Противоизносные и фрикционные характеристики эластомерных материалов на основе каучуков СКИ-3 и СКС-30-АРКМ-15, армированных углеродными нанотрубками тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Королёв Павел Владимирович

• Королёв Павел Владимирович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Королёв Павел Владимирович

Введение

Глава 1. Аналитический обзор

1.1. Эластомерные материалы: строение, физико-механические характеристики, применение

1.2. Углеродные наноструктуры: строение, свойства, области применения

1.3. Полимерные композиционные материалы и методы их исследования

1.4. Триботехнические характеристики эластомеров и приборы для их изучения

1.5. Численное моделирование эластомерных материалов и композитов на их основе

1.6. Выводы по аналитическому обзору, формулирование цели и задач исследования

Глава 2. Объекты и методы исследования

2.1. Материалы пары трения

2.2. Методы исследования эластомеров и композитов на их основе

Глава 3. Физико-механические характеристики эластомеров и композитов на их основе

3.1. Влияние типа, концентрации и ориентации углеродных наноструктур на твердость эластомерных материалов

3.2. Исследование влияния строения и ориентации углеродных наноструктур на упруго-прочностные характеристики эластомерных материалов, армированных углеродными наноструктурами

3.3. Оценка совместного влияния осциллирующей нагрузки, концентрации и ориентации углеродных наноструктур на динамические характеристики эластомерных материалов

3.4. Изучение адгезионных характеристик эластомерных материалов на основе СКИ-3, армированных углеродными наноструктурами

3.5. Выводы по главе

Глава 4. Триботехнические характеристики эластомерных материалов

4.1. Фрикционные характеристики эластомерных образцов

4.2. Исследование влияния скорости и нагрузки на износ эластомерных композитов на основе СКИ-3/МУНЩ)

4.3. Стендовые испытания резин на основе каучуков СКИ-3 и СКС-30-АРКМ-15 и резин на их основе, армированных аллотропами углерода

4.4. Выводы по главе

Глава 5. Моделирование износа эластомеров при качении с проскальзыванием

5.1. Постановка задачи о качении эластомерного диска по упругому абразивному диску при продольном проскальзывании

5.2. Моделирование адгезионного взаимодействия «эластомерная матрица-мононить»

5.3. Взаимосвязь физико-механических и триботехнических характеристик эластомеров

5.4. Выводы по главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А. Расчет экономического эффекта

Приложение Б. Патенты и свидетельства

Приложение В. Акты внедрения

Благодарность

Автор выражает благодарность за помощь в работе над диссертацией преподавателям и сотрудникам ВятГУ — к.т.н., доц. С.В. Фомину, к.х.н., доц. Е.С. Широковой, профессору кафедры хамии, физики, математики - д.т.н., доц. Е.В. Березиной.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Противоизносные и фрикционные характеристики эластомерных материалов на основе каучуков СКИ-3 и СКС-30-АРКМ-15, армированных углеродными нанотрубками»

Введение

Актуальность работы. Одним из важных вопросов современного автомобилестроения является повышение эксплуатационной надежности. Основным элементом автомобиля, от работы которого зависит безопасность человека, является пневматическая шина. Износ шин представляет собой сложную проблему, поскольку от его величины значительно зависят другие ее характеристики, например, сцепление шины с дорожной рубашкой. Кроме того, на него очень сильно влияют внешние факторы, такие как стиль вождения, условия контакта с поверхностью, климатические условия и т.д. В настоящее время производители шин стали все больше внимания уделять износу, способам его определения, факторам, влияющим на его интенсивность. С этой целью разрабатываются новые экспериментальные стенды, строятся компьютерные модели, позволяющие прогнозировать эксплуатационные характеристики пневматических шин. Однако, реализация этого комплекса задач еще далека от завершения. В настоящее время вопрос прогнозирования износостойкости синтезируемых марок резин остается нерешенным. Это в первую очередь связано с тем, что не раскрыт механизм изнашивания и его закономерности в различных условиях эксплуатации. Соответственно, отсутствует база для развития аналитических методов прогнозирования износостойкости.

Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № Б77М-2023-0009 ИвГУ).

Объектом исследований, изложенных в данной работе, являются эластомеры триботехнического назначения — материалы, обладающие низким модулем упругости и низкими температурами стеклования. Предметом исследования являются противозносные свойства эластомерных материалов.

Типичными представителями эластомерных материалов являются различные марки резин, каучуки, высокоэластичные полимеры и

композиционные материалы на их основе. В силу широкого использования этих материалов в различных узлах трения, в том числе для изготовления автомобильных шин, исследование их фрикционных свойств является важной и актуальной задачей.

Степень разработанности темы. Основанием для выполнения работы стали теоретические представления и экспериментальные результаты в области трения и износа полимерных (эластомерных) и композитных материалов, полученные ведущими отечественными и зарубежными учеными В.А. Белым, Ф.П. Боуденом, Э.Д. Брауном, Б.М. Гинзбургом, В.А. Годлевским, И.Г. Горячевой, А.Ю. Ишлинским, В.М. Мусалимовым, Д. Муром, Н.К. Мышкиным, А.И. Свириденком, Ю.А. Фадиным, А.В. Чичинадзе и др. Однако, существует ряд факторов, которые не принимались во внимание. К ним можно отнести влияние ориентационных эффектов углеродных наноструктур, армирующих эластомерную матрицу, на физико-механические и триботехнические характеристики. К тому же существующие модели изнашивания эластомеров при качении с проскальзыванием, отстают от предъявляемых практикой требований. В работе представлены данные, дополняющие существующий набор моделей износа и позволяют унифицировать их расчет.

Цель и задачи работы. Цель работы заключается в выявлении закономерностей трения и изнашивания эластомерных материалов на основе каучуков СКИ-3 и СКС-30-АРКМ-15, армированных углеродными нанотрубками.

Задачи:

1. Изучить физико-механические характеристики эластомеров, армированных углеродными наноструктурами, с целью выбора рационального состава эластомерных материалов для трибологических исследований.

2. Реализовать выбор стандартной методики трибологических испытаний и определить закономерности изменения коэффициента трения эластомерных

материалов в зависимости от скорости скольжения и температурного коэффициента сдвига.

3. Разработать экспериментальный стенд для изучения трения и изнашивания эластомерных материалов на основе каучуков СКИ-3 и СКС-30-АРКМ-15, армированных углеродными нанотрубками.

4. Создать математическую модель интенсивности изнашивания эластомерного материала при трении качения с проскальзыванием по абразивной поверхности.

5. Провести верификацию модели интенсивности изнашивания посредством сопоставления модельных и экспериментальных зависимостей, полученных для эластомерных материалов, армированных углеродными наноструктурами.

6. Выявить корреляцию между триботехническими и физико-механическими характеристиками эластомеров.

7. Получить композиционный эластомерный материал с наилучшими противоизносными свойствами.

Научная новизна работы:

1. Выявлены закономерности влияния пространственной организации углеродных наноструктур, их концентрации и ориентации на фрикционные характеристики эластомеров в зависимости от скорости скольжения и температурного коэффициента сдвига.

2. Построена математическая модель интенсивности изнашивании при трении качении с проскальзыванием, позволяющая учитывать физико-механические характеристики эластомерных материалов, армированных углеродными наноструктурами.

3. Установлена корреляция между экспериментальными значениями интенсивности изнашивания материала и твердостью эластомерного материала, армированного углеродными наноструктурами.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость работы состоит:

1. В разработке математической модели интенсивности изнашивания, учитывающей физико-механические характеристики эластомерных материалов;

2. В установлении влияния на триботехнические характеристики эластомерного материала типа, концентрации и ориентации углеродных наноструктур.

Практическая значимость работы состоит в:

1. Установлении рационального состава композиционного эластомерного материала, армированного углеродными наноструктурами;

2. Разработке новых эффективных эластомерных композиционных материалов, содержащих углеродные наноструктуры (УНС) (многостенные углеродные нанотрубки (МУНТ) и многослойный окисленный графен (ОО)), для армирования эластомерной матрицы;

3. Экспериментальном доказательстве, что армирование углеродными наноструктурами эластомера позволяет увеличивать его износостойкость до 2,5 -3 раз при трении скольжения;

4. Создании программного продукта, зарегистрированного в Федеральной службе по интеллектуальной собственности;

5. Использовании результатов работы в ООО «РЭМ-синтез» г. Кирова при оптимизации составов и эксплуатационных характеристик эластомерных материалов, используемых в практике производства агрессивостойких уплотнительных изделий.

6. Использовании результатов исследования в учебном процессе на кафедре теоретической и прикладной механики ФГБОУ ВО ИГЭУ им. В.И. Ленина и кафедре химии и технологии переработки полимеров ФГБОУ ВО ВятГУ в лекционных спецкурсах, лабораторных практикумах, при выполнении курсовых и дипломных работ.

Методология и методы исследования. Основные закономерности поведения полимеров при трении и износе, описанные Бартеневым Г.Н., Лаврентьевым В.В. и Муром Д., проявление углеродными наноструктурами

мезогенных свойств, доказанное группой ученых во главе с Сониным А.С., -являлись теоретической основой данного исследования. Определяли фрикционные и противоизносные характеристики с применением стандартных методик и методик, разработанных автором. Для обработки экспериментальных данных использовали регрессионный анализ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Модель интенсивности изнашивания эластомерного материала при трении качения с проскальзыванием, позволяющая учитывать физико-механические характеристики эластомеров.

2. Закономерности влияния типа, концентрации и ориентации углеродных наноструктур на триботехнические характеристики эластомеров.

Степень достоверности и апробации результатов.

Достоверность результатов, полученных в работе, обеспечивается:

- корректным применением известных методик триботехнических и физико-механических исследований к выбранным типам эластомерных материалов на поверенном оборудовании;

- применением современных программных средств для обработки экспериментальных данных, их взаимного согласования и построения компьютерных моделей;

- адекватностью построенных регрессионных моделей, необходимой воспроизводимостью результатов экспериментов и статистической обработкой экспериментальных данных.

Апробация результатов. Результаты диссертационного исследования были представлены автором на следующих научных конференциях, совещаниях и симпозиумах: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. International Conference of Young Scientists and Students "Topical Problems of Mechanical Engineering", Moscow, 2017 - 2020 гг.; XXVIII Международном симпозиуме: Проблемы шин, РТИ и эластомерных композитов. Москва, 2018 г.; XII Международной научно-технической

конференции, посвященной 80-летию ИМАШ РАН, Москва, 2018 г.; IX Всероссийской научно-практической конференции: Надежность и долговечность машин и механизмов, Иваново, 2018 г.; I Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Математическое и компьютерное моделирование в науке о материалах, Череповец, 2019 г.; XIX Всероссийской научно-практической конференции: Общество. Наука. Инновации (НПК-2019) Киров, 2019 г.; IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 13. Сер. "XIII International Scientific Conference "Tribology for Mechanical Engineering", TriboMash 2020" Moscow, 2020 г.; XIII Международной научно-технической конференции «Трибология - машиностроению» Москва, 2020 г.; 85-й Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов (с международным участием). Минск, 2021 г.; Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновационные идеи в машиностроении» (ИИМ-2022), Санкт-Петербург, 2022 г.; Международной научно-технической конференции «Трибология -машиностроению», Москва, 2022 г.

Публикации по теме диссертации и личный вклад автора.

По результатам выполнения диссертационной работы опубликовано 26 работ, из них 2 работы в журналах и изданиях, включенных в Перечень ВАК, и 12 - в одну из баз данных и систем цитирования Web Of Science и/или Scopus, 2 объекта интеллектуальной собственности.

Выносимые на защиту положения, результаты экспериментов и их анализ принадлежат лично автору или получены при его определяющем участии. Все представленные в диссертации новые модели разработаны лично автором.

Соответствие паспорту научной специальности. Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 2.5.3. «Трение и износ в машинах» в части пунктов:

п.7. Триботехнические свойства материалов, покрытий и модифицированных поверхностных слоев.

п.10. Физическое и математическое моделирование трения и изнашивания. п.15. Трибологические испытания: методы и устройства. Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 141 страницах, содержит 5 основных глав, общие выводы и рекомендации, список литературы на 163 наименования, включает 57 рисунков.

Глава 1. Аналитический обзор

1.1. Эластомерные материалы: строение, физико-механические характеристики, применение

Настоящим вызовом в современном автомобилестроении стала большая востребованность в дорогих легковых пневматических шинах для высоких скоростей. Отсюда, в значительной степени выросли требования в качеству изготовления шин, их выходным характеристикам. Соответственно, повышение качества современных шин лежит в плоскости задачи увеличения износостойкости протектора, прочностей каркаса и связей между элементами шины [101, 106, 23].

Благодаря успехам в области синтеза новых каучуков и прогресса в технологии их переработки резина завоевывает все новые области применения в современной технике. Одновременно с этим растет число специалистов, работающих в этой области. Широкое применение резины в современной технике связано с ее уникальными механическими свойствами, с ее способностью к большим обратимым деформациям, т.е. с высокоэластичностью [41]. Характерной чертой эластомеров и наиболее типичных представителей этого класса полимеров - каучуков и резин, - является их способность к большим, как правило, обратимым или частично обратимым деформациям при сравнительно низком модуле упругости (1 - 3 МПа) [69, 66, 140].

Структурные особенности эластомеров определили их функциональное назначение. В Таблице 1.1 [27] приведены примеры строения наиболее распространенных эластомеров. Наряду с эластомерами, молекулярные цепи которых образованы из идентичных звеньев (например, номера 1-3 в Таблице 1.), существуют эластомеры, цепи которых состоят из двух и более типов звеньев, так называемые сополимеры (4, 5 в Таблице 1.1).

Таблица 1.1 - Структурные формулы эластомеров

Эластомер

Структурная формула

1.Цис-полиизопрен (натуральный каучук (СКИ-3))

Н

ОН,

С=С СН СН

2.Цис-полибутадиен

Н

ОН

о = С

ЧСН

2

3.Полихлорбутадиен (неопрен)

С!.

СН

,С= С

^ Н ЧСН

2

4.Бутадиен-стирольный каучук (СКИ-3)

Н\ у^Н

Л= С.

СН

2"

СН

ЧСН

СН

5.Бутадиен-акрилнитрильный каучук

Н

СН

С= С.

Н

ЧСН

СН

СН

СН

СЫ

6.Полиизобутилен (основа бутилкаучука)

СН,

СН,

С

СН

СН

СН

С

СН

7. Полиметилсилоксан

О

СН

Б!

СН

О

СН

Б!

СН

8.Полиэтилен

СН

2 СН2

СН

СН

Продолжение Таблицы 1.1

Эластомер Структурная формула

9.Полипропилен СН3 СИд сн СН2 н н

10. Транс-полиизопрен (гутаперча) Н^ ^СН2 СН2 СН2^ СН3

11. Транс-полибутадиен Н СН2— \ / /С ч СН2 ХН

Эластомеры 1 - 5 кроме простых связей содержат в главной цепи также двойные связи, что обеспечивает их высокую химическую активность и делает возможным образование поперечных связей между молекулярными цепями и получение сетчатых эластомеров - резин. Такие эластомеры носят название каучуков. Каучуком является и сополимер полиизобутилена, и изопрена при малом содержании последнего (1 - 5 %). Такой сополимер называют бутилкаучуком.

Эластомеры 1, 10 и 2, 11 имеют один и тот же химический состав, соответственно (С$Н8)п и (С4Н6)п, но простые связи в главной цепи в случаях 1 и 2 расположены по одну сторону от двойной связи (цис-положение), а в случаях 10 и 11 - по разные стороны (транс-положение). Транс-полиизопрен и транс-полибутадиен при комнатной температуре являются частично закристаллизованными и представляют собой кожеподобные материалы. Поэтому они не могут быть использованы для получения резин, но при нагревании до 50 -80 °С они приобретают высокоэластичные свойства.

В процессе полимеризации двойные связи мономера раскрываются, а затем рекомбинируют с образование цепных структур. При этом наряду с

присоединением 1, 4 («голова к хвосту») возможно образование разветвленных структур 3, 4 и 1, 2.

Кроме указанных различий в микроструктуре, эластомеры (как и другие полимеры) могут различаться стереорегулярностью. Эта черта полимерных молекул была понята в середине 50-х годов Натта и Циглером [52, 154]. Это привело к революции в науке о полимеризации.

На Рисунке 1.1 представлены кривые зависимости напряжение-деформация для натурального каучука и типичного термопласта - полипропилена. Изменение прочности полимеров с аналогичной структурой из-за кристалличности полипропилена очевидно. Упругая деформация может быть вызвана растяжением химической связи, деформацией угла связи или деформацией кристаллической структуры. В эластомере под действием деформации связи не растягиваются, а углы соединения не деформируются.

Б^ат/0/«

Рисунок 1.1 - Кривые растяжения для термопласта и эластомера [130]

Как правило, из внешних факторов, оказывающих влияние на значение прочности, выделяют скорость деформации и термодинамическую температуру. Следует отметить, что существенное влияние на значение прочности оказывают факторы, определяющие структуру материала:

• молекулярная масса и гибкость макромолекул (в высокоэластическом состоянии с увеличением молекулярной массы

прочность возрастает до определенного предела, а затем ее рост практически прекращается);

• величина межмолекулярного взаимодействия (чем выше полярность материала, тем больше разрушающее напряжение, следовательно, прочность);

• разветвленность молекул и плотность молекулярной упаковки (с увеличением разветвленности уменьшается гибкость макромолекул и, следовательно, затрудняются процессы ориентации при растяжении, поэтому прочность и износостойкость снижается);

• регулярность строения полимера (чем выше регулярность строения, тем выше склонность к кристаллизации и ориентации, тем выше прочность и износостойкость);

• структура вулканизационной сетки (с ростом числа поперечных связей сопротивление разрыву изменяется, при этом существует экстремальное значение (максимум));

• введение наполнителей (введение наполнителей до дозировок, меньших оптимума наполнения, приводит к повышению прочности; степень повышения прочности очень сильно зависит от типа наполнителя);

• введение пластификаторов (при введении пластификаторов наблюдается монотонное падение прочности, однако при малом его содержании возможно немонотонное изменение прочности с переходом через максимум).

Внешние нагрузки могут прилагаться как в статическом, так и в динамическом режимах. Статические деформационно-прочностные свойства оценивают по диаграмме растяжения (в осях напряжение о - деформация £). Пример такой зависимости представлен ниже (Рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - Зависимость напряжения а от деформации £ для различных материалов: 1 - реактопласты; 2 - жесткие пластики;

3 - относительно маложесткие пластики; 4 - эластомеры

Растяжение эластомера зависит от изменения величины двугранных углов его молекул. В отсутствие напряжений молекулы эластомера будут находиться в произвольном конформационном состоянии (как правило, в форме клубка). При приложении и постепенном увеличении внешнего воздействия молекулы будут растягиваться до предельного состояния - линейной структуры макромолекул [67]. Для растяжения макроклубков таких молекул необходимы большие деформации. При этом в ненапряженном состоянии эластомер не должен иметь кристаллическую структуру, поскольку любая регулярность элементарной ячейки будет приводить к снижению его эластомерных свойств [66].

Эластомер обладает высоким коэффициентом трения и низкой проницаемостью газов. Сегменты и нити молекул эластомерных материалов (ЭМ) при нормальных условиях (н.у.) находятся в быстром термическом движении. Нити деформированной молекулярной сетки принимают новые

конформационные состояния, менее вероятные, чем их начальные. При этом

происходит уменьшение энтропии сетки в силу малости изменения энергии

связей или структурной энергии ЭМ. Поэтому эластомер является энтропийной

пружиной, поскольку возвращение ее в недеформированное состояние является

наиболее вероятным. Результатом этого является возрастание жесткости

эластомера при увеличении температуры Т, так как энергия энтропийного

состояния TAS уменьшает свободную энергию Гиббса (G = Н — TAS). Отметим,

что это отличает ЭМ от других упругих кристаллических материалов. Их

жесткость снижается с ростом температуры, поскольку при деформировании

металлов их атомы вынуждены переходить из исходного состояния к случайному

с высокой энтропией и низкой энергией связи. Кроме способности к большим

деформациям, ЭМ обладают целым рядом особенностей упругого поведения,

совершенно отличающих их от других материалов [б]. Это, прежде всего, их

практическая несжимаемость при деформации, точнее при деформации,

связанной с изменением формы образца, так как при всестороннем сжатии резина

уменьшает свой объем и коэффициент ее сжимаемости Р = 50 • 10—5 (МПа)-1 на

два порядка выше, чем у металлов и приблизительно равен коэффициенту

сжимаемости жидкостей [160]. Это позволяет использовать резину в таких

амортизаторах, в которых она работает в условиях всестороннего сжатия [32].

Несжимаемость при деформации связана с различием в величинах модуля Юнга

1

(Е~1 МПа) и модуля всестороннего сжатия К = -~2 • 103 МПа. При приложении

к образцу резины растягивающего напряжения а в ней возрастает гидростатическое давление (при малых деформациях р = а/3), но, благодаря различию Е и К, объемная деформация будет в 6000 раз меньше деформации формы, которой можно пренебречь. Эта ситуация бывает при деформациях любого типа и усугубляется при их увеличении. Это допущение позволяет упростить все расчеты деформированного состояния резин. Виды деформации резин представлены на Рисунке 1.3. Упругие деформации любого изотропного

тела (включая резины) при малых деформациях (в пределах их линейности) могут быть охарактеризованы любыми из четырех упругих констант: Е - модуль Юнга, С - модуль сдвига, К - модуль всестороннего сжатия ид- коэффициент Пуассона - отношение величины поперечной деформации к продольной, взятое с обратным знаком. Между этими константами существуют соотношения:

позволяющие рассчитать любую из них по двум другим.

В частности, из последнего соотношения мы видим, что для резин д отличается от 0,5 не более, чем на несколько сотых. Если пренебречь различием (что всегда возможно), то можно показать, что упругие свойства резин при малых деформациях определяются только одной упругой константой. Близость коэффициента Пуассона для резин к 0,5 была неоднократно подтверждена прямыми измерениями. Из первого соотношения (1.1) следует, что модуль сдвига для резин при малых деформациях в три раза меньше модуля Юнга. С увеличением деформации это соотношение изменяется и при больших деформациях стремится к двум. Это связано не только с ограниченной областью применения соотношений (1.1), но и с нелинейностью упругих свойств резин.

2 6 К'

1 Е

(1.1)

Е =

продольное напряжение I^ продольная деформация

К =

объемное напряжение р объемная деформация

V

а

б

д =

напряжение сдвига т деформация сдвига

Ф =

продольное напряжение I^ продольная деформация

в

(поперечная деформация отсутсвует)

Рисунок 1.3 - Виды деформации резин: а - одноосная деформация, б -объемное сжатие, в - сдвиг, г - одноосная деформация (при условии

отсутствия поперечной)

Модуль Юнга для наполненных резин лишь в несколько раз больше, чем для ненаполненных, а коэффициент сжимаемости практически тот же, что, казалось бы, дает основание считать наполненные резины также практически несжимаемыми при деформации. Однако, это не так. При степенях деформации наполненных резин, близких к предельным, происходит отслоение каучуковой матрицы от поверхности частиц наполнителя с образованием вакуолей, что

г

приводит к уменьшению объема [32, 27]. Система становится гетерогенной, и к ней уже не применимы соотношения (1.1).

Модуль упругости эластомера часто характеризуется сопротивлением вдавливанию тупого индентора. Величина вдавливания определяется по нелинейной шкале от 0 до 100, именуемой международной шкалой степени жесткости резины (IRDH - Internetional Rubber Hardness Degrees - то же, что и твердость по Шору А), связанной с величинами модуля упругости Е в пределах от 0 до бесконечности. Значения шкалы IRDH и модуля Е для практических пределов модуля резины даны в Таблице 1.2. Вне этих пределов материалы либо мягкие и слабые, либо жесткие и относительно негибкие.

Таблица 1.2 - Связь между показателем жесткости и модулем упругости

Твердость по Шору А Е, МПа Твердость по Шору А Е, МПа

30 1,0 60 3,6

35 1,2 65 4,5

40 1,5 70 5,5

45 1,9 75 7,5

50 2,3 80 9,5

55 2,9 85 15

Свойства резины практически такие же, как и у несжимаемого тела, модуль объемного сжатия достигает высоких значений (около 2ГПа) в сравнении со значительно меньшим модулем одноосного растяжения Е (в пределах от 2 до 5 МПа). Объемный модуль сжатия сопоставим по своему значению с жидкостями, такими как вода. И, следовательно, сдвиговый модуль упругости (7 приблизительно равен Е/3 , а коэффициент Пуассона заключен между 1/2 и 0,499 (как говорилось выше). Графически это можно представить на Рисунке 1.4.

ю

9

1 ------

0 ------1—

40 50 60 70 80 90 Твердость по Шору А

Рисунок 1.4 - Зависимость модуля упругости резины от твердости по Шору

А при различных температурах

Другим отличием эластомеров от других типов материалов являются их ярко выраженные вязкоупругие свойства. Вязкоупругость присуща всем материалам: проводам воздушных линий электропередач, которые будучи первоначально туго натянутыми, со временем провисают, увеличивая свою длину под действием собственного веса; пружина, сжимающая две детали какого-либо механизма, со временем «устает» и сдавливает детали с меньшей силой; лопатки паровой турбины под действием температуры и центробежной силы постепенно увеличивают свои размеры и т.д. Все это проявления вязкоупругости и пластичности, когда наряду со свойствами идеально упругого тела проявляются свойства увеличивать свою деформацию под влиянием постоянно действующей силы.

