Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit sử dụng trong lĩnh vực vật liệu ma sát

i hc Bỏch Khoa H ni Đồ án tốt nghiệp Chơng i: Tổng quan ma sát- mòn Các lý thuyết ma sát Cũng nh ngành khoa học khác, khoa học ma sát phát triển không ngừng gắn liền với ngành công nghiệp có liên quan nh công nghiệp ô tô, giao thông đờng sắt gia công kim loại Việc nghiên cứu, tìm hiểu chất ma sát cần thiết để trớc hết mô hình hoá, lợng hoá điều khiển đợc trình xảy ma sát Các kiến thức ma sát giúp cho nhà nghiên cứu định hớng đợc công việc giải đợc vấn đề thực tiễn đặt Những nhà khoa học nghiên cứu lĩnh vực ma sát Amoton, Culong, Leona dơ Vinxi sau M.L.Lomonoxop, Nga, khoa học ma sát, bôi trơn mài mòn đợc hình thành từ thành lập Viện hàn lâm khoa học Nga Nhà khoa học vĩ đại M.L.Lomonoxop đà thiết kế thiết bị nghiên cứu liên kết phân tử vật thể Đó tiền thân cho thiết bị đại sau nghiên cứu độ mài mòn vật liệu Ma sát đà đợc nghiên cứu từ lâu nhng lý thuyết ma sát mài mòn không ngừng đợc bổ xung phát triển với phát triển ngành khoa học khác Bắt đầu từ lý thuyết cổ điển, lý thuyết phân tử, lý thuyết điện lý thuyết đại ngày 1.1 Lý thuyết cổ điển Nhà bác học nghiên cứu đề xuất lý thuyết cổ điển ma sát Amoton Trong tài liệu vào năm 1969, tác giả đa hiểu biết ma sát mô tả dụng cụ dùng thí nghiệm nghiên cứu Đó dụng cụ đơn -1- i hc Bỏch Khoa H ni Đồ án tốt nghiệp giản bao gồm lò so gắn vào vật thí nghiệm tất đợc đặt mặt phẳng Đầu lò so đợc gắn với tải trọng nhờ mà vật nghiên cứu trợt mặt phẳng Nhiều thí nghiệm đà đợc thực nghiệm đến kết luận sau: - Lực ma sát cân với tải trọng mà vật bên tác động xuống vật thể bên dới - Với vật thể khác lực cản ma sát xấp xỉ 1/3 tải trọng - Lực ma sát độc lập với diện tích tiếp xúc phụ thuộc vàp chất cđa hai vËt thĨ tiÕp xóc víi Leona d¬ Vinxi nghiên cứu ma sát đà rằng: lực ma sát không phụ thuộc vào hình dáng mà phụ thuộc vào trọng lợng vật thể độ ráp bề mặt Có thể nói giai đoạn phát triển khoa học kinh điển ma sát công trình nghiên cứu ma sát tĩnh Bản chất động ma sát lần đợc đặt công trình nghiên cứu tiếng S.Culong vào năm 1785 Quan điểm cđa S.Culong gÇn gièng víi Amoton, cho r»ng lùc ma sát cân với tải trọng, không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc nhng phụ thuộc vào chất vật liệu Culong cần phân biệt ma sát tĩnh với ma sát động lực ma sát động độc lập với tốc độ chuyển động Culong đà tiếp tục nghiên cứu ảnh hởng lực phân tử coi phần lực ma sát Thành công lớn tác giả tổng hợp hai sức cản, sức cản thứ liên kết không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc mà tỷ lệ với tải trọng, sức cản thứ hai liên kết phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc Bản chất hai mặt đợc thể qua phơng tình sau: F=A +NN (1) Trong đó: F lực ma sát A số đặc trng cho khả liên kết tơng hỗ vật thể N hệ số ma sát -2- i hc Bỏch Khoa H ni Đồ án tốt nghiệp N phản lực pháp tuyến Về mặt gia công thô, trị số A nhỏ bỏ qua đợc Khi công thức (1) chuyển thành: F= N N (2) Công thức (2) thờng đựơc gọi định luật Culong- Amoton Tóm lại, lý thuyết cổ điển ma sát cho rằng: lực ma sát phụ thuộc vào hai yếu tố tải trọng đặt lên vật thể ( bao gồm trọng lợng vật thể tổng ngoại