Методы активного управления трением в присутствии смазочных композиций с мезогенными присадками

Целью исследования является систематизация новейших литературных сведений, относящихся к модуляции коэффициента трения внешними полями при использовании смазочных композиций с жидкокристаллическими мезогенами и полимерными композитами. 

Методы. В статье рассмотрены методы трибологических испытаний с использованием различных схем пар трения (цилиндр-диск, штифт-диск). Указаны некоторые широко используемые методы нанесения покрытий на элементы пар трения: ионно-лучевое осаждение, химическое и физическое термическое напыление, молекулярное слоевое осаждение, фотополимеризация и др. Из обсуждаемых методов характеризации трибосистем обозначены: диэлектрическая спектроскопия, комбинационное рассеяние света, поляризационная оптическая микроскопия, ядерно-физические методы (позитронная аннигиляционная спектроскопия и рентгеновскя дифракция).

Результаты. Систематизированы современные тенденции в разработке модулированных режимов функционирования триботехнических схем со смазочными композициями, имеющими в своем составе жидкие кристаллы и полимерные композиты. Для осуществления активного управления коэффициентом трения применяются следующие подходы: 1) модуляция трения электрическим полем, 2) модуляция трения температурным полем и 3) модуляция трения на оптических решетках при облучении светом. В этих подходах учитываются измененные характеристики смазочного материала, связанные с применением мезогенных присадок, режимы воздействия электромагнитным и тепловым полем, электрические характеристики, геометрия поверхности пар трения, приводятся значения трибологических показателей (коэффициент трения и износ), которые достигаются в результате модуляции трения.  

Заключение. Установлено положительное влияние мезогенных добавок жидких кристаллов и полимеров на триботехнические показатели при активном управлении коэффициентом трения: наблюдается снижение коэффициента трения, что способствует снижению изнашивания материалов.

1. Доценко А. И., Буяновский И. А. Основы триботехники. М.: ИНФРА-М, 2014. 336 с.

2. Основы трибологии (трение, износ, смазка) / А. В. Чичинадзе, Э. Д. Браун, Н. А. Буше, И. А. Буяновский, Ф. Р. Геккер, И. Г. Горячева [и др.]. М.: Машиностроение, 2001. 664 с.

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

4. Фролов К. В. Современная трибология. М.: Наука, 2008. 408 с.

5. Usoltseva N. V., Smirnova A. I. Liquid crystals as lubricants // Lubricants. 2019. Т. 7. С. 111-1–111-25. https://doi.org/10.3390/lubricants7120111

6. Жидкие кристаллы: дискотические мезогены / Н. В. Усольцева, О. Б. Акопова, В. В. Быкова, А. И. Смирнова, С. А. Пикин; под ред. Н. В. Усольцевой. Иваново: Иванов. гос. ун-т, 2004. 546 с.

7. Ермаков С. Ф. Трибология жидкокристаллических наноматериалов и систем. Минск: Беларуская навука, 2012. 380 с.

8. Eidenschink R. Liquid crystals in variable friction devices // Angewandte Chemie. 1988. Vol. 100(11). P. 1639–1640.

9. Gao Y., Xue B., Ma L., Luo J. Effect of liquid crystal molecular orientation controlled by an electric field on friction // Tribology International. 2017. Vol. 115. P. 477–482. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2017.06.021

10. Gao Y., Ma L., Luo J. Temperature-controlled friction coefficient lubricated by liquid crystal // Liquid Crystals. 2022. Vol. 49(1). P. 66–71. https://doi.org/10.1080/02678292.2021.1944355

11. Carrión F.-J., Martínez-Nicolás G., Iglesias P., Sanes J., Bermúdez M.-D. Liquid crystals in tribology // Int. J. Mol. Sci. 2009. Vol. 10. P. 4102–4115. https://doi.org/10.3390/ijms10094102.

12. Tribological properties of thin films made by atomic layer deposition sliding against silicon / L. Kilpi, O. M. E. Ylivaara, A. Vaajoki, X. Liu, V. Rontu, S. Sintonen [et al.] // Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. 2018. Vol. 36. P. 01A122-1– 01A122-12. https://doi.org/https://doi.org/10.1116/1.5003729.

13. Jullien A., Meurisse M.-H., Berthier Y. Fractionated thin film lubrication // Thin Films in Tribology / ed. by D. Dowson [et al.]. Elsevier Science Publishers B.V., 1993. P. 389–396.