В отличие от обычных твердых тел, в которых развиваются пластические и вязкоупругие деформации длительное время, как в приведенных примерах, вязкоупругость эластомеров легко обнаружить при весьма коротком времени наблюдения. Полоска резины под действием подвешенного к ней груза быстро увеличивает свою длину, которая за несколько минут возрастает на 15 - 30% в зависимости от степени вулканизации и типа исходного каучука. Та же полоска,

закрепленная в растянутом состоянии в зажимах разрывной машины, позволяет наблюдать столь же быстрое уменьшение напряжения (релаксацию). Оба этих процесса постепенно замедляются, и через несколько часов устанавливаются практически постоянные (квазиравновесные) длина и напряжение. На самом деле процессы продолжаются и после этого до установления истинных равновесных значений. Обычно разность между ними и квазиравновесными величинами незначительна. После освобождения из зажимов полоска резины сокращается, но не до первоначальной длины, а приобретает некоторую остаточную деформацию, уменьшающуюся с течением времени (упругое последействие). Вследствие незавершенности процесса релаксации и упругого последействия, кривые растяжения и сокращения могут не совпадать между собой. Это явление носит название гистерезиса (Рисунок 1.5). Это величина может служить одним из критериев приближения к истинному равновесию.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Королёв Павел Владимирович, 2023 год

Список литературы

1. Абдрашитов, Э.Ф. Фрикционные свойства силоксановых резин после плазмохимического модифицирования / Э.Ф. Абдрашитов,

A.Н. Пономарев // Трение и износ, 2001. - Т. 22, № 4. - С. 452-460.

2. Айнбиндер, С.Б., Введение в теорию трения полимеров / С.Б. Айнбиндер, Э.Л. Тюнина // АН ЛатССР, Ин-т механики полимеров. -Рига: Зинатне, 1978. - 223 с.

3. Бартенев, Г.М. Трение и износ полимеров / Г.М. Бартенев,

B.В. Лаврентьев. - Ленинград: Химия, 1972. - 240 с.

4. Бартенев, Г.М. Приборы для исследования силы трения высокоэластичных полимеров при постоянной нагрузке и деформации в широкой области температур / Г.М. Бартенев, В.В. Лаврентьев, А.И. Елькин // Сб. «Теория трения и износа». - М. : Наука, 1965. - С. 290-293.

5. Белый, В.А. Трение полимеров / В.А. Белый, А.И. Свириденок, М.И. Петроковец, В.Г. Савкин. - М. : Наука, 1972. - 202 с.

6. Бирштейн, Т.М. Конформации макромолекул / Т.М. Бирштейн, О.Б. Птицын. - М. : Изд-во Наука, 1964. - 391 с.

7. Боуден, Ф.П. Трение и смазка твердых тел / Ф.П. Боуден, Д. Тейбор. - М. : Машиностроение, 1968. - 543 с.

8. Боуден, Ф.П. Трение и смазка твердых тел / Ф.П. Боуден, Д. Тейбор. - М.: Машиностроение, 1968. - 544 с.

9. Виноградов, Г.В. Реология полимеров / Г.В. Виноградов, А.Я. Малкин. - М. : Изд-во «Химия», 1977. - 440 с.

10. Гент, А. Пневматическая шина [Пер. с англ.] / А. Гент, Дж. Уолтер - М. : НТЦ «НИИШП», 2015. - 746 с.

11. Горячева, И.Г., Трение эластомеров. Моделирование и эксперимент / И.Г. Горячева, Ю.Ю. Маховская, А.В. Морозов,

Ф.И. Степанов. — М.- Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2017.

— 204 с.

12. Горячева, И.Г. Трение эластомеров. Моделирование и эксперимент / И.Г. Горячева, Ю.Ю. Маховская, А.В. Морозов, Ф.И. Степанов. — М.- Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2017.

— 204 с.

13. ГОСТ 263-75 Резина. Метод определения твердости по Шору А. -Издательство стандартов, 1989. - 7 с.

14. Крагельский, И.В. Трение и износ, изд. 2-е / И.В. Крагельский. -М. : Машиностроение, 1968. - 480 с.

15. Крагельский, И.В. Основы расчетов на трение и износ / И.В. Крагельский, М.Н. Добычин, В.С. Комбалов. - М. : Машиностроение, 1977. - 526 с.

16. Лебедев, Л.М. Машины и приборы для испытания полимеров / Л.М. Лебедев. - М. : Машиностроение, 1967. - 212 с.

17. Мансурова, И.А. Модифицирование технического углерода углеродными наноструктурами и их влияние на структуру и свойства эластомерных композиций / И.А. Мансурова, В.Е. Ваганов, С.В. Фомин, Д.В. Абрамов, И.А. Морозов // Механика композиционных материалов и конструкций, 2010. - Т. 16, № 2. - С. 155-165.

18. Мансурова, И.А. Влияние строения и химии поверхности углеродных наноструктур на свойства эластомерных композиций на основе бутадиеннитрильного каучука / И.А. Мансурова, О.Ю. Копалина, С.В. Фомин, Г.А. Хлебов, В.Е. Ваганов, Т.П. Дьячкова-Машкова. - Изв. вузов. Сер. хим. и хим. Технология, 2013. - Т. 56, № 5. - С. 77-81.

19. Мансурова, И.А., Упруго-гистерезисные свойства резин, содержащих функционализированные полимером углеродные нанотрубки / И.А. Мансурова, О.Ю. Исупова, А.А. Бурков, К.Е. Гаврилов. - Известия

высших учебных заведений. Серия: химия и химическая технология, 2018. -61(4-5). - С. 76-83. DOI: 10.6060/tcct.20186104-05.5596

20. Мансурова, И.А. Функционализация углеродных нанотрубок техническим углеродом или полимерами для модификации динамических механических свойств резин / И.А. Мансурова, О.Ю. Исупова, А.А. Бурков, И.А. Заграй, А.Г. Хлебов, Е.А. Дурнев, К.Е. Гаврилов. - Перспективные материалы, 2017. - № 8. - С. 69 - 80.

21. Машина 2168 УМТ(м) для испытаний фрикционных, смазочных материалов на трение и износ : Испытательное оборудование «Эталон-Профит». - etalon-profit.ru

22. Мур, Д. Трение и смазка эластомеров / Д. Мур. - М.: Химия, 1977. - 262 с.

23. Никулин, С.С. Композиционные материалы на основе бутадиенстирольных каучуков / С.С. Никулин, И.Н. Пугачева, О.Н. Черных. - М.: Академия Естествознания, 2008. - 145 с.

24. Патент на изобретение RUS 2307133. Резиновая смесь на основе ненасыщенного карбоцепного каучука / Шилов И.Б., Фомин С.В., Хлебов Г.А., Веснин Р.Л.; заявитель и патентообладатель Вятский гос. ун-т; опубл. 19.04.2006.

25. Патент РФ № RU 96657, U1, МПК G01M7/00, G01M7/06, E01F11/00. Способ измерения и регистрации технико-экономических показателей поверхности покрытия дорожной одежды и функциональный комплекс для его осуществления (варианты) / Приходько В.М., Васильев Ю.Э., Юмашев В.М.; приор. от 04.03.2010.

26. Полимеры в узлах трения машин и приборов: Справочник. - М.: Машиностроение, 1980. - 208 с.

27. Присс, Л.С. Физика упругости резины. Теория высокоэластичности / Л.С. Присс. - М.: НТЦ «НИИШП», 2010. - 365 с.

28. Резниковский, М.М. Механические испытания каучука и резины / М.М. Резниковский, А.И. Лукомская. - М.: Химия, 1968. - 500 с.

29. Резниковский, М.М. Механические испытания каучука и резины / М.М. Резниковский, А.И. Лукомская. - М.: Химия, 1968. - 500 с.

30. Сонин, А.С. Жидкие кристаллы соединений углерода / А.С. Сонин, Н.А. Чурочкина, А.В. Казначеев, А.В. Голованов. - Жидк. крист. и их практич. использ., 2017. - Т. 17, № 3. - С. 5-28.

31. Тобольский, А. Свойства и структура полимеров / А. Тобольский.

- Москва: Химия, 1964. - 322 с.

32. Треолар, Л. Физика упругости каучука / Л. Треолар. - М.: Изд-во. иностр. лит-ры.,1953. - 240 с.

33. Ферри, Дж. Вязкоупругие свойства полимеров / Дж. Ферри. - М.: Изд-во иностр. лит., 1963. - 535 с.

34. Ферри, Дж. Вязкоупругие свойства полимеров / Дж. Ферри. - М. : Издатинлит, 1963. - 535 с.

35. Фокин, Д.С. Физико-химические свойства и применение мезогенных производных фенилбензоата, азо- и азоксибензолов с полярными терминальными заместителями: дис. ... канд. хим. наук . Иваново: Иван. гос. хим.-техн. ун-т, 2011. - 142 с.

36. Шилов, М.А. Исследование износостойкости наноструктурированных эластомеров, используемых в пневматических шинах в качестве протекторов / М.А. Шилов, Л.Б. Маслов, П.В. Королев // Жидкие кристаллы и их практическое использование, 2018. - Т. 18. № 1. - С. 73-78.

37. Шилов, М.А. Моделирование деформационных процессов углеродных нанотрубок / М.А. Шилов, А.И. Смирнова, Д.Н. Столбов, Н.В. Усольцева // Жидкие кристаллы и их практическое использование, 2020.

