Математический подход к оценке износостойкости конструкционных полимерных нанокомпозитов на молекулярном уровне

Проведен анализ структурной модели композитов, разработанной для случая диспергирования наполнителей в расплаве полимеров. Показано, что применение выражения для определения нагруженности матрицы, характеризующего долю внешней приложенной нагрузки, приходящейся на матрицу, недостаточно для сравнительной оценки износостойкости разрабатываемых композитов при одинаковых концентрациях и средних размерах дисперсных наполнителей, но состоящих из различных материалов. Для уточнённой оценки износостойкости таких композитов предложен дополнительный критерий, учитывающий энергетическую характеристику взаимодействия матрицы и наполнителя на молекулярном уровне.  

Проведено компьютерное моделирование молекулярных структур полиэфирэфиркетона и двух его нанокомпозитов, содержащих фуллерен и наноразмерную медь, с определением модулей сдвига и энергий межмолекулярного взаимодействия в объёме исследуемых материалов и на границе раздела фаз матрица — наполнитель. Отмечено, что при введении нанонаполнителей повышаются значения модулей сдвига и объёмных энергий межмолекулярного взаимодействия. При этом наиболее существенное повышение, более чем в 2,5 раза, отмечено у величины энергии межмолекулярного взаимодействия на границе раздела фаз матрица—наполнитель в композите, содержащем наномедь, по сравнению с композитом, содержащим фуллерен. Таким образом, этот параметр предложен в качестве дополнительного для оценки износостойкости нанокомпозитов на стадии их разработки.

1. Мышкин Н.К., Zhang G., Гуцев Д.М. и др. Ха-рактеристики нанокомпозитов на основе ПЭЭК при трении по стали // Трение и износ. — 2021 (42), № 3, 350—357

2. Песецкий С.С., Богданович С.П., Мыш-кин Н.К. Триботехнические свойства наноком-позитов, получаемых диспергированием напол-нителей в расплавах полимеров // Трение и из-нос. — 2007 (28), № 5, 500—524

3. Седакова Е.Б., Козырев Ю.П. Влияние содер-жания дисперсного наполнителя на адгезию между наполнителем и матрицей в полимерных нанокомпозитах триботехнического назначения // Вопросы материаловедения. — 2013, № 3, 70—75

4. Tasuku O., Jun Т., K. Kawasaki K., et al. Struc-ture and Function of Transfer Film Formed from PTFE/PEEK Polymer Blend // The Journal of Phys-ical Chemistry C. — 2017 (121), no. 27, 14589—14596

5. Friction and Wear of Polymer Composites / Ed. by K. Fridrich. — Amsterdam: Elsevier Scien. Pub. — 1986

6. Берлин А.А., Вольфсон С.А., Ошмян В.Г., Ениколопов Н.С. Принципы создания компо-зиционных полимерных материалов. — М.: Хи-мия. — 1990

7. Мандельброт Бенуа Б. Фрактальная геометрия природы. — М.: Институт компьютерных ис-следований. — 2002

8. He E., Wang S., Li Y., et. al. Enhanced Tribologi-cal Properties of Polymer Composites by Incorpo-ration of Nano-SiO2 Particles: a Molecular Dynam-ics Simulation Study // Computational Materials Science. — 2017 (134), 93—99

9. Fan S., Gao C., Duan C., et al. Geometry Effect of Copper Nanoparticles and Nanowires on Polyeth-eretherketone-Matrix Nanocomposites: Thermal Conductivity, Dynamic Mechanical Properties and Wear Resistance // Composites Science and Tech-nology. — 2022, no. 219, 109224

10. Антифрикционный полимерный материал: Патент на изобретение RU 2378297. — 2010 / Б.М. Гинзбург, А.П. Возняковский, С.И. Евла-шенко, Д.Г. Точильников

11. Savagatrup S., Makaram A.S., Burke D.J., et al. Mechanical Properties of Conjugated Polymers and Polymer‐Fullerene Composites as a Function of Molecular Structure // Advanced Functional Materials. — 2014 (24), no. 8, 1169—1181

12. Kim J.H., Noh J., Choi H., et al. Mechanical Prop-erties of Polymer–Fullerene Bulk Heterojunction Films: Role of Nanomorphology of Composite Films // Chemistry of Materials. — 2017 (29), no. 9, 3954—3961

13. Molefi J.A., Luyt A.S., and Krupa I. Comparison of the Influence of Copper Micro- and Nano-Particles on the Mechanical Properties of Polyeth-ylene/Copper Composites // Journal of materials science. — 2010 (45), no. 1, 82—88

14. Harandi M.H., Alimoradi F., Rowshan G., et al. Morphological and Mechanical Properties of Sty-rene Butadiene Rubber/Nano Copper Nanocompo-sites // Results in physics. — 2017 (7), 338—344

15. Sun Huai, Jin Zhao, Yang Chunwei, Akkermans Reinier L. C., Robertson Struan H., Spenley Neil A., Miller Simon, and Todd Stephen M. COMPASSII: Extended Coverage for Polymer and Drug-Like Molecule Databases // Journal of Mo-lecular Modeling. — 2016 (22), 1—10

16. Ли Сяньшунь. Методика оценки износостой-кости полимерных нанокомпозиционных по-крытий / Автореф. дис. … канд. техн. наук. — Санкт-Петербург. — 2023

17. Atkinson J.R., Hay J.N., and Jenkins M.J. Enthal-pic Relaxation in Semi-Crystalline PEEK // Poly-mer. — 2002 (43), no. 3, 731—735