в широком спектральном диапазоне ( 100-25000 нм) любых диэлектрических полубеконечных материалов, а также двухслойных структур. Значения этих функций представляют самостоятельный интерес, а также необходимы для расчета силы взаимодействия. Проведен расчет оптических констант и диэлектрической проницаемости ряда полимеров, стекол, , легированных различными элементами полупроводников с оксидной пленкой на поверхности, силанолов (аппретов). Получен аналитический вид є(ю) -диэлектрической проницаемости и є(і) - функции диэлектрической проницаемости на мнимой оси частот , необходимой для расчета силы взаимодействия. Разработан пакет программ и проведен расчет адгезионного сцепления для ряда материалов по обшей формуле ван-дер-Ваальсового взаимодействия.
2. На основе этих расчетов доказано перераспределение компонентов сложного связующего вблизи границы раздела с наполнителем, рекомендованы оптимальные наполнители и отвердители для таких широко используемых полимеров как эпоксидная смола ЭД-20, поликапроамид ПКА, пс^тетрафторзтилен ПТФЭ. На примере полученных материалов изучена зависимость прочностных ( прочность на сдвиг) и трибологических ' (удельный; износ) характеристик от компонентного состава композита, результаты испытаний хорошо согласуются с расчетом/ Осуществлено. прямое спектроскопическое изучение перераспределения компонентов на межфазной границе и
подтверждена зависимость этого перераспределения от силы ван-дер-Ваальсового взаимодействия между компонентами.
-
Изучены возможности регулирования силы взаимодействия между контактирующими телами при их модифицировании путем облучения поверхности, прививки на поверхность активных звеньев, аппретирования. Исследованы температурные зависимости диэлектрической проницаемости и силы молекулярного взаимодействия.
-
Разработана методика и проведены расчеты силы взаимодействия для случая, когда контактирующее тело является слоистой структурой, что позволяет исследовать условия устойчивости пленки, покрытия на поверхности диэлектрического материала.
Практическая ценность и реализация результатов работы. На основании проведенного исследования разработана методика определения силы адгезионного взаимодействия на границе раздела компонентов композиционного материала, предложены методы прогнозирования и направленного регулирования, некоторых физико-механических свойств создаваемых композитов. , В соответствии с установленными закономерностями разработаны рекомендации по повышению прочностных и трибологических характеристик полимерных композиционных материалов.
Использование разработанной методики определения адгезионного взаимодействия позволило достаточно оперативно и с высокой точностью проводить расчет оптических постоянных, спектроскопических параметров, а следовательно и силы ван-дер-Ваальсового взаимодействия различных диэлектрических материалов. Наиболее эффективно применение таких расчетов при проведении сравнительных оценок, например при подборе компонент связующего к заданному волокну или наоборот, при выборе наполнителя к определенному связующему.
Результаты исследования адгезионного взаимодействия и особенностей протекания физико-химических процессов при металл-
полимерном трибосопрлжении позволили выявить закономерности разделения компонентов в пленке фрикционного переноса и получить информацию, необходимую для прогнозирования ее свойств.
Выполненные теоретические и экспериментальные исследования послужили научной основой для создания ряда новых высокоэффективных композиционных материалов, в частности разработаиный самосмазывающийся антифрикционный, материал на основе стекловолокон с эпоксидным связующим ЭД-20 для опор скольжения тепловозов по износостойкости а 3-4 раза превосходит используемые отечественные материалы аналогичного назначения.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: 6-ая научио-технич. конф. "Стеклопластики и стекловолокно"(Солнечногорск, I9S6); X Юбилейный Всесоюзный симпозиум "Механоэмиссня и механохнмия твердых тел" (Ростов-на-Дйну, 1986): Координационное совещание стран-членов СЭВ "Композиционные матерналы"(Гомель, J987); 7-ая научно-техническая конференций "Стеклопластики и стекловолокно", (Крюково, 1988); Всесоюзная научно-технич, конф. "Применение композиционных материалов в машиностроении", (Гомель, 1988); 15-ая международная конфер. "Армированные пластмассы S9" (Пльзень, 1989); 5-ый Международный симпозиум "Intertribo-93. Tribological problems in exposed friction systems" (Братислава, 1993); 2-ой Международный симпозиум "Трибология фрикционных материалов" (Ярославль, 1994); 3-я научно-техническая конфер. "Проблемы повышения износостойкости газонефтепромыслового оборудования'^ Москва, 1994); Российская научно-техническая конфер. "Новые материалы и технологии" (Москва, 1994); 1-ая Мееждународная конференция "Энергодиагностика"(Москва, 1995), научно-техническая конфер. "Прогрессивные полимерные материалы, технология их переработки и применение"(Ростов н/Д, 1995)
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 14 работ.
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 115 страницах основного машинописного текста. Она состоит их введения, четырех глав, списка использованной литературы. В работе 41 рисунок, 13 таблиц, список литературы из 105 наименований.