- Т 20, № 1. - С. 85 - 91.

38. Шилов, М.А. Исследование физико-механических свойств резин, армированных углеродными наноструктурами / М.А. Шилов, С.В. Фомин, А.А. Бритова, П.В. Королев // Жидкие кристаллы и их практическое использование, 2020. - Т. 20. № 4. - С. 93-98.

39. Штефан, Ю.В. Модернизация кольцевого стенда «КУИДМ-2» для расширения спектра измеряемых параметров и ускорения испытаний / Ю.В. Штефан, Ю.Э. Васильев, А.Б. Беляков, Г.А. Понарин // Интернетжурнал «Науковедение», 2013. - № 6. - 16 с. - URL: http://naukovedenie.ru/PDF/108TVN613 .pdf

40. Штефан, Ю.В. Модернизация кольцевого стенда «КУИДМ-2» для расширения спектра измеряемых параметров и ускорения испытаний / Ю.В. Штефан // Интернет-журнал «Науковедение» 2013. - №6 [Электронный ресурс] - М.: Науковедение, 2013 - 16 с. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/108TVN613.pdf, свободный

41. Ahmad, S. Carbon nanostructures fullerenes and carbon nanotubes / Ahmad S. - Iete Techn. Rev., 1999 - 16. - p. 297-310.

42. Ajayan, P.M. Nanocomposite science and technology / P.M. Ajayan, L.S. Schadler, P.V. Braun // Polym. Rev., 2007. - 47. - p. 217.

43. Akarca, S.S. Finite element analysis of sliding contact between a circular asperity and an elastic urface in plane strain condition / S.S. Akarca, W.J. Altenhof, A.T. Alpas // Engineering. - 2002.

44. Araby, S. Melt compounding with graphene to develop functional, high-performance elastomers / Araby S, Zaman I, Meng Q, Kawashima N, Michelmore A, Kuan H-C, et al. - Nanotechnology, 2013. - 24(16): 165601. DOI: 10.1088/0957-4484/24/16/165601.

45. Averko-Antonovich, I.Yu. Metody issledovaniya struktury i svoystv [Methods of research of structure and properties]. Kazan, KGTU Publ., 2002. -604 p.

46. Bin Dong Effects of Hybrid Filler Networks of Carbon Nanotubes and Carbon Black on Fracture Resistance of Styrene-Butadiene Rubber Composites / Dong Bin, Liu Chang, Lu Yonglai, Zhang Liqun, Wu. Youping. - Polymer Engineering and Science, 2016. - V. 56. N 12.

47. Bin, Dong Synergistic effects of carbon nanotubes and carbon black on the fracture and fatigue resistance of natural rubber composites / Dong Bin, Liu Chang, Lu Yonglai, Wu. Youping. - Journal of Applied Polymer Science, 2015. - V. 132. N 25.

48. Bismark, Mensah Carbon nanotube-reinforced elastomeric nanocomposites: a review / Mensah Bismark, Gil Kim Han, Lee Jong-Hwan, Arepalli Sivaram, Nah. Changwoon. - International Journal of Smart and Nano Materials. 2015. - Vol. 6, No. 4. - P. 211-238.

49. Blow, CM Rubber technology and manufacture / CM Blow, C. Hepburn. -London; Boston: Butterworth Scientific, 1982. - 608 p.

50. Bokobza L., Ranmani M., Belin C., Bruneel J.-L., El Bounia N.-E. Blends of Carbon Blacks and Multiwall Carbon Nanotubes as Reinforcing Fillers for Hydrocarbon Rubbers. Journal of Polymer Science: Part B: Polymer Physics. 2008. V. 46. P. 1939-1951.

51. Boonbumrung A, Sae-oui P, Sirisinha C. Reinforcement of multiwalled carbon nanotube in nitrile rubber: in comparison with carbon black, conductive carbon black, and precipitated silica. Journal of Nanomaterials. 2016; 1: 1-8. DOI: 10.1155/2016/6391572

52. Cerruti L., Historical and Philosophical Remarks on Ziegler-Natta Catalysts // International Journal for Philosophy of Chemistry, 5(1), 1999, pp. 3 -41.

53. Chen L., Hernandez Y., Feng X. and Mullen K. From nanographene and graphene nanoribbons to graphene sheets: chemical synthesis, Angew. Chem. Int. Ed. 51, 7640 (2012).

54. Chen Y, Peng Z, Kong LX, Huang MF, Li PW. Natural rubber nanocomposites reinforced with nano silica. Polymer Engineering and Science. 2008; 48(9): 1674-1677. DOI: 10.1002/pen.20997.

55. Cho J.R., Lee H.W., Jeong W.B., Jeong K.M., Kim K.W. Numerical estimation of rolling resistance and temperature distribution of 3-D periodic patterned tire // Int. J. Sol. Str. 50 (2013), pp. 86-96.

56. Chow L., "CVD method of producing and doping fullerenes", US Patent, 5 510 098, 1996.

57. Coleman J.N., Khan U., Blau W.J. and Gun'ko Y.K. Small but strong: a review of the mechanical properties of carbon nanotube-polymer composites // Carbon 44, 1624 (2006).

58. Das A, Kasaliwal GR, Jurk R, Boldt R, Fischer D, Stckelhuber KW, et al. Rubber composites based on graphene nanoplatelets, expanded graphite, carbon nanotubes and their combination: a comparative study. Composites Science and Technology. 2012; 72(16): 1961-1967. DOI: 10.1016/j.compscitech.2012.09.005

59. Dell'Erba R., Groeninckx G., Maglio G., Malinconico M. and Migliozzi A. Immiscible polymer blends of semi-crystalline biocompatible components: thermal properties and phase morphology analysis of PLLA/PCL blends // Polymers 42, 7831 (2001).

60. Doca T., Andrade Pires F.M. Finite element modeling of wear using the dissipated energy method coupled with a dual mortar contact formulation // Computers & Structures. 2017. - Vol. 191, Pp. 62-79

61. Dresselhaus M.S., Dresselhaus G. and Avouris Ph. (Eds.) Carbon nanotubes // Topics Appl. Phys. 80, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg. 2001. -173-211.

62. Dubacheva G.V., Liang C.K. and Bassani D.M. Functional monolayers from carbon nanostructures-fullerenes, carbon nanotubes, and graphene-as novel materials for solar energy conversion // Coordin. Chem. Rev. 256, 2639 (2012).

63. Dufresne, A., Paillet, M., Putaux, J., Canet, R., Carmona, F., Delhaes, P., Processing and characterization of carbon nanotube/poly(styren-co-butyl acrylate) nanocomposites. Jnl. Mater. sci. 2002. V. 37. P. 3915-3923.

64. Ebbott T.G., Hohman R.L., Jeusette J.P., Kerchman V. Tire temperature and rolling resistance prediction with finite element analysis // Tire Sci. Technol. 27 (1999), pp. 2-21.

65. Eichinger B.E. The Theory of High Elasticity // Annual Review of Physical Chemistry. - Vol. 34:359-387 (Volume publication date October 1983) DOI: org/10.1146/annurev.pc.34.100183.002043

66. Elias, H.-G.: An Introduction to Polymer Science. VCH Publishers, Weinheim. 1997., pp. 333-354

67. Elias, H.-G.: Macromolecules, Volume 3, Physical Structure and Properties. Wiley VCH, Weinheim, p. 65 (2008)

68. Fernandez de Arlas B, Corcuera MA, Eceiza A. Comparison between exfoliated graphite, graphene oxide and multiwalled carbon nanotubes as reinforcing agents of a polyurethane elastomer. Journal of Thermoplastic Composite Materials. 2015; 28(5): 705-716. DOI: 10.1177/0892705713489325

69. Flory, P.J.: Principles of Polymer Chemistry // Cornell University Press, New York. Ithaca: 1953. pp. 432-494

70. Frogley, M., D., R., H.D., W., Mechanical properties of carbon nanoparticlereinforced elastomers. Comp Sci Technol 2002. V. 63. P. 1647-1654.

71. Galimberti M., Coombs M., Riccio P., Ricco T., Passera S., Pandini S., Conzatti L., Ravasio A., Tritto I. The role of CNTs in promoting hybrid filler networking and synergism with carbon black in the mechanical behavior of filled polyisoprene. Macromolecular Materials and Engineering. 2013. V. 298. N 2. P. 241-251.