lực tác dụng lên vật thể) chất hai vËt thĨ tiÕp xóc víi 1.2 Lý thut phân tử Các tác giả thuộc trờng phái mà đại diện F.P.Bowden, D.Tabor đà làm nhiều thí nghiệm nghiên cứu ảnh hởng độ ráp bề mặt, diện tích tiếp xúc, tốc độ trợt chuyển dời vật liệu từ bề mặt tiếp xúc sang bề mặt tiếp xúc khác đến lực ma sát Về ảnh hởng độ ráp bề mặt đến hệ số ma s¸t, Athur Morin (1934) cho r»ng: lùc ma s¸t hai vật thể chuyển động tơng không đổi độ ráp bề mặt thay đổi hệ số ma sát giảm dẫn đến độ mài mòn thấp Khi nghiên cứu ảnh hởng diện tích tiếp xúc, tác giả cho bề mặt hai vật thể gần lúc số điểm tiếp xúc thực tế cân với diện tích tiếp xúc hai bề mặt lực ma sát lớn Nh lực ma sát phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc thực tế hai bề mặt Một nhà bác học khác nh: H.Shaw (1986), F.P.Bowden (1938- 1942) nghiªn cøu vỊ ma sát đà nhận thấy bề mặt vật thể thờng bị cào xớc đà nảy sinh việc khảo sát trình vận chuyển vật liệu từ bề mặt đến bề mặt khác Các tác giả cho chất trình lực tơng tác phân tử bề mặt hai vËt thĨ vµ rót nhËn xÐt sau: khèi lợng chuyển dời phụ thuộc vào quÃng đờng không phụ thuộc vào tải trọng Khi vật thể cứng chuyển động bề mặt vật thể mềm lợng -3- i hc Bỏch Khoa H ni §å ¸n tèt nghiƯp vËt liƯu chun sang vËt thĨ cứng phụ thuộc vào độ ráp bề mặt hai vật thể Lý thuyết phân tử đề cập tới ảnh hởng tốc độ trợt tới lực ma sát Galton (1978) nghiên cứu ma sát xảy tàu chuyển động đờng ray đà đa nhận xét sau: - Khi tốc độ trợt thấp, lực ma sát tăng lên với tốc độ - Tại tốc độ trợt trung bình khoảng m/s tới vài ft/s, lực ma sát gần nh không phụ thuộc vào tốc độ - Với tốc độ trợt cao, lực ma sát giảm với tốc độ Tại cận dới dải tốc độ P.P.Ewald, T.Poschl, L.Prandtl (1930) đà đa công thức liên hệ hệ số ma sát tốc độ trợt nh sau: N= 1+0 , 0112 μN 1+0 ,06 ν Trong ®ã: μN0 : hƯ số ma sát tĩnh N : tốc độ trợt (m/s) Tuy nhiên, tác giả cha công thức có áp dụng đợc hay không hai vật thể chuyển động với tốc độ lớn, bề mặt chuyển động sang trạng thái mềm cao chí bị chảy nhớt làm giảm đáng kể hệ số ma sát Tóm lại, lý thuyết phân tử ma sát cho chất lực ma sát lực hút phân tử hai bề mặt vật thể tiếp xúc với Do lực ma sát không phụ thuộc hay nói cách khác độc lập với tải trọng Lực ma sát phụ -4- i hc Bỏch Khoa H ni Đồ án tốt nghiệp thuộc vào diện tích tiếp xúc thực tế tốc độ chuyển ®éng t¬ng ®èi cđa hai vËt thĨ Lý thuyết điện Lý thuyết đợc đề xuất thùc tÕ hai vËt thĨ tiÕp xóc víi gây phát sáng có khả hút vật thể nhẹ khác Hiện tợng nhận thấy nhiều công nghiệp giấy giấy đợc cán qua hai trục Các tác giả J.A.Joné (1925), P.Schnurmann (1940), E.Warlow- Davises (1942) cho điện ma sát (triboeletricity) ma sát hai mặt kiện: phá huỷ liên kết nguyên tử bề mặt tiếp xúc với Theo lý thuyết điện ma sát tổng hợp toàn liên kết điện nguyên tử hai bề mặt chúng tiếp xúc với Tơng tác nguyên tửphân tử đợc coi chủ yếu tơng tác học kết công liên kết nguyên tử- phân tử 1.4 Lý thuyết đại Các lý thuyết trình bày có thừa hởng, phát triển kết đà đạt đợc công trình lý thuyết trớc đó, nhng điều kiện, mức độ nghiên cứu theo xu hớng khác nên đà xuất quan điểm không giống ma sát Mặt khác, cha có phơng tiện máy móc nghiên cứu cách xác tợng xảy trình ma