МОДЕЛЮВАННЯ ТРИБОТЕХНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПОЛІМЕРНИХ ПОКРИТТІВ НА ОСНОВІ ФЕНІЛОНУ З МОДИФІКАТОРАМИ КОМПЛЕКСНИХ СПОЛУК МІДІ (II) ЗА ДОПОМОГОЮ MATLAB
Анотація
DOI: https://doi.org/10.26565/2079-1747-2025-35-09
Мета. Дослідження присвячено розробці та оцінці антифрикційних полімерних покриттів на основі фенілона С2, ароматичного поліаміду з високою термостійкістю, модифікованого комплексами міді (II) складу [Cu(HL)X₂]₂, де HL – похідні ариламідів бензимідазол-2-тіокарбонової кислоти. Метою роботи є моделювання триботехнічної поведінки цих покриттів із акцентом на впливі швидкості ковзання, питомого навантаження та концентрації модифікатора для підвищення ефективності й довговічності вузлів тертя в машинобудівних вузлах за умов високих навантажень, характерних для промислового обладнання.
Методи. Покриття виготовляли шляхом розчинення фенілона С2 і модифікаторів комплексів міді (II) у диметилформаміді з подальшим просоченням пористої бронзової підкладки (пористість 20–25%) за вакуумного тиску протягом 30 хвилин. Зразки з покриттям піддавали термічному твердінню при 420 К протягом 1,5 години, а потім при 723 К протягом 2 годин для забезпечення повного затвердіння. Триботехнічні випробування проводили на машині тертя СМТ-2010 за схемою «колодка-диск» у змащеному середовищі з використанням індустріального масла І-40А (ГОСТ 20799-88). Дослідження охоплювали швидкості ковзання від 0,15 до 1,2 м/с і питомі навантаження від 5 до 15 МПа з контртілом зі сталі 45 (твердість 45–50 HV, шорсткість Ra 0,4–0,63 мкм). Коефіцієнти тертя вимірювали з точністю ±0,001, а швидкість зношування визначали гравіметричним методом із точністю ±0,01 мг/м після 10-годинних циклів випробувань. Експериментальні дані обробляли в MATLAB для виведення прогнозуючого рівняння коефіцієнта тертя.
Результати. Модифікація комплексами міді (II) значно покращила триботехнічні властивості покриттів на основі фенілона. При концентрації модифікатора 1% коефіцієнт тертя знизився з 0,080 до 0,045, а зносостійкість зросла на 60%. Покриття №2 (аніон Cl, замісник метоксифеніл) продемонструвало найкращі характеристики завдяки оптимальному поєднанню змащувальних властивостей і міцності. Обробка в MATLAB дала рівняння f(V,P)=0,0335+0,0095⋅V+0,0005⋅P, яке описує залежність коефіцієнта тертя від швидкості ковзання (V, м/с) і питомого навантаження (P, МПа) з максимальною похибкою менш ніж 5%. Оптична мікроскопія виявила утворення захисної трибохімічної плівки на поверхні контртіла, що зменшує знос завдяки зниженню прямого контакту та підвищенню гладкості поверхні.
Висновки. Розроблені покриття мають значний потенціал для використання у вузлах тертя з високими навантаженнями в машинобудуванні, забезпечуючи зниження тертя та підвищену зносостійкість у змащених умовах. Отримане рівняння є достатнім інструментом для прогнозування триботехнічної поведінки, що сприяє оптимізації конструкцій. Наявність трибохімічної плівки підкреслює важливість хімічних взаємодій у покращенні характеристик. Подальші дослідження можуть бути спрямовані на вивчення вищих концентрацій модифікатора (понад 1%) для оцінки меж деламінації та розширення застосовності покриттів до екстремальних температур і навантажень, характерних для сучасного промислового обладнання.
In cites: Stovpnyk O. V. & Sytar V. I. (2025). Modeling the tribological properties of polymer coatings based on phenylone with copper (II) complex modifiers using matlab. Engineering, (35), 85-94. https://doi.org/10.26565/2079-1747-2025-35-09
Завантаження
Посилання
Chernets, M., Shil’ko, S., Kornienko, A., & Pashechko, M. (2023). Triboanalysis of antifrictional materials based on polyamides for metal-polymer sliding bearings. Journal of Friction and Wear, 44(2), 63–70. https://doi.org/10.3103/s1068366623020034.