72. Geim A.K. and Novoselov K.S. The rise of graphene, Nat. Mater. 6, 183 (2007).

73. Gheno SM, Passador FR, Pessan LA. Effect of NBR partitioning agent on the mechanical properties of PVC/NBR blends and investigation of phase morphology by atomic force microscopy. Polymer Bulletin. 2009; 63(6): 865-881. DOI: 10.1007/s00289-009-0130-3

74. Gong L, Kinloch IA, Young RJ, Riaz I, Jalil R, Novoselov KS. Interfacial stress transfer in a graphene monolayer nanocomposite. Advanced Materials. 2010; 22(24): 2694-7. DOI: 10.1002/adma.200904264

75. Grosch K. A. Ph.D. Thesis "Sliding Friction and Abrasion of Rubbers", University of London. 1963

76. Grosch K. A. The relation between the friction and visco-elastic properties of rubber // Proc. Royal Soc. 1963. Vol. A 274. pp. 21-39

77. Guth E. Theory of filler reinforcement. Journal of Applied Physics. 1945; 16(1): 20-5.

78. Hata K, Futaba DN, Mizuno K, Namai T, Yumura M, Iijima S. Water-assisted highly efficient synthesis of impurity-free single-waited carbon nanotubes. Science. 2004; 306(5700): 1362-1365. DOI: 10.1126/science.1104962

79. Hegadekatte V., Huber N. and Kraft O. Finite element based simulation of dry sliding wear // Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 13 57

80. Ide F. and Hasegawa A. Studies on polymer blend of nylon6 and polypropylene or nylon 6 and polystyrene using the reaction of polymer // J. Appl. Spectrosc. 18, 963 (1974).

81. Ismail H., Ramly A. F., Othman N. The Effect of Carbon Black/Multiwall Carbon Nanotube Hybrid Fillers on the Properties of Natural Rubber Nanocomposites. Polymer-Plastics Technology and Engineering. 2011. V. 50. P. 660-666.

82. Jurkowska B., Jurkowski B., Kamrowskietal P. Properties of fullerene-containing natural rubber // Journal of Applied Polymer Science, vol. 100, no. 1, pp. 390-398, 2006.

83. Kaciulis S., Mezzi A., Balijepalli S.K., Lavorgna M., Xia H.S. Thin Solid Films 581, 80-85 (2015).

84. Kailashiya J, Singha N, Singh KS, Agrawal V, Dash D. Graphene oxide-based biosensor for detection of platelet-derived microparticles: A potential tool for thrombus risk identification. Biosensors and Bioelectronics. 2015; 65: 274280. DOI: 10.1016/j.bios.2014.10.056.

85. Kim H., Miura Y., and Macosko C.W. Graphene/ polyurethane nanocomposites for improved gas barrier and electrical conductivity // Chem. Mater. 22, 3441 (2010).

86. Kim N.H., Won D., Burris D., Holtkamp B., Gessel G.R., Swanson P., Sawyer W.G. Finite element analysis and experiments of metal/metal wear in oscillatory contacts // Wear. - 2005. - Vol. 258, Iss. 11-12, Pp. 1787-1793

87. Koerner, H., Liu, W., Alexander, M., Mirau, P., Dowty, H., Vaia, R., Deformation-morphology correlations in electrically conductive carbon nanotube-thermoplasticpolyurethane nanocomposites. Polymer 2005. V. 46. P. 4405-4420.

88. Konishi Y., Cakmak M. Nanoparticle induced network self-assembly in polymer-carbon black composites. Polymer, 2006, 47, 5371-5391.

89. Kroto H.W., Heath J.R., O'Brien S.C., Curl R.F. and Smalley R.E. C60: buckminsterfullerene // Nature, vol. 318, no. 6042, pp. 162-163, 1985.

90. Lee C, Wei X, Kysar JW, Hone J. Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene. Science. 2008; 321(5887): 385-8. DOI: 10.1126/science.1157996

91. Lee T.R., Raghu A.V., Jeong H.M. and Kim B.K. Properties of waterborne polyurethane/functionalized graphene sheet nanocomposites prepared by an in situ method // Macromol. Chem. Phys. 210, 1247 (2009).

92. Li S, Li Z, Burnett TL, Slater TJ, Hashimoto T, Young RJ. Nanocomposites of graphene nanoplatelets in natural rubber: microstructure and mechanisms of reinforcement. Journal of Materials Science. 2017; 52(16): 95589572. DOI: 10.1007/s10853-017-1144-0

93. Li Y, Li M, Pang M, Feng S, Zhang J, Zhang C. Effects of multi-walled carbon nanotube structures on the electrical and mechanical properties of silicone rubber filled with multi-walled carbon nanotubes. Journal of Materials Chemistry C. 2015; 3(12): 5573-5579. DOI: 10.1039/C5TC00729A

94. Liff SM, Kumar N, McKinley GH. High-performance elastomeric nanocomposites via solvent-exchange processing. Nature Materials. 2007; 6(1):76-83. DOI: 10.1038/nmat1798

95. Liliane B. Multiwall carbon nanotube elastomeric composites: A review. Polymer, 2007, 48, 4907-4920.

96. Lin Y.J., Hwang S.J. Temperature prediction of rolling tires by computer simulation // Math. Comput. Simul. 67 (2004), pp. 235-249.

97. Liu M, Papageorgiou DG, Li S, Lin K, Kinloch IA, Young RJ. Micromechanics of reinforcement of a graphene-based thermoplastic elastomer nanocomposite. Composites Part A 110: Applied Science and Manufacturing. 2018: 84-92. DOI: 10.1016/j.compositesa.2018.04.014.

98. Lopez-Manchado M.A., Biagiotti J., Valentini L., Kenny J.M. Dynamic Mechanical and Raman Spectroscopy Studies on Interaction between Single-Walled Carbon Nanotubes and Natural Rubber. / M.A. Lopez-Manchado // Polymer. 2003. P. 3394 - 3400.

99. Luchini J.R., Peters J.M., Arthur R.H. Tire rolling loss computation with the finite element method // Tire Sci. Technol. 22 (1994), pp. 206-222.

100. Mansurova IA, Burkov AA, Shilov IB, Belozerov VS, Dolgiy EO, Khusainov AD. Effect of hybrid carbon black/carbon nanotubes filler on vulcanizates relaxation behaviour. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii khimiya khimicheskaya tekhnologiya. 2019; 62(11): 106-111. DOI: 10.6060/ivkkt.20196211.5979.

101. Mark D. Frogley, Ravich D., Wagner D.H. Mechanical properties of carbon nanoparticle-reinforsed elastomers. Composites Science and Technology, 2003, 63, 1647- 1654.

102. Martínez F.J., Canales M.,Izquierdo S., Jiménez M.A., Martínezb M.A. Finite element implementation and validation of wear modelling in sliding polymer-metal contacts // Wear. - Vol. 284-285, 25 April 2012, Pages 52-64

103. McAllen J., Cuitino A.M., Sernas V. Numerical investigation of the deformation characteristics and heat generation in pneumatic aircraft tires. Part I. Mechanical modelling // Finite Elem. Anal. Des. 23 (1996), pp. 241-263.

104. Meng F., Lu W., Li Q., Byun J.H., Oh Y. and Chou T.W. Graphene-based fibers: a review // Adv. Mater. 27, 5113, (2015).

105. Molinari J.F., Ortiz M., Radovitzky R. and Repetto E.A. Finite-element modeling of dry sliding wear in metals // Engineering Computations October 2002 D0I:10.1108/00368790110407257

106. Morozov I., Lauke B., Heinrich G. A new structural model of carbon black framework in rubbers. Computational material science, 2010, 47 (3), 817825.

107. Motameni MM, Kokabi M, Bahramian AR. The effect of shear strain amplitude and loading cycle on the horizontal characteristics of fiber reinforced nanocomposite elastomeric seismic isolators. International Polymer Processing Journal of the Polymer Processing Society.2013; 28(2): 168-173. DOI: 10.3139/217.2637

108. Mujkanovic A, Vasiljevic L, Ostojic G. Non-black fillers for elastomers. TMT 2009: 13th International Research/Expert Conference "Trends in the Development of Machinery and Associated Technology", TMT 2009, 16 - 21 October 2009, Hammamet, Tunisia: 2009. p.865-868.

109. Mukhopadhyay P. and Gupta R.K., Eds., Graphite, Graphene, and Their Polymer Nanocomposites // CRC Press, London (2012).

110. Murayama H., Tomonoh S., Alford J.M. and Karpuk M.E. Fullerene production in tons and more: from science to industry // Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures, vol. 12, no. 1-2, pp. 1-9, 2004.

111. Narasimha Rao K.V., Krishna Kumar R., Bohara P.C. A sensitivity analysis of design attributes and operating conditions on tire operating temperatures and rolling resistance using finite element analysis // P I Mech. Eng. D-J Aut. 220 (2006), pp. 501-517.

112. Narasimha Rao K.V., Krishna Kumar R., Bohara P.C., Mukhopadhyay R. A finite element algorithm of steady-state temperatures of rolling tires // Tire Sci. Technol. 34 (2006), pp. 195-214.

