מבוא לטריבולוגיה וחומרים Composite

Tribology - המדע וההנדסה של פני השטח אינטראקציה בתנועה יחסית - מעלים את החיכוך, ללבוש, התנהגות סיכה של חומרים. במערכות מכניות מודרניות, חומרים מורכבים יותר ויותר לטובת יחסי כוח יוצא דופן שלהם למשקל משקל, עמידות קורוזיה, ואת היכולת להתאים תעשיות מכניות תרמיות.

חומרים Composite מורכבים בדרך כלל ממטריקס (polymer, מתכת או קרמיקה) התחזק עם סיבים, חלקיקים, או מלונים. התגובה הטריבולוגית של היברידיות כאלה אינה רק סכום של המאפיינים של הבוחרים; זה עולה מן ההתקדמות בין חומרים מקודמת בין חיזוק למריצה, את הממשק, ואת הטופוגרפיה המתפתחת תחת עומס, כאשר נתון לבדיקות יסודיות או ממושכות, כגון גירויים, כגון גירויים של חומרים מורכבים, כגון, או מנגנונים מורכבים של חומרים ממושכים, כגון גירויים של חומרים מורכבים של חומרים מורכבים של חומרים מורכבים, כגון:

המונחים: Contact Conditions

מגע סלידי מתרחש כאשר שני משטחים נעים יחסית זה לזה, יצירת כוחות חיכוך המתנגדים תנועה. in Complexs, את הלחם וכתוצאה מכך מתחמי חיכוך מושפעים מהרכב של החומר, גסות פני השטח, לטעון, מהירות מחוספסת, ואת נוכחות של סיכה ללבוש מזחלות יבשות, את המגע מתפתח במהירות כמו צורות debris, להעביר סרטים, ושכבות על פני השטח לעתים קרובות נשלטת לאחור.

מכניזם של ללבוש בSiliding

ללבוש במהלך החיתוך יכול להתרחש באמצעות מספר מנגנונים, לעתים קרובות בשילוב:

  • (ב) [ה]: [ה] [ה]]: [ה] [ה] [ה] [ה]]] [ה]]]] [ה]], [ה]]ה[ה]]]]] [ההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההה
  • (FLT:0) ללבוש חמקמק 1: נביחות מקומיות בין אספרשור מגע מוביל להעברה חומרית משטח אחד למשנהו.במרומים, דבקות היא לעתים קרובות נמוכה, אבל מתכת מטריצה מורכבת עלולים לחוות כוחות דבקים גבוהים יותר.
  • (ב) [ה]: [ה], [ה], [ה], [ה], [ה],] [ה], [ה],] [ה], [ה]]]], [ההתעלו] [התעלו] [התחילה] [ה] [ה] [ה] [התחילה] [ה]] [ה]] [ה] [ה]] [ה] [ה] [ה]]]]] [ה] [ה]] [ה] [ה] [ה] [ה] [ה] [ה] [ה] [ה]]] [ה] [ה]]]] [ה]]]]] [ה] [ה] [ה[ה[ה] [ה] [ה]]]]]]]] [ה] [ה] [ה[ה] [ה]]]]] [ה] [ה]] [ה] [ה]]] [ה] [ה[ה] [ה] [ה] [ה]]]]]]]]]]]]]]] [ה[ה[ה]
  • (ב) ⁇ :0) Oxidative wearFLT:1: במהירויות גבוהות של נפיחות, חימום חיכוך יכול לגרום חמצון של מריצה או חיזוק, לייצר שכבות תחמוצת לב כי ללבוש משם.

האיזון בין המנגנונים האלה תלוי במערכת המורכבת.לדוגמה, פולימרים בעלי כוח פחמן (CFRP) לעתים קרובות מציגים חיכוך נמוך עקב סרטי העברה גרפיטי, אבל ללבוש חריף יכול להתרחש אם סיבים לפרוץ לסדקים חדים.

תפקיד מלאנים ו- Lubricating Additives

כדי להפחית את ללבוש ולחכות, מרוכבים לעתים קרובות לשלב לובקים מוצקים כגון פוליטרהפלור (PTFE), גרפן, molybdenum disulfide (MoSuaFLT:02FLT:1), או לטעון hexagonal Loron nitride (h-BN) תוספים אלה להפחית את העוצמה המוגברת בממשק ולקדם את היווצרות של סרטי נוגדן יציב על פני השטח יכול אפילו להפחית את הפחתת עוצמת הפחתת עוצמת הפחתת עוצמת הפחתת עוצמת הפחתת עוצמת המקרר התחתון של ה-PT העליון.

