fwjТрение и и износTitle in english0000-00000000-0000AGU10.32864/0202-4977-2024-45-1-49-58fwj-9Research ArticleСтатьиМодификация триботехнических свойств углеродных композитов методом лазерной обработки поверхностиModification of Tribotechnical Properties of Carbon Composites by Laser Surface Treatment MethodШпеневА. Г.ShpenevA. G.

проспект Вернадского д. 101, корп. 1, г. Москва 119526, Россия

prospect Vernadskogo, 101, building 1, Moscow 119526, Russia

kel-a-kris@list.ruБуковскийП. О.BukovskiyP. O.

проспект Вернадского д. 101, корп. 1, г. Москва 119526, Россия

prospect Vernadskogo, 101, building 1, Moscow 119526, Russia

ЩербаковаО. О.ShcherbakovaO. O.

проспект Вернадского д. 101, корп. 1, г. Москва 119526, Россия

prospect Vernadskogo, 101, building 1, Moscow 119526, Russia

МуравьеваТ. И.MuravyevaT. I.

проспект Вернадского д. 101, корп. 1, г. Москва 119526, Россия

prospect Vernadskogo, 101, building 1, Moscow 119526, Russia

АндросенкоВ. Н.AndrosenkoV. N.

проспект Вернадского д. 101, корп. 1, г. Москва 119526, Россия

prospect Vernadskogo, 101, building 1, Moscow 119526, Russia

КотовМ. А.KotovM. A.

проспект Вернадского д. 101, корп. 1, г. Москва 119526, Россия

prospect Vernadskogo, 101, building 1, Moscow 119526, Russia

СоловьевН. Г.SolovyevN. G.

проспект Вернадского д. 101, корп. 1, г. Москва 119526, Россия

prospect Vernadskogo, 101, building 1, Moscow 119526, Russia

ЯкимовМ. Ю.YakimovM. Yu.

проспект Вернадского д. 101, корп. 1, г. Москва 119526, Россия

prospect Vernadskogo, 101, building 1, Moscow 119526, Russia

КривошеевА. Ю.KrivosheevA. Yu.

ул. Менделеева, д.117, г. Таганрог 347913, Россия

Mendeleeva street, 117, Taganrog 347913, Russia

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наукРоссияIshlinsky Institute for Problems in Mechanics of the Russian Academy of SciencesRussian FederationОбщество с ограниченной ответственностью «ГАЗ МЕТАЛЛОКОМПЛЕКТ»РоссияLLC “GMK”Russian Federation2024260920264514958Copyright © AGU, 20262026AGUAGUhttps://fwj.ejournal.by/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://fwj.ejournal.by/jour/article/view/9

Исследована структура и триботехнические характеристики композитного материала на основе углеродной ПАН ткани и матрицы, полученной методом осаждения из газовой фазы. Один из образцов исследуемого материала был подвергнут обработке лазерным излучением, с локальным лазерным разогревом поверхностного слоя до 2800—3000 °C. Другой образец композита был термически обработан при температуре T > 2000 °С. Были проведены триботехнические испытания и получены значения коэффициентов трения и изнашивания в паре со стальным и керамическим контртелами. С целью определения особенностей механизмов трения и изнашивания модифицированных материалов, поверхность композитов после трения была исследована методом сканирующей электронной микроскопии с рентгеноспектральным анализом. Установлено, что лазерная обработка значительно улучшает антифрикционные свойства углеродного композита в паре со стальным контртелом (уменьшение коэффициента трения в два раза, уменьшение износа в три раза). Выявлено, что такая обработка значительно меняет характер плёнки вторичных структур (ВС), формирующейся на поверхности трения композитов в паре со сталью. В составе плёнки не обнаруживаются элементы материала контртела, что свидетельствует о его минимальном износе в процессе трения. Сама плёнка ВС становится толще и плотнее, полностью покрывая поверхность композита. Это позволяет ей в большей степени проявлять твёрдосмазочные и противоизносные свойства, улучшая триботехнические характеристики композита.

