Исследователи ИПМАш РАН разработали новый подход к изучению трения и износа полимеров, который может быть применен для анализа износостойкости на молекулярном уровне широкого спектра полимерных материалов и их нанокомпозитов. Результаты исследования опубликованы в ряде научных журналов «Трение и износ», «Проблемы машиностроения и надежность машин», «Вопросы материаловедения», «Вестник машиностроения».

В современном машиностроении полимерные материалы находят всё более широкое применение, особенно в узлах трения, где они могут эффективно заменять детали из цветных сплавов. Полимеры обладают рядом преимуществ: они легкие, устойчивы к вибрациям, имеют низкий коэффициент трения в паре со сталью, способны работать без смазки, в агрессивных средах и даже в экстремальных условиях, таких как Крайний Север или космическое пространство. Замена традиционных материалов на полимеры позволяет экономить ресурсы и упрощать технологические процессы.
Однако в чистом виде полимеры уступают металлам по физико-механическим характеристикам. Для улучшения их прочностных свойств и расширения нагрузочного диапазона в полимеры добавляют различные наполнители, включая наноразмерные. Это позволяет создавать композиты с заданными свойствами, подходящими для конкретных условий эксплуатации.
Основная проблема заключается в том, что механизмы трения и износа полимерных композитов до конца не изучены. Размер наночастиц наполнителей может быть сопоставим с размером молекул полимерной матрицы, что делает процесс их взаимодействия сложным и многогранным. Традиционные исследования часто ограничиваются изучением поверхностного разрушения на макро- и мезоуровне, тогда как износ является результатом множества процессов, происходящих на молекулярном и надмолекулярном уровнях.
Для решения этой проблемы ученые Института проблем машиноведения Российской академии наук (ИПМаш РАН) разработали инновационный подход, основанный на методах молекулярной динамики. Они провели моделирование трения и изнашивания молекулярных моделей полимеров и их нанокомпозитов. В результате исследований было установлено, что добавление наполнителя приводит к увеличению энергетических характеристик межмолекулярного взаимодействия, что стабилизирует кинетическое состояние молекул композита по сравнению с исходным полимером.
«На основе проведенных исследований мы разработали критерий для оценки износостойкости полимерных композиционных материалов — величину энергии межмолекулярного взаимодействия. Этот параметр позволяет прогнозировать износостойкость материалов на микроуровне, учитывая влияние нанонаполнителей на структуру и энергетические свойства композита», — сказала ведущий научный сотрудник лаборатории трения и износа ИПМаш РАН Елена Седакова.
Кроме того, была установлена связь между типом нанонаполнителя и энергией межмолекулярного взаимодействия. Это открытие легло в основу оригинальной методики прогнозирования износостойкости полимерных композитов, которая может быть использована для целенаправленной разработки материалов под конкретные условия эксплуатации.
Таким образом, разработка ученых ИПМаш РАН позволяет не только глубже понять механизмы трения и износа полимерных композитов, но и создавать материалы с заданными свойствами, что открывает новые возможности для их применения в машиностроении.