ננומטרי מילויים - כגון פחמן ננו-בוטיקים (CNTs), גרפן ננופליטיס, או ננוקלי - משכה תשומת לב ליכולת שלהם לשפר את התכונות מכניות וטריבולוגיות ברמות טעינה נמוכות מאוד (לעתים <5 wt%) לדוגמה, CNTs יכול לגשר מיקרו-מפצים, לעכב את הפחתת הצטברות מוצקה, ולפעול כמו סיכה מוצקה של אתרי לחץ על ידי פיזור חומרים גמישים.

השפעות על מגע סליידי

לובריון - בין אם שמן, נזל או סרטים מוצקים - משנה באופן דרמטי את ההתנהגות הטריבולוגית של תרכובות.בגבול סיכה, שבו חללי פני השטח עדיין אינטראקציה, הכימיה והתוספים של lubricant (למשל, סוכני גרוטאליות מלא, ממריצים חיכוך) יכולים אינטראקציה עם פני השטח המורכבים, עבור פולימרים, luricants מסוימים עלולים לגרום להפחתה או ירידה כימית, כך שהם צריכים להיות מופעלים באופן יעיל תפקוד גרף דינמי (למשל, כגון טמפרטורה).

המונחים: invisible Contact Conditions

מגע הרולינג כרוך אלמנט רוטט (כדור, רולר או גזע) מעבר פניות עם ריצוף מינימלי.הביצועים הטריבולוגיים בתנאים כאלה נשלטים על ידי דחיסה, Shear מדגיש כי באופן מחזורי לטעון את החומר מתחת לאזור מגע.חומרים Composite המשמשים אלמנטים מתגלגלים או אלמנטים מתגלגלים חייב לעמוד בפני עייפות פני השטח, עיוות פלסטי, ו flaking מעל מיליוני מחזורים ללא כישלון קטסטרופלי.

צור קשר עם Mechanics and Stress Distribution

כאשר אלמנט מתגלגל פונה משטח שטוח או מעוקל, תורת המגע של הרציאן מספקת את הפצת הלחץ.עבור חומרים מורכבים, את המודולוס גמיש ⁇ דרך עובי (למשל, ציפוי קשה על תת סטראט רך יותר) יכול לשנות את השדה התת-קרקעית ללבוש מתח חזק מחוקרי תפקוד, שבו תכונות משתנות ברציפות, הלחץ העליון עשוי להשתנות עמוק לתוך השכבה, צמצום הסיכון של חלקיקים מתפתלים, או מתחים עמוק יותר, אשר עשוי להיות מופעל לחץ חיצוני חזק.

עייפות וספאם מכניזם

עייפות מגע הרולינג (RCF) היא מצב הכישלון העיקרי באלמנטים מתגלגלים.במרכיבים, RCF בדרך כלל עובר דרך שלושה שלבים: סדקים בהכללות תת-קרקעיות או ממשקים סיביים, מקבילה למשטח, וספא סופי כאשר הסדקים פורצים דרך אל פני השטח.הנוכחות של חיזוקים קשים עלולה לעכב את ההתקדשות על ידי הגדלת הכוח, אבל אם מרתיעה מתרחשת במתחילים, עלולה גם במתחמיצים, היא יכולה להפחית את הלחץ הדחוסים, ובכך להפחית את הלחץ הדחיסה.

מחקרים אחרונים על רולרים מורכבים פולימרניים-צרומיים הוכיחו כי הוספת 10-20 וולט% של חלקיקים spherical alumina יכול להכפיל את חיי L10 (מספר המחזורים שלאחריהם 10% מהאוכלוסייה נכשל) בהשוואה לפולימרפולימרים לא מחוספסים.עם זאת, גודל החלקיקים וחומר מורפולוגיה חד angular מקדם מתח ולהפחית את החיים, בעוד חלקיקים עגולים להפיץ יותר אחיד, באופן דומה, סיבים מסובכים, להשפעות מסובכות, כגון סדקים או סדקים פציפציבים, כגון סדקים;

חומרים ל-Restinret Elements

בעוד פלדה נותרה החומר הדומיננטי עבור נושאים מתגלגלים בתדר גבוה, נושאים מורכבים משמשים יותר ויותר היכן ירידה במשקל, עמידות קורוזיה, או תכונות לא מגנטיות נדרשים.