Xu, F., Ding, N., Li, N., Liu, L., Hou, N., Xu, N., Guo, W., Tian, L., Xu, H., Lawrence Wu, C.-M., Wu, X., & Chen, X. (2023). A review of bearing failure Modes, mechanisms and causes. Engineering Failure Analysis, 152, 107518. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2023.107518.
Ivanochkin, P. G., Danilchenko, S. A., & Novikov, E. S. (2016). Antifriction composites based on Phenylone C2 for work under conditions of dry friction. Procedia Engineering, 150, 520–526. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.07.033.
Gupta, B. R. (2023). Friction and wear mechanism of polymers, their composites and nanocomposites. У Tribology of polymers, polymer composites, and polymer nanocomposites (с. 51–117). Elsevier. https://doi.org/10.1016/b978-0-323-90748-4.00012-1
Panasiuk, A.G., & Ranskyi, A.P. (2005). Chemistry of thioamides: Copper (II) complexes as additives to lubricants. Issues of Chemistry and Chemical Technology, (5), 42–45.
Stovpnyk, O. V., & Sytar, V. I. (2008). Development of a methodology for obtaining and investigating the properties of phenylone-based coatings. Issues of Chemistry and Chemical Technology, (4), 84–89.
Rudnytskyj, A. (2018). Simulations of contact mechanics and wear of linearly reciprocating block-on-flat sliding test [Thesis, Luleå tekniska universitet, Institutionen för teknikvetenskap och matematik]. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:ltu:diva-68881. viewed June 23, 2025
Xu, S., Zhang, Y., Zhou, J., Chen, Z., Fu, H., Liu, B., & Ji, J. (2025). Tribology of polymer gears: Friction coefficient and wear. V Polymer gears (с. 495–514). Elsevier. https://doi.org/10.1016/b978-0-443-21457-8.00022-4.
Belyak, O. A., & Suvorova, T. V. (2021). Predicting the mechanical properties of antifriction composite materials. Mechanics of Composite Materials, 57(4), 647–656. doi:10.1007/s11029-021-09986-7
Yadav, R., Singh, M., Shekhawat, D., Lee, S.-Y., & Park, S.-J. (2023). The role of fillers to enhance the mechanical, thermal, and wear characteristics of polymer composite materials: A review. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 175, 107775. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2023.107775.
Chaudhary, V. (2023). Tribology of polymer films and coatings. Tribology of polymers, polymer composites, and polymer nanocomposites (с. 335–355). Elsevier. https://doi.org/10.1016/b978-0-323-90748-4.00004-2.
Deleanu, L., Botan, M., & Georgescu, C. (2020). Tribological behavior of polymers and polymer composites. Tribology [working title]. IntechOpen. https://doi.org/10.5772/intechopen.94264.
Dudka, A. M., Kuzyaev, I. M., & Nachovnyi, I. I. (2017). Application of computer programs for analyzing tribological properties of fluoropolymer composites. Problems of Tribology, (4), 27–32. URL: https://tribology.khnu.km.ua/index.php/ProbTrib/article/download/635/1119. viewed June 23, 2025
Nanoth, R., Jayanarayanan, K., Sarath Kumar, P., Balachandran, M., & Pegoretti, A. (2023). Static and dynamic mechanical properties of hybrid polymer composites: A comprehensive review of experimental, micromechanical and simulation approaches. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 107741. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2023.107741.
Lambiase, F., Balle, F., Blaga, L.-A., Liu, F., & Amancio-Filho, S. T. (2021). Friction-based processes for hybrid multi-material joining. Composite Structures, 266, 113828. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.113828.
Kabat, O., Sytar, V., Derkach, O., & Sukhyy, K. (2021). Polymeric composite materials of tribotechnical purpose with a high level of physical, mechanical and thermal properties. Chemistry & Chemical Technology, 15(4), 543–550. https://doi.org/10.23939/chcht15.04.543.
Klymenko, A., Anisimov, V., & Sytar, V. (2021). Development of thin-layer coatings based on phenylon for protecting surfaces from gas and hydroabrasive wear. Technical Sciences and Technology, (4(22), 28–34. https://doi.org/10.25140/2411-5363-2020-4(22)-28-34. (in Ukraine)
Kabat, O., Sytar, V., & Sukhyy, K. (2018). Antifrictional polymer composites based on aromatic polyamide and carbon black. Chemistry & Chemical Technology, 12(3), 326–330. https://doi.org/10.23939/chcht12.03.326.