The study of structure and tribotechnical characteristics of composite material based on carbon PAN fabric and matrix obtained by vapor deposition method has been carried out. One of the samples of the investigated material was subjected to laser treatment, with local laser heating of the surface layer to 2800—3000 °C. The other composite sample was heat treated at a temperature T > 2000 °C. Tribotechnical tests were carried out and values of friction and wear coefficients were obtained in the pair with steel and ceramic counterbodies. In order to determine the peculiarities of friction and wear mechanisms of modified materials, the surface of composites after friction was investigated by scanning electron microscopy with X-ray spectral analysis. It was found that laser treatment significantly improves antifriction properties of carbon composite in pair with steel counterbody (friction coefficient reduction by two times, wear reduction by three times). It is revealed that such treatment significantly changes the nature of the film of secondary structures (SS) formed on the friction surface of composites paired with steel. In the composition of the film elements of the counterbody material are not found, which indicates its minimal wear in the process of friction. The BC film itself becomes thicker and denser, completely covering the composite surface. This allows it to a greater extent to show solid-lubricating and anti-wear properties, improving tribotechnical characteristics of the composite.

углерод-углеродный тканевый композитлазерная термообработкакоэффициент тренияизносостойкостьтрибология композитовструктура композитовсканирующая электронная микроскопияcarbon-carbon fabric compositelaser heat treatmentfriction coefficientwear resistancecomposite tribologycomposite structurescanning electron microscopyReferencesSarower K., Chowdhury A.S., Sazzad H.A., Imtiaz A.C., and Faiz A. Review of the Developments in Composite Materials over the Last 15 Years // Ref-erence Module in Materials Science and Materials Engineering. — Elsevier. — 2023Sarower K., Chowdhury A.S., Sazzad H.A., Imtiaz A.C., and Faiz A. Review of the Developments in Composite Materials Over the Last 15 Years // Reference Module in Materials Science and Mate-rials Engineering. — Elsevier. — 2023Cheng H., Xue N.J., and Hou W.Q. The Applica-tion and Development of Carbon/Carbon Compo-sites in Aircraft and High-Speed Train Braking Sys-tems // Carbon. — 2020 (184), 30—33Cheng H., Xue N.J., and Hou W.Q. The Applica-tion and Development of Carbon/Carbon Compo-sites in Aircraft and High-Speed Train Braking Sys-tems // Carbon. — 2020 (184), 30—33Wu S., Liu Y., Ge Y., Ran L., Peng K., and Yi M. Structural Transformation of Carbon/Carbon Composites for Aircraft Brake Pairs in the Braking Process // Tribology International. — 2016 (102), 497—506Wu S., Liu Y., Ge Y., Ran L., Peng K., and Yi M. Structural Transformation of Carbon/Carbon Composites for Aircraft Brake Pairs in the Braking Process // Tribology International. — 2016 (102), 497—506Hao M., Luo R., Hou Z., Yang W., Xiang Q., and Yang C. Effect of Fiber-Types on the Braking Per-formances of Carbon/Carbon Composites // Wear. — 2014 (319), nos. 1-2, 145—149Hao M., Luo R., Hou Z., Yang W., Xiang Q., and Yang C. Effect of Fiber-Types on the Braking Per-formances of Carbon/Carbon Composites // Wear. — 2014 (319), nos. 1-2, 145—149Lu F., Lu L., Liu J., Pang X., and Song C. Tribo-logical Properties and Wear Mechanism of C/C Composite Applied in Finger Seal // Machines. — 2023 (11), no. 2, 176Lu F., Lu L., Liu J., Pang X., and Song C. Tribo-logical Properties and Wear Mechanism of C/C Composite Applied in Finger Seal // Machines. — 2023 (11), no. 2, 176Su H., Zhang C., and Sun S. Research on the Wear Model of Carbon/Carbon Composite Finger Seal // Wear. — 2021 (476), 203682Su H., Zhang C., and Sun S. Research on the Wear Model of Carbon/Carbon Composite Finger Seal // Wear. — 2021 (476), 203682Темис Ю.