При трении твердых полимеров в отличие от трения металлов площадь срезаемых адгезионных контактов (мостиков схватыва­ния) близка к площади контакта — поверхности, образовавшейся при статическом нагружении.

Механические свойства полимеров ранее рассматривались без учета влияния поверхностно-активных и химических активных сред, проникающего облучения, наполнителей, пластификаторов и других факторов. Деформация пластмасс при трении в условиях ограни­

ченных нагрузок является приближенно «пластической» и характе­ризуется возникновением сильной адгезии на поверхности раздела, а сила трения может быть выражена уравнением (13.5). Природа трения твердых полимеров близка к природе трения низкомолеку­лярных твердых тел. Отличие заключается лишь в том, что у твер­дых полимеров площадь фактического контакта формируется в ре­зультате вынужденноэластической деформации.

Трение стеклообразного полимера складывается, как и для твердых тел, из адгезионной и объемно-механической составляю­щих. С понижением температуры адгезия между фрикционной па­рой заметно увеличивается, а сила трения возрастает довольно медленно. При этом изменяется механизм деформации шерохова­тостей на поверхности — из вынужденноэластического превраща­ется в упругий. При этом уменьшается площадь фактического кон­такта, и сила трения с понижением температуры падает.

Для твердых полимеров при температуре ниже точки росы вследствие конденсации влаги на поверхности трения и ее смазоч­ного действия сила трения с понижением температуры уменьшает­ся до тех пор, пока не будет достигнута соответствующая темпера­тура. При повышенных температурах сила трения проходит через максимум вследствие действия термоокислительных процессов на поверхностный слой полимера.

Двумя основными механизмами трения твердых полимеров яв­ляются адгезионный, обусловленный механическими потерями в поверхностном мономолекулярном слое полимера, и объемно-меха­нический, связанный с механическими потерями в самом полимере, вследствие того что сцепленные с твердой поверхностью шерохова­тости и поверхностные слои полимера в процессе скольжения под­вергаются деформации.

Боуден изучал адгезию, локализованную в месте контакта двух твердых полимеров (пластиков). Он установил, что на картине сле­да, образовавшегося при скольжении поливинилхлорида по этому же материалу, остаются частицы материала ползуна, прочно при­ставшие к поверхности, что является результатом сильной адгезии

[13.2] . Следует отметить, что механизм трения пластиков в целом подобен механизму трения металлов, а коэффициент трения при­близительно равен отношению сопротивления среза к пределу те­кучести и не зависит от нагрузки. Однако в области малых нагру­зок по мере их понижения коэффициент трения увеличивается. Предполагается, что в отличие от металлов, для которых деформа­ция в области контакта носит чисто пластический характер, у твер­дых полимеров при малых нагрузках происходит упругая дефор­мация. Для пластмасс в широком диапазоне изменения нагрузок выполняется общий закон деформации, отвечающий промежуточ­ному характеру деформации между чисто пластическим и чисто упругим.

Пасколом и Тейбором было установлено, что у тефлона очень низкий коэффициент трения. Это является характеристикой самого материала, так как даже в высоком вакууме (когда все внешние пленки удалены) коэффициент трения остается низким (/=0,05-4- 4-0,2). Боуден изучал внешнее трение тефлона, когда последний был сосредоточен в раковинах пористого металла. Такой материал обладает механическими свойствами металла, но имеет фрикцион­ные свойства тефлона. Исследования показали, что тефлон обла­дает наилучшими антифрикционными свойствами при трении без смазки. Несмотря на свою высокую химическую и тепловую стой­кость, низкий коэффициент трения, тефлон мало применяется в чистом виде, так как он обладает малой теплопроводностью, что является причиной увеличения интенсивности износа, и выдержи­вает удельное давление не свыше 0,5 МПа. Поэтому его применяют в сочетании с другими, более прочными материалами.

Большое значение имело создание композитного материала, в котором тефлон (в виде волокна) сочетается с прочными металли­ческими волокнами. Подшипники из подобного материала применя­ются в узлах подвесок реактивных двигателей и в подвесках шасси самолетов (например, в английском пассажирском реактивном са­молете «Комета» установлено около 400 подшипников на основе тефлона). Принцип работы такого подшипникового материала за­ключается еще и в том, что металлическая губка отводит возника­ющую на поверхности трения теплоту и несет основную часть на­грузки, а поверхностный слой тефлона выполняет роль смазки. В местах, где слой тефлона перестает существовать, начинается трение стали по бронзе. Коэффициент трения в этом месте увеличи­вается, вследствие чего повышается температура. Так как тефлон имеет значительно больший коэффициент теплового расширения, чем бронза, он выделяется из пор и вновь создает на поверхности трения смазочную пленку.

Антифрикционные свойства тефлона изучены достаточно хоро­шо, тогда как антифрикционные свойства пластмасс на основе полиамидов и полиэтиленов, применяемых в качестве подшипнико­вых материалов для некоторых легко нагруженных сопряженных деталей машин, изучены мало. В связи с этим Матвеевским были исследованы полиамиды различных марок, полиэтилен низкого и высокого давления и тефлон. Часть испытаний длительностью 60 мин велась при температуре 20° С, а испытания при повышен­ных температурах длились 1 мин. Температура изменялась от 20 до 350° С. Для всех полиамидов при сухом трении по стали наблю­далось прерывистое скольжение, сопровождающееся значительны­ми скачками коэффициента трения. Наибольшее значение коэффи­циента трения и его скачка были получены для полиамидов.

При сухом трении полиэтиленов и тефлона по стали были полу­чены плавное скольжение и постоянные (сравнительно невысокие) значения коэффициента трения. Власовой и Носовой для повыше­ния предельных нагрузок и уменьшения коэффициента трения по­лиамидов проводились работы по наполнению их антифрикционны­ми добавками (графит, тальк, дисульфид молибдена). При этом было показано, что введение наполнителя в количестве 5—15 вес. % дает хорошие результаты.

Низкая теплопроводность полиамидов ограничивает их приме­нение при больших скоростях и нагрузках. Поэтому в ряде случаев^, полиамиды в виде тонких пленок наносятся на металлическую по­верхность, в результате чего устраняется влияние низкой теплопро­водности полиамида на его износ, а хорошие антифрикционные и износостойкие свойства сочетаются с высокой механической проч­ностью металла.

При низких температурах высокоэластическая деформация по­лимеров D вследствие ее релаксационного характера не успевает развиться. Поэтому с понижением температуры D уменьшается и при некоторой температуре (ниже Тс) небольшие напряжения мо­гут вызвать лишь малые упругие деформации.

В стеклообразном состоянии наблюдается низкотемпературный максимум силы трения F. При этом отклонение эксперименталь­ной температурной зависимости F от теоретической объясняется главным образом уменьшением площади фактического контакта твердого полимера по сравнению с полимером в высокоэластичес­ком состоянии.