  • (ב) ⁇ :0) ,(FEEK) מלא בסיבים פחמן ו-PTFEIRFLT:1: מציע חיכוך נמוך, עמידות טמפרטורה גבוהה, חיי עייפות טובים בתנאים יבשים או שמן.
  • (FLT:0)Epoxy-glass או epoxy-carbon laminatesFLT:1: בשימוש במשבים קלים לגלגלים עבור טקסטיל ומכשירים לעיבוד מזון; יש להגן מפני לחות כדי להימנע מדלקת.
  • (ב) ⁇ :0 ⁇ -metal Complexs (cermets) 1: טונגסטן carbide-cobalt מורכב לספק קשיחות קיצונית ללבוש התנגדות לאלמנטים מתגלגלים בכרייה או מכונות כבדות, אם כי הם פחות נפוצים בשל עלות.
  • (FLT:0)Polyamide-MoS2 משלבת את ההרחבה:1: בשימוש בשדי בושת במהירות נמוכה, עומס נמוך וגלגלים; MoS2 פועל כ- lubricant מוצק ומשפר התנגדות ללחבשים דבקים.

הקריטריונים הברירה של מקרפלקסים של גלגול כוללים יכולת מתח מגע, מוליכות תרמית (ל dissipate חום חיכוך), סיבולת עייפות, והתאמה עם lubricants. עבור יישומים מהירים גבוהים, מקרכים בעלי רגישות נמוכה להפחית את הכוחות הצנטריפוגיים על אלמנטים מתגלגלים, ומאפשר מהירויות סיבוב גבוהות יותר.

גורמים המשפיעים על ביצועים טריבולוגיים

גורמים הקשורים למספר גורמים לקבוע כיצד מורכב מתנהג תחת מגע מלוטש וגלגל.אופטימיזציה של אלה דורשת גישה מערכות חשבונות עבור חומר, פני השטח ופרמטרים תפעוליים.

מבנה חומרי ומיקרו-מבנה

הבחירה של ממטריקס (polymer, מתכת, קרמיקה) מגדירה את הבסיס ליציבות תרמית, קשיחות והתנגדות כימית. Reinforcement type ( סיבים קצרים, סיבים מתמשכים, חלקיקים, משטחים) משפיע על העברת והפצת סדקים.לדוגמה, סיבי זכוכית קצרים בפולימיד שיפור ההתנגדות על ידי צמצום האזור האמיתי של מגע, אבל הם מגבירים את הנגד של מתכת דלקת מפרקים חמורה 5bcreatives) בדרך כלל מנפח של חומרת (חלקים קלים של חומר C.

Surface Texture and Topography

גסות פני השטח משפיעה הן על מגע מתפתל וגלגל. במהלך ריצוף, משטחים חלקה יותר להפחית חיכוך ללבוש על ידי הגבלת שילוב מכני ודבקות. עם זאת, במגע מתגלגל, רמה מסוימת של גסות עשוי להיות מועיל לשמור סיכה ולמנוע נפיחות מסוימת של בעיות פני השטח (למשל, פוסט מורכב), את פני השטח לאחר מכונאים או עובש יכול לגרום sm של סיבים של סיבים overratching של סיבים, כגון ציפוי מתכת, כגון מתכתב, כגון מתכתב, כגון חניכיים).

טעינה, מהירות וטמפרטורה

עומסים גבוהים יותר מגבירים את אזור מגע אמיתי, מתחים תת-קרקעי, חימום חיכוך, אשר יכול לרכך פולימר מזחלות להאיץ את ההידרדרות התרמית.מהירות סלידינג משפיעה על המעבר בין משטרי ללבוש קלים וחמורים; במהירויות גבוהות, מרוכבים פולימרים פולימרים עשויים ליצור שכבת משטח מלוטש המפחיתה את החיכוך אבל יכול לגרום ללבוש מהיר אם השכבה אינה מתפוררת.

גורמים סביבתיים

הומוריזם, חשיפה כימית, ונוכחות של חלקיקים חודרניים להשפיע באופן משמעותי על התנהגות טריבולוגית.לדוגמה, פולימרים בעלי כוח פחמן-מחדש יכולים לספוג לחות, המוביל לפלסטיקה וצמצום עמידות ללבוש. בסביבות ימיות, קורוזיה של מברק מתכת הוא דאגה, לעתים קרובות מטופלים על ידי שימוש בציפוי עובר או בחירת חיזוקים קרמיקה.