113. Nawaz K, Khan U, Ul-Haq N, May P, O'Neill A, Coleman JN. Observation of mechanical percolation in functionalized graphene oxide/elastomer composites. Carbon. 2012; 50(12): 4489-4494. DOI: 10.1016/j.carbon.2012.05.029.

114. Novoselov K.S., Geim A.K., Morozov S.V., Jiang D., Zhang Y., Dubonos S.V., et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science. 2004; 306(5696): 666-669. DOI: 10.1126/science.1102896.

115. Ntziachristos L., Boulter P. Road vehicle tyre and brake wear. Road surface wear // EMEP/EEA air pollutant emission inventory guidebook. Copenhagen, European Environment Agency, 2009, Part B, 32 p.

116. Omar A.Al-Hartomy, Ahmed A. Al-Ghamdi, Falleh Al-Salamy, Nikolay Dishovsky, Desislava Slavcheva, and Farid El-Tantawy. Properties of Natural Rubber-Based Composites Containing Fullerene, International Journal of Polymer Science Volume 2012, Article ID 967276.

117. Papageorgiou DG, Kinloch IA, Young RJ. Graphene/elastomer nanocomposites. Carbon. 2015; 95: 460-84. DOI: 10.1016/j.carbon.2015.08.055.

118. Papageorgiou DG, Kinloch IA, Young RJ. Mechanical properties of graphene and graphene-based nanocomposites. Progress in Materials Science. 2017; 90: 75-127. DOI:10.1016/J.PMATSCI.2017.07.004.

119. Park H.C., Youn S.K., Song T.S., Kim N.J. Analysis of temperature distribution in a rolling tire due to strain energy dissipation // Tire Sci. Technol. 25 (1997), pp. 214-228.

120. Paul D. R. Polymer Blends // Academic Press New York, 1, 8 (2012).

121. Peddini S.K., Bosnyak C.P., Henderson N.M., Ellison C.J., Paul D.R.. Nanocomposites from styreneebutadiene rubber (SBR) and multiwall carbon nanotubes (MWCNT) part 2: Mechanical properties. Polymer. 2015. V. 56. P. 443451.

122. Pinto A.M., Moreira S., Goncalves I.C., Gama F.M., Mendes A.M. and Magalhaes F.D. Biocompatibility of poly (lactic acid) with incorporated graphene-based materials // Colloids Surf. B Biointerf. 104, 229 (2013).

123. Potts JR, Shankar O, Du L, Ruoff RS. Processing-morphology-property relationships and composite theory analysis of reduced graphene oxide/natural rubber nanocomposites. Macromolecules. 2012; 45(15): 6045-55.

124. Qin L.C., Zhao X., Hirahara K., Miyamoto Y., Ando Y. and Iijima S. Materials science: The smallest carbon nanotube, Nature 408, 50 (2000).

125. Ramorino G, Bignotti F, Pandini S, RiccT T. Mechanical reinforcement in natural rubber/organoclay nanocomposites. Composites Science and Technology. 2009; 69(7-8): 1206-1211. DOI: 10.1016/j.compscitech.2009.02.023

126. Sabine Cantournet, M.C. Boyce, A.H. Tsou. Micromechanics and macromechanics of carbon nanotube-enhanced elastomers. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, Elsevier. 2007. 55 (6). P. 1321-1339.

127. Sangwichien C, Sumanatrakool P, Patarapaiboolchai O. Effect of filler loading on curing characteristics and mechanical properties of thermoplastic vulcanizate. Chiang Mai J. Sci. 2008; 35(1): 141-149.

128. Sarkar K., Kwon Y.D., Prevorsek D.C. New approach for the thermomechanical analysis of tires by the finite element method // Tire Sci. Technol. 38 (1987), pp. 261-275.

129. Scherillo G., Lavorgna M., Buonocore G.G., Zhan Y.H., Xia H.S., Mensitieri G., Ambrosio L. ACS Appl. Mater. Interfaces 6(4), 2230-2234 (2014).

130. Shanks Robert A., Kong Ing General Purpose Elastomers: Structure, Chemistry, Physics and Performance // In book: Advances in Elastomers I Chapter: 2 Publisher: Springer-Verlag. Part of the Advanced Structured Materials book series (STRUCTMAT,volume 11) pp 11-45

131. Shilov M.A., Korolev P.V., Fomin S.V., Maslov L.B. Rolling wear of nanostructured elastomers for pneumatic tires // Liquid Crystals and their Application. 2019. T. 19. № 2. C. 85-90.

132. Shivakumar Gouda S., Kulkarni Raghavendra, Kurbet S.N. and Dayananda Jawali Effects of multi walled carbon nanotubes and graphene on the mechanical properties of hybrid polymer composites // Adv. Mat. Lett. 4, 270 (2013).

133. Shutilin Yu. F. Fizikokhimiya polimerov [Physicochemistry of polymers]. Voronezh, Voronezh. obl. typ. Publ., 2012. 972 p.

134. Singh V., Joung D., Zhai L., Das S., Khondaker S.I. and Seal S. Graphene based materials: past, present and future // Prog. Mater. Sci. 56, 1178 (2011).

135. Sinha S. K., Briscoe B. J. Polymer Tribology. London: Imperial College Press, 2009.

136. Sinha SK, Briscoe BJ. Polymer Tribology. London: Imperial College Press; 2009. 724 p.

137. Smalley R.E. Discovering the fullerenes // Rev. Mod. Phys. 69, 723 (1997).

138. Sokolov S.K. Analysis of the heat state of pneumatic tires by the finite element method // J. Mach. Manuf. Reliab. 38 (2009), pp. 310-314.

139. Solov'yov I, Korol A, Solov'yov A. Multiscale Modeling of Complex Molecular Structure and Dynamics with MBN Explorer. Switzerland: Springer International Publishing AG2017; 2017. 451 p. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-56087-8

140. Sperling, L.H.: Introduction to Physical Polymer Science, 4th edn, Wiley&Interscience, Hoboken. 2006. pp. 349-506

141. Stankovich S., Dikin D.A., Dommett G.H., Kohlhaas K.M., Zimney E.J., Stach E.A. and Ruoff R.S. Graphene based composite materials // Nature 442, 7100 (2008).

142. Suwannachit A., Nackenhorst U. A novel approach for thermomechanical analysis of stationary rolling tires within an ALE-kinematic framework // Tire Sci. Technol. 41 (2013), pp. 174-195.

143. Szeluga U., Kumanek B., Trzebicka B. Synergy in hybrid polymer/nanocarbon composites. A review. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2015. V. 73. P. 204-231.

144. Tang M.-Z., Xing W., Wu J.-R., Huang G.-S., Li H., Wu S.-D., Chin. J. Polym. Sci. 32(5), 658-666 (2014).

145. Tang T., Johnson D., Smith R.E., Felicelli S.D. Numerical evaluation of the temperature field of steady-state rolling tires // Appl. Math. Model. 38 (2014), pp. 1622-1637.

146. Thomas S. and Stephen R. Rubber Nanocomposites Prepara-tion, Properties and Applications, Wiley, Singapore, 2010.

147. Thomas S., Maria H. (Eds.) Progress in Rubber Nanocomposites. Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering. Woodhead Publishing. 2017. 598 p.

148. Tiwari A. Fascinating world of immerging graphene technologies // Adv. Mat. Lett. 3, 173 (2012).

149. Tiwari Santosh K., Kumar Vijay, Huczko Andrzej, Oraon R., Adhikari A. De & Nayak G.C. Magical Allotropes of Carbon: Prospects and Applications, Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, (2016) 41:4, 257-317, DOI: 10.1080/10408436.2015.1127206

150. Trappe V, Prasad V, Cipelletti L, Segre P, Weitz DA. Jamming phase diagram for attractive particles. Nature. 2001; 411(6839): 772-775. DOI: 10.1038/35081021.

151. Vickery J.L., Patil A.J. and Mann S. Fabrication of graphene-polymer nanocomposites with higher-order three dimensional architectures // Adv. Mater. 21, 2180 (2009).

152. Vinod VS, Varghese S, Kuriakose B. Degradation behaviour of natural rubber-aluminium powder composites: effect of heat, ozone and high energy radiation. Polymer Degradation and Stability. 2002; 75(3): 405-412. DOI: 10.1016/S0141-3910(01)00228-2

153. Wang J. et al. Graphene-Rubber Nanocomposites: Preparation, Structure, and Properties. Springer international Publishing AG 2017. pp. 175 -209.

154. Wilke G., Fifty Years of Ziegler Catalysts: Consequences and Development of an Invention // Angewandte Chemie International Edition, 42(41), 2003,pp.5000 - 5008.

