Величина износа стеклопластиков с увеличением контактных нагрузок возрастает. При сухом трении в диапазоне нагрузок 0,4-1,0 МПа наблюдается стабилизация износа не наполненного связующего, что обусловлено образованием пластичных пленок на поверхности трения из термопластичного полимера. Введение во фрикционный контакт агрессивных сред приводит к снижению износа стеклопластика, что можно объяснить способностью этих сред выполнять роль смазочных веществ и способствовать снижению теплонапряженности узла трения.

Перспективными антифрикционными материалами, повышающими срок службы тяжело нагруженных узлов трения, смазываемых водой, являются эпоксидные композиты, армированные углеродными волокнами. Такие материалы удачно сочетают в себе свойства самосмазываемости с высокой прочностью, ударо- и вибростойкостью, усталостной прочностью, малой чувствительностью к концентраторам напряжений и технологичностью. Длительные испытания материала в узлах трения смазываемых водой показали, что при трении по нержавеющей стали интенсивность изнашивания углепластика не превышает 7 – 10 мкм/км, а контртела – 0,7 мкм/км. В процессе приработки шероховатость Ra сопряженных поверхностей уменьшается с 1,6 до 0,4 мкм. Это связано с образованием пленок переноса, состоящих преимущественно из хлоридов железа.

Для повышения износостойкости углепластиков при трении в воде в состав связующего вводят термопластичные полимеры, порошки металлов и трибополимеробразующие низкомолекулярные соединения. В результате проведенных исследований установлено, что интенсивность изнашивания материалов имеет следующие значения: для не модифицированного углепластика – 1,3 мкм/(км*МПа); для модифицированного трибополимерными добавками – 0,5; для модифицированного порошком металлов – 0,2 мкм/(км*МПа). Для углепластиков с углеродной тканью с волокнами, параллельными поверхностям скольжения, интенсивность изнашивания составляет 0,7 мкм/(км*МПа), а перпендикулярными поверхности – 0,35 мкм/(км*МПа). Из данных по износостойкости видно, что наиболее эффективно применение в качестве модификаторов порошков металлов. При этом модификация порошками металлов не снижает прочности и водостойкости углепластиков а введение термопластов уменьшает на 30 – 40% прочность углепластика. Модификация трибополимеробразующими соединениями снижает их водостойкость.

При трении в воде на поверхности углепластика образуется углеродная пленка с упорядоченной структурой. Так, например, уже через 3,2 –3,8 кс (килоциклов) фрикционного взаимодействия на поверхности трения композита образуется так называемая турбостратная структура углерода со средним межслоевым расстоянием 0,344 нм. Интенсивность изнашивания композита снижается при этом с 2,5 – 4 до 1 – 2 мкм/км, шероховатость поверхности Ra уменьшается с 1,25 до 0,4 – 0,6 мкм.

Гибридные полимерные композиты, армированные несколькими типами волокон различной природы, обладают большими прочностными, противоизносными и противоусталостными свойствами по сравнению с композитами, армированными волокнами одной природы. При создании гибридных композитов чаще всего сочетают углеродные и борные, углеродные и стеклянные, борные и стеклянные волокна. Наиболее высокие физико-механические свойства имеют гибридные композиты, содержащие различные волокна в оптимальном соотношении. Так, например, при соотношении графитированных и стеклянных волокон 2 : 1 и 3 : 1 прочность и модуль упругости гибридного композита возрастает после усталостных испытаний. Прочность же однонаправленных карбоволокнитов и гибридного композита при соотношении волокон 1 : 1 после усталостных испытаний уменьшается на 7 и 27% соответственно, а модули упругости практически не меняются.

Самосмазывающиеся углепластики получают путем модификации эпоксидной матрицы сухими смазками и поверхностно-активными веществами, способствующими образованию на сопряженных поверхностях пленок переноса, защищающих их от непосредственного взаимодействия. С этой целью исследовали влияние присадок (хлорсодержащее органическое вещество, линолеат кобальта, бутиловый эфир ортофосфорной кислоты) и кокса на износ эпоксикремнийорганического углепластика, армированного углеродными тканями ТГН-2М и УТМ-8 (таблица 16). Из таблицы видно, что наиболее высокой износостойкостью обладают углепластики, содержащие в качестве модифицированной присадки хлорсодержащее органическое вещество. При этом оптимальная концентрация присадок составляет 1 – 2 мас. %. Разработанные композиты в диапазоне нагрузок 0,2 – 2 МПа обладают низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью.

Таблица 16.

Фрикционно - износостойкие свойства эпоксидных композитов [10].