М., Селиванов А.В. Перспективные уплотнения для газотурбинных двигателей // Авиационные двигатели. — 2021 (11), № 2, 43—60Temis Yu.M., Selivanov A.V. Perspektivnye uplot-neniya dlya gazoturbinnyh dvigatelej // Avi-acionnye dvigateli. — 2021 (11), № 2, 43—60 (in Russian)Буковский П.О., Морозов А.В., Кулаков В.В., Голубков А.К., Родионов Н.Б., Киричен-ко А.Н. Триботехнические свойства углерод-углеродных фрикционных композитов при вы-соких температурах // Трение и износ. — 2022 (43), № 5, 491—501Bukovskiy, P.O., Morozov, A.V., Kulakov, V.V. Golubkov A.K., Rodionov N.B., Kirichenko A.N. High-Temperature Tribotechnical Properties of Carbon–Carbon Friction Composites // J. Frict. Wear. — 2022 (43), 322—329Григорьянц А.Г., Сафонов А.Н. Основы лазер-ного термоупрочнения сплавов. — М.; Высш. шк. — 1988Grigoryanc A.G., Safonov A.N. Osnovy lazernogo termouprochneniya splavov. — M.: Vyssh. shk. — 1988 (in Russian)Al-Sulaiman F. and Yilbas B. Laser Treatment of a Carbon/Carbon Reinforced Composite // Lasers in Engineering. — 2005 (15), 119—127Al-Sulaiman F. and Yilbas B. Laser Treatment of a Carbon/Carbon Reinforced Composite // Lasers in Engineering. — 2005 (15), 119—127Volfkovich Y.M., Sakars A.V., and Volinsky A.A. Application of the Standart Porosimetry Method for Nanomaterials // Int. nanotechnology. — 2005 (2), no. 3, 292—302Volfkovich Y.M., Sakars A.V., and Volinsky A.A. Application of the Standart Porosimetry Method for Nanomaterials // Int. nanotechnology. — 2005 (2), no. 3, 292—302Андросенко В.Н., Якимов М.Ю. Параметры лазерной поверхностной термообработки угле-род-углеродного композиционного материала // Механика и моделирование материалов и тех-нологий. Сборник трудов Секции Международ-ной молодежной научной конференции «XLVII Гагаринские чтения» 20–23 апреля 2021. — Москва: ИПМех РАН. — 2021, 11—14Androsenko V.N., YAkimov M.Yu. Parametry laz-ernoj poverhnostnoj termoobrabotki uglerod-uglerodnogo kompozicionnogo materiala // Mek-hanika i modelirovanie materialov i tekhnologij. Sbornik trudov Sekcii Mezhdunarodnoj molodezh-noj nauchnoj konferencii «XLVII Gagarinskie cht-eniya» 20-23 aprelya 2021. — Moskva: IPMekh RAN. — 2021, 11—14 (in Russian)Шпенев А.Г. Влияние термоупругой неустой-чивости на износ композитных тормозных дис-ков // Трение и износ. — 2021 (42), № 1, 52—62Shpenev A.G. The Influence of the Thermoelastic Instability on the Wear of Composite Brake Discs // J. Frict. Wear. — 2021 (42), 30—37Щербакова О.О., Буковский П.О., Муравье-ва Т.И., Шпенев А.Г., Кривошеев А.Ю., Кале-дин А.В., Шикунов С.Л., Курлов В.Н. Исследо-вание влияния материала контртела на трибо-логические характеристики углеродных компо-зитов на основе тканевых препрегов // Поверх-ность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. — 2024, Принято в печатьShcherbakova O.O., Bukovskij P.O., Mu-rav'eva T.I., Shpenev A.G., Krivosheev A.Yu., Kaledin A.V., Shikunov S.L., Kurlov V.N. Study of influence a counterbody material on the tribo-logical characteristics of c/c composites based on fabric prepregs // Journal of Surface Investigation. X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques. — 2024, accepted for publication.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.