155. Williams, M.L., Landel, R.F. and Ferry, J.D. The Temperature Dependence of Relaxation Mechanisms in Amorphous Polymers and Other Glass-Forming Liquids // Journal of the American Chemical Society. 1955, 77, 37013707. http://dx.doi.org/10.1021/ja01619a008

156. Wu C, Huang X, Wang G, Wu X, Yang K, Li S, et al. Hyperbranched-polymer functionalization of graphene sheets for enhanced mechanical and dielectric properties of polyurethane composites. Journal of Materials Chemistry. 2012; 22(14): 7010-7019. DOI: 10.1039/c2jm16901k

157. Yan N., Buonocore G., Lavorgna M., Kaciulis S., Balijepalli S.K., Zhan Y., Xia H., Ambrosio L. Compos. Sci. Technol. 102, 74-81 (2014).

158. Yang L, Phua SL, Toh CL, Zhang L, Ling H, Chang M, et al. Polydopamine-coated graphene as multifunctional nanofillers in polyurethane. RSC Advances. 2013; 3(18): 6377-6385. DOI: 10.1039/C3RA23307C

159. Yavari B., Tworzydlo W.W., Bass J.M. A thermomechanical model to predict the temperature distribution of steady state rolling tires // Tire Sci. Technol. 21 (1993), pp. 163-178.

160. Yeoh O.H. Some forms of the strain energy function for rubber // Rubber Chemistry and Technology. - 1993. - Vol. 66, iss. 5. - P. 754-771.

161. Young RJ, Liu M, Kinloch IA, Li S, Zhao X, Valles C, et al. The mechanics of reinforcement of polymers by graphene nanoplatelets. Composites Science and Technology. 2018; 154: 110-116. DOI: 10.1016/j.compscitech.2017.11.007.

162. Zhao X., Zhang Q. and Chen D., Enhanced mechanical properties of graphene-based poly(vinyl alcohol) composites // Macromolecules 43, 2357, (2010).

163. Zhovner N. A., Chirkova N. V., Khlebov G. A. Struktura i svoystva materialov na osnove elastomerov [Structure and properties of materials based on elastomers]. Omsk, RosZITLP Publ., 2003. 276 p.

Приложение А. Расчет экономического эффекта

Таблица П1 - Характеристики «чистого» материала

Компонент Масс ч. Масс.% Цена (руб.)

8БЯ-1500 100 57,3 45,66

Сера 1 0,6 10,08

Масло 15 8,6 5,31

СА-Т 1,5 0,9 208,65

Оксид цинка 5 2,9 38,05

Стеариновая кислота 2 1,1 32,34

Тех. Углерод N660 50 28,6 20,77

Итого: 174,5 100 35,89

Таблица П2 - Характеристики композита

Компонент Масс ч. Масс.% Цена (руб.)

8БЯ-1500 100 57,3 45,66

Сера 1 0,6 10,08

Масло 15 8,6 5,31

СА-Т 1,5 0,9 208,65

Оксид цинка 5 2,9 38,05

Стеариновая кислота 2 1,1 32,34

Тех. Углерод N660 50 28,6 20,77

Итого: 174,5 100 35,89

Цена смеси

-= цена • удельный вес

ед. объема

Таблица П3 - Сравнение себестоимости материалов

Шина Себестоимость протекторной части покрышки (руб.) Расстояние на одном комплекте (км) Цена на 100000 км (руб. на 10.22)

СКС-30 72,93 50000 141,8

СКС-30 + УНТ 84,35 100000 81,0

С целью определения экономической эффективности по указанной методики нами был проведен расчет, показавший, что 1 км на стандартной резине обходится в 1,73 раза дороже, чем на модифицированной.

Приложение Б. Патенты и свидетельства

И.1(1.:Ыга, 19 29

№ ИЗ М2П221299Й1

Г<К < ||]И НЛН кЦЕМЦЫ

114)

ни 2022 129 981 А

• ЕДЕМЛЬНЛЯ СЛУЖБА N1» сим ШШуиШнЬ н (!Ы I м ммги: [ и

("ЧАЛВКА НА ИЗОБРЕТШИЕ

_Счстон—а яыюпроизицдстш: Экспертиза посущвстиу Гппсп^ди« рииспение чтатусд 1Ь

|]|)|]])Эт1а: Л>2Д1:,19«1. lT.JL.2IHi

ДелопроЕЕ ч воде ь во

Исшднмш корршшнд^нии« Ишицл корреглоклеклпн

Уведомление об удовлетворении яодаггакетва Ходатайство а проведении экспертизы члв^и па существу 2ft.IH.2023

Письмо а пошлине 15.05.2023 Платежный документ 02.ft5.2023

Письмо ДЛЯ СВСДСКЕЕЯ 2ft.tH.2023

Уведомление о пшюкнтслыш результате фПрМаЛЬНОЕС 1КСПерТИ1Ы 26.01.ЗД23 Дополнит ел ькыс материалы 04.01 2023

АшрО-С формальной экспертизы 09.12.2U22

Пеесьмо о пошлине 0').12.2[)22 Платежный документ 05.12.2022

Уведомление с пек пошлины 09.12.2022 Платежный документ 2'). ] ] .2012

ДОКУМСШ Ы ЗаЛЕКИ ДЛЯ установления дэггы подачи 2'). ] ] .2012

ПИСЬМО ДЛЯ СВСДСКЕЕЯ 2<> ] 1.2032

Ходатайство о веленлл ПСреППСКЕЕ ЧСрС! ЛИЧНЫЙ кабинет 2<> ] 1.2012

'4щ]рое форЫЭЛЬНИЙ экспертизы о ксобаодл мости уплаты патентной пошлины 25.11.2022

Уведомление с поступлении документов заявки 21.11.2022

1 1

Приложение В. Акты внедрения

ОЫЦЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ «РЭМ С и н те з«

610030.1 Кирой, ул. П. Кч|1'«;и ни.1.88. корп. 18,тел/ф. 8<8332) 40-23-03 . 40-2.3-04 НИН 4345095836 КПП 434501001 р'с 10702810527000005956 . Кировском тлс.книи .V86I2 ПАОСбербанк

БИК 043304W) к с 3010181ОЯХЮОООООМЮ __E-mail: mlogTcrn3U»cz43.гц ht1p:/.'wvrw. rcfminle/43 ru

Акт

о результатах диссертационной работы IIB. Королёва на тему «Прогивоиэносныс к фрикционные характеристики эластомериых материалов на основе каучуков СКИ-3 и СКС-ЗО-АРКМ-15. армированных углеродными нанотрубкамн»

Настоящим актом подтверждаю прохождение апробации результатов шссертащюнной работы Королёва Павла Владимировича по определению механизма изнашивания, вшимосвязи физико-механических и триботехнических характеристик эластомериых материалов.

На основании выполненных работ по апробации установлено, что теоретические и жеперн ментальные результаты диссертационной работы могут быть использованы при оптимизации составов и эксплуатационных характеристик эластомериых материалов, используемых в практике производства агрессивостойких у плотнительных изделий в условиях пронзи детва ООО «РЭМ-Синтез». Также установлено, что алгоритмы оценки физико-механических характеристик «ластомсрных композиционных материалов средствами численного моделирования, позволяют сократить время оценки триботехничсских свойств эластомериых композитов, армированных углеродными наноструктурами и их реализации в производственных условиях до 20 - 30 %.

От ООО «РЭМ-Оощи*-Дирекчор

Ja м. д и ре Ki opa. r. i .'Чеы+втл "

/У<Уу Меркушсв О.И.

Ol ФГБОУ ВО «ИГЭУ» доцент кафедры ТиНМ к.т.н., доцент

—-"Шилов М.А.

Зав. лаб. кафедры ТнПМ

• —Л__,

> **_Королев П.В.

«УТВЕРЖДАЮ»

Ь по научной работе ИГЭУ

д.т.н., проф. Тютиков В В.

20¿5 г.

АКТ

о внедрении результатов кандидатской дисссртации Королева Павла Владимировича в учебный процесс кафедры теоретической и прикладной механики ФГ'БОУ ВО Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина

(ИГЭУ)

Мы, нижеподписавшиеся, подтверждаем, что основные научные положения, выводы и рекомендации кандидатской дисссртации Королёва Павла Владимировича на тему «Противоиэносные и фрикционные характеристики эластомерных материалов на основе каучуков СКИ-3 и СКС-ЗО-АРКМ-15, армированных углеродными наногрубками» внедрены в учебный процесс кафедры «Теоретическая и прикладная механика» при изучении дисциплин «Механика контактного взаимодействия», «Компьютерное моделирование в механике» читаемых студентам по направлениям подготовки 01.03.03 Механика и математическое моделирование (уровень бакалавриата) и «Механика разрушения» по направлению подготовки 01.04.03 Механика и математическое моделирование (уровень магистратуры).

Декан электромеханического факультета

ФГБОУ ВО ИГЭУ им. В.И. Ленина.

Крайнева Л И.

к.т.н.

Заведующий кафедрой теоретической и прикладной механики ФГБОУ ВО ИГЭУ им. В.И Ленина, д.ф-м.н., доцент

Маслов Л. Б.