sát nên kết luận rút thờng từ trực quan đà dẫn tới bất đồng quan điểm Nhợc điểm lớn lý thuyết ma sát trớc chúng dựa tợng cá biệt nh học, vật lý điện mà không xét tới ảnh hởng tơng hỗ chúng, đà không phân biệt đợc lực ma sát với sức cản khuyết tật bề mặt vật liệu Sự phát triển khoa học ma sát đợc gắn liền với phát triển chung khoa học Nhờ định luật phá huỷ biến dạng dẻo- đàn hồi, công trình nghiên cứu bề mặt vật thể chuyển động, kÕt cÊu máng -5- Đại học Bách Khoa Hà nội Đồ án tốt nghiệp kim loại bề mặt làm việc mà nhà nghiên cứu ma sát đà đa lý thuyết ma sát tổng quát bao gồm chế vật lý, học, hoá học, lợng Theo lý thuyết đại lực ma sát không hàm lực pháp tuyến mà phụ thuộc vào tổ hợp yếu tố: tốc độ trợt, vật liệu, điều kiện môi trờng,Sự phụ thuộc biểu diễn công thức tổng quát nh sau: T(n) = f(n,v,c) (4) Trong đó: T(n)- Là lực ma sát ứng với tải pháp tuyến n v- Tốc độ trợt c- Các thông số nh môi trờng, vật liệu, Các khái niệm ma sát sau Suh Sin đề xớng (1981) Theo tác giả tính chất học có ảnh hởng lớn so với tính chất hoá học lực ma sát, trình chuyển động tợng tăng nhiệt độ Theo quan điểm phân chia lực ma sát làm thành phần: - Biến dạng nhấp nhô bề mặt - Sù b¸m dÝnh cđa c¸c diƯn tÝch tiÕp xóc - Sự tróc bề mặt Các nhà nghiên cứu khác đa lý thuyết ma sát, bôi trơn, hao mòn cho trờng hợp cụ thể Khi nghiên cứu ma sát xảy vật thể có khả phục hồi cao tơng tự nh cao su, G.M.Bartenev, V.V.Lavrentjev N.A.Konstantinova (1971) đà đa c«ng thøc sau: S0 [ ( )] F=c Sα 1− 1− Sα e− βNN / S α E -6- i hc Bỏch Khoa H ni Đồ án tốt nghiệp Trong đó: F- Lực ma sát c- Hệ số phụ thuộc vào góc trợt S -Diện tích tiếp xóc thùc tÕ SO- DiƯn tÝch tiÕp xóc kh«ng cã ¸p lùc (P → O) βN - Ỹu tè hình học bề mặt vật thể N- Tải trọng Vật liệu ma sát sở nhựa phenol- formandehyt phổ biến, đà thu hút đợc dự quan tâm nhà nghiên cứu S.K.Rhee cộng (1971) Các tác giả đà nghiên cứu ảnh hëng cđa c¸c u tè nh ¸p lùc, vËn tèc thời gian tới lợng mài mòn vật liệu ma sát sở nhựa phenolformandehyt độn sợi amiang đa công thức sau( áp dụng cho nhiệt độ bề mặt nhỏ 220oC ): W= K.Pa.Vb Trong đó: c W- Lợng vật liệu bị P- Tải trọng V- Tốc độ - Thêi gian a,b,c- H»ng sè phơ thc vµo tõng cặp ma sát ứng dụng lý thuyết ma sát đà đem lại lợi ích to lớn giúp cho nhà nghiên cứu, ngời sản xuất nhận thức khắc phục đợc hạn chế tồn vật liệu Hạn chế tới mức tối đa ảnh hởng có hại ma sát gây Các loại vật liệu có khả làm giảm ma sát -7- i hc Bỏch Khoa H ni Đồ án tốt nghiệp Giảm ma sát mài mòn có ý nghĩa quan trọng kinh tế quốc dân Các nhà nghiên cứu đà đa loại vật liệu có khả làm giảm ma sát mài mòn bao gồm: gốm, hợp kim polyme So với kim loại polyme, gốm có u điểm hệ số ma sát thấp, độ cứng bề mặt tơng đối cao, bị mài mòn không bị ôxy hoá trình làm việc Tuy nhiên, gốm lại bị ảnh hởng nhiệt, dao động đặc biệt dễ bị vỡ va đập Kim loại hợp kim đợc sư dơng réng r·i nhÊt lÜnh vùc vËt liƯu chống ma sát u điểm bật nh: có độ cứng bề mặt cao, có khả làm việc nhiệt độ cao Nhợc điểm chúng khó gia công, có giá thành cao không bền hoá chất Việc nghiên cứu sử dụng vật liệu Polyme cho kết cấu ma sát đà cho kết bÊt ngê So víi kim lo¹i, polyme cã hƯ sè ma sát nhỏ hơn, mòn hơn, bị ảnh hởng