כיוונים עתידיים והתקדמות

הכונן ליעילות גבוהה יותר, משקל נמוך יותר, וחיי שירות ארוכים יותר ממשיכים לעורר חדשנות בטריבולוגיה מורכבת.כמה אבני מחקר מבטיחות נחקרות כיום.

ננו-reinforcements ו-Hybers

תוספים ננומטריים - כגון פחמן ננופס, גרפן, molybdenum disulfide ננוגליונות, ו-Boron nitride ננוtubes - שיפורים חסרי תקדים בחיכוך ללבוש בשבריריות מילוי אולטרה סגול. מערכות מלמלאות היברידיות (למשל, CNTs בשילוב עם PTFE) הוכיחו אפקטים סינרגיסטיים: CNTs לספק חיזוק מכני והתנהגויות תרמיות, בעוד שעדיין ממלאות ואפקטים את הפיזור חומרים יציבים.

חיפויים וטיפולים

ציפויים דקים (<10 μm) של חומרים קשים כמו פחמן דמוי יהלום (DLC), titanium nitride (TiN), או oxide המיושם על משטחים מורכבים יכול להפחית באופן דרמטי את החיכוך ואת ללבוש תוך הגנה על החומר הבסיסי מפני נזק תרמי.עבור פולימרי פולימר, פלזמה או טיפול ion-beam יכול לחצות את פני השטח, עלייה קשה ולהפחית את חומר אדמדן לייזר או להמיסה.

עצמי-Lubricating and Smart Composites

תרכובות עצמיות ממושכות שמשחררות סיכה רק כאשר צורך - באמצעות קרע המושרה של microcapsulesules או סיבים חלולים - הם שדה גדל.לדוגמה, epoxy מורכב המכיל microcapsulesules של שמן סיליקון או נוזל ionic יכול להפחית חיכוך על ידי יותר מ -50% כאשר לובש קפסולת מתקדמת יותר "חכם" משלב חיישנים כדי לזהות עומק או חיזוי של פעילות גופנית, למרות שהוא עדיין יכול גם יכול להפחית קיבולת מתכתבת תחת קיבולת מתכתב.

מודלים ולמידה של מכונות

ניתוח אלמנט Finite (FEA) ודינמיקה נוזלי חישובי (CFD) משמשים יותר ויותר כדי לדמות מתחים מגע, דור חום, התנהגות סרט סיכה במגעים מורכבים.מודלים בקנה מידה רב המקשרים אינטראקציות בקנה מידה אטומי (באמצעות דינמיקה מולקולרית) כדי להמשיך התנהגות גמישה לעזור לחזות מנגנונים ואופטימיזציה של גיאומטריה.מכונה למידה אלגוריתמית על נתונים ניסיוניים משמשים כעת כדי להאיץ את הבחירה של פרמטרים ותהליכים ספציפיים להורדת יישומים.

מסקנה

ביצועים טריבולוגיים תחת תנאי מגע מתפתלים וגלגליים הם קריטריון עיצוב קריטי לחומרים מורכבים במערכות מכניות מתקדמות.המשחק של מנגנוני ללבוש - מנגנונים - אימפולסיביים, דביקות, וחמצן - נשלט על ידי הרכב החומרי, מיקרו-מבנה, מצב פני השטח, סיכה, וסביבת תפעולית, מציג אתגרים נוספים הקשורים לעייפות תת-קרקעית וספא, הדורשים של מתח זהירזה וחיזוק.

התקדמות לאחרונה ב- nano-reinforcements, ציפויי פני השטח, מערכות של פירוק עצמי, ומודל חישובי הוא לדחוף את הגבולות של מה מורכב יכול להשיג. מהנדסים ומדענים חומריים יש עכשיו ארגז כלים מורחב כדי ליצור תרכובות שלא רק לעמוד בדרישה שתלים תלת-חמצנייים, אלא גם לספק הטבות נוספות כגון ירידה במשקל, עמידות קורוזיה, ויכולות אוטונומיות כמו טכנולוגיות בוגרות, אנו יכולים לצפות לממשקים קריטיים של כל דבר על ידי התמקדות יותר ויותר על ידי פונקציות מדעיות.

לקריאה נוספת, להתייעץ עם ה-FLT:0 (Society of Tribologist ומהנדסי לובריון (STLE)FLT:1 עבור תקני תעשייה ועדכוני מחקר, ולחקור פרסומים אחרונים על FLT:2composite tribology באמצעות מחקרGateFLT 3: 3.