14. Recent highlights in nanoscale and mesoscale friction / A. Vanossi, D. Dietzel, A. Schirmeisen, E. Meyer, R. Pawlak, Th. Glatzel [et al.] // Beilstein J. Nanotechnol. 2018. Vol. 9. P. 1995–2014. https://doi.org/10.3762/bjnano.9.190

15. Tribological and percolation properties of polypropylene/nanodiamond soot composites / O. V. Lebedev, O. I. Bogdanova, G. P. Goncharuk, A. N. Ozerin // Polymers and Polymer Composites. 2020. Vol. 28(6). P. 369–377. https://doi.org/10.1177/0967391119879280

16. Зеленая трибология: ориентационные свойства углеродных алмазоподобных покрытий трибологических узлов в смазочных средах (обзор) / В. А. Левченко, И. А. Буяновский, А. Н. Большаков, В. Н. Матвеенко // Журнал прикладной химии. 2019. Т. 92, № 12. С. 1499–1513. https://doi.org/10.1134/S0044461819120016

17. A liquid-crystal model for friction / C. H. A. Cheng, L. H. Kellogg, S. Shkoller, D. L. Turcotte // PNAS. 2008. Vol. 105(23). P. 7930–7935. https://doi.org/10.1073/pnas.0710990105

18. Scaraggi M., Carbone G., Persson Bo N. J., Dini D. Lubrication in soft rough contacts: A novel homogenized approach. Part I. Theory // Soft Matter. 2011. Vol. 7. P. 10395–10406. https://doi.org/10.1039/c1sm05128h

19. Scaraggi M., Carbone G., Dini D. Lubrication in soft rough contacts: A novel homogenized approach. Part II. Discussion // Soft Matter. 2011. Vol. 7. P. 10407–10416. https://doi.org/10.1039/c1sm05129f

20. Ермаков С. Ф. Влияние смазочных материалов и присадок на триботехнические характеристики твердых тел. Часть I. Пассивное управление трением // Трение и износ. 2012. Т. 33(1). С. 90–111.

21. Исследование влияния жидких кристаллов на трение твердых тел / Б. И. Купчинов, С. Ф. Ермаков, В. П. Паркалов, В. Г. Родненков, С. Н. Бобрышева // Трение и износ. 1987. Т. 8(4). С. 614–619.

22. Lahiri T., Pushkar S. K., Poddar P. Theoretical study on the effect of electric field for carbon nanotubes dispersed in nematic liquid crystal // Physica B. 2020. Vol. 588. P. 412177-1–412177-9. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.physb.2020.412177

23. Friedrich K., Schlarb A. K. Tribology of polymeric nanocomposites: friction and wear of bulk materials and coatings. Amsterdam: Elsevier, 2011. 568 p.

24. Głogowski M. J., Hałuszka N. Effect of an electric field on friction of silicone rubber against steel in the motor base oil's environment // Journal of Electrostatics. 2017. Vol. 88. P. 214– 217. https://doi.org/http://dx.doi.org/10.1016/j.elstat.2017.01.023

25. Triboelectric-optical responsive cholesteric liquid crystals for self-powered smart window, E-paper display and optical switch / H. Liu, Z. Hao Guo, F. Xu, L. Jia, Ch. Pan, Zh. Lin Wang [et al.] // Science Bulletin. 2021. Vol. 66. P. 1986–1993. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.scib. 2021.05.016.

26. Dielectric characterization and voltage holding ratio of blue-phase cells / P.-Ch. Wu, H.-T. Hsu, H.-L. Chen, W. Lee // Displays. 2016. Vol. 44. P. 66–72. http://dx.doi.org/10.1016/j.displa.2015.11.003

27. Liua D., Broer D. J. Light controlled friction at a liquid crystal polymer coating with switchable patterning // Soft Matter. 2014. Vol. 10. P. 7952–7958. https://doi.org/10.1039/c4sm01249f

28. Relationship between tribology and optics in thin films of mechanically oriented nanocrystals / L. Wong, C. Hu, R. Paradise, Z. Zhu, A. Shtukenberg, B. Kahr // J. Am. Chem. Soc. 2012. Vol. 134. P. 12245−12251. https://doi.org/dx.doi.org/10.1021/ja304799a

29. Sliding direction dependence of stick-slip in finger friction / Zh. Xiang, Yu. Li, X. Zhou, P. Bai, Yo Meng, L. Ma [et al.] // Tribology International. 2024. Vol. 191. P. 109–141. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.triboint.2023.109141

30. Effect of polymer chain modifications on elastomer properties / K. S. Bandzierz, L. A. E. M. Reuvekamp, J. Dryzek, W. K. Dierkes, A. Blume, D. M. Bieliński // Rubber Chemistry and Technology. 2019. Vol. 92(1). P. 69–89. https://doi.org/https://doi.org/10.5254/RCT.18.82685 2019