dao động va đập, có giá thành rẻ, tính công nghệ cao việc chế tạo chi tiết, có khả làm việc môi trờng hoá chất bôi trơn nớc Tuy nhiên thay kim loại Polyme lúc có lợi Đối với kết cấu chống ma sát, hớng nghiên cứu có nhiều triển vọng kết hợp polyme vật liệu khác Các phơng pháp nghiên cứu ma sát mài mòn Trong trình cọ xát xảy tơng tác cục lớp bề mặt vật liệu diện tích nhỏ Sự tơng tác làm thay đổi cấu trúc tính chất vật liệu bề mặt cọ xát Đối với chất dẻo, thay đổi mạnh chúng xảy dới tác dụng nhiệt, tác động học, chất hoạt ®éng bỊ mỈt, ®iƯn tÝch xt hiƯn… -8- Đại học Bỏch Khoa H ni Đồ án tốt nghiệp Để sản phÈm tõ chÊt dro víi mét tỉ hỵp tÝnh chÊt cho trớc, điều quan trọng sử dụng sơ đồ thử nghiệm độ ma sát mô đợc ®iỊu kiƯn dƠ sư dơng nhÊt, ®iĨn h×nh nhÊt Khi nghiên cứu sâu ma sát mài mòn điều kiện bôi trơn ngời ta đà sử dụng đến rôbốt Trong đa số trờng hợp, đặc trng cần đánh giá lực ma sát, độ bám dính, thay đổi lý bề mặt, chuyển vị ngang vuông góc Lực ma sát thờng đợc đo phơng pháp cân lực kế tenxơ, theo độ tắt dần lắc Vì tính chất bề mặt cọ xát thờng xét theo kết đo tuyến hình bề mặt đợc đánh giá theo kết khối phổ, phổ điện tử phân tích cấu trúc Rơghen Sự tăng tốc độ, nhiệt độ tải trọng kỹ thuật đại dẫn đến gia tăng độ khắc nghiệt thử nghiệm mài mòn vật liệu Bên cạnh đó, phải tính đến yếu tố ảnh hởng nh chân không sâu, xạ môi trờng xâm thực Hệ số ma sát phụ thuộc lớn vào tải trọng vuông góc, tốc độ trợt, nhiệt độ yếu tố khác Sự phụ thuộc hệ số ma sát vào tải träng thay ®ỉi theo nhiƯt ®é ë nhiƯt ®é thư nghiệm cố định hệ số ma sát giảm tăng tải trọng tải trọng cố định hệ số ma sát tăng tải trọng tăng Khi thay đổi nhiệt độ vận tốc trợt chất dẻo có đặc tính khác nh mét vËt thủ tinh, vËt mỊm cao hc vËt dẻo Khi đánh giá độ chịu mài mòn chất dẻo nên chọn đặc trng không thay đổi theo cờng độ cọ xát Ví dụ: chọn tỷ số cờng độ mài mòn chung cờng độ cọ xát Sự đánh giá độ chịu mài mòn, theo tỷ số có tính chất gần phụ thuộc mài mòn không vào tính chất vật liệu mà vào điều kiện thử nghiệm Cờng độ mài mòn đánh giá định lợng theo đại lợng thông số đo: In = h/ L = Δ V/(A Δ L) Trong ®ã: Δ h- bề dày lớp bị mài mòn -9- i hc Bỏch Khoa H ni Đồ án tốt nghiệp V- thể tích lớp bị mài mòn L- quÃng đờng cọ xát A- diện tích chuẩn bề mặt Độ mài mòn đánh giá tiêu lợng In = V/W Trong đó: W- lợng cọ xát Chơng II: Tổng quan vật liệu polyme CompozitVật liệu ma sát, yếu tố ảnh hởng Tỉng quan vỊ vËt liƯu Polyme Compozit Kh¸i niƯm - Đặc điểm - Phân loại 1.1 Khái niệm Vật liệu Compozit có lịch sử phát triển từ sớm Ngay từ hình thành văn minh nhân loại nhng việc nghiên cứu chế tạo vật liệu Compozit đợc thực ý năm 50 trở lại Mục đích chế tạo vật liệu Compozit phối hợp đợc tính chất mà vật liệu ban đầu có đợc Nh chế tạo vật liệu Compozit từ cấu tử mà thân chúng đáp ứng đợc yêu cầu vật liệu Vật liệu Compozit nói chung loại vật liệu đồng thể tích lớn nhận đợc cách hợp thể tích nhỏ vật liệu khác Về chÊt vËt liƯu Compozit lµ hƯ thèng hai hay nhiỊu pha khác chất hoá học gần nh không tan lẫn nhau, phân cách ranh giới pha pha liên tục hay polyme, pha phân tán phụ gia tăng cờng Ngoài có số hợp chất khác nh: chất tạo màu, chất tăng cờng đặc biệt - 10 -