Исследование процессов трибоэлектризации порошков различных трибопар из диэлектрических электровеществ.

В экспериментах исследовали различные условия трения для различных электровеществ в сочетаниях: ЭД-ЭА, ЭД-ЭД, ЭА-ЭА

Установка (физическая модель) контактного трения позволяет проводить процессы «сухого» трения без каких- либо побочных явлений. При экспериментах в качестве одного триботела применяли тормозящий трибоэлемент с рёбрами, выполненными в виде многозаходной винтовой линии из различных материалов, а в качестве другого триботела – мелкодисперсные 50х10^-6м. частицы порошка. Процесс трибоэлектризации проводился при следующих условиях: температура 278⁰К, скорость перемещения 10, 30, 45, 60 м/с, расход (количество) 6х10^-3 кг с^-1.

Результаты экспериментов электромеханического взаимодействия точечных контактов при трении скольжения: перемещение и одновременное совершение работы выхода, разуплотнение электровещества – прямой переход в постоянный (атомарный) электрический ток при торможение порошковых микро нано размерных частиц о трибоэлементы, хорошо согласуются с выведенной математической формулой (моделью). I_зар.= σ_ч ρ_чG Кл/с [7].

Рассмотрим процесс «сухого» трения с трибоэлектрических позиций по токовым характеристикам: току электризации I_эл. и ток утечек I_у. считая его следствием перехода электрозарядов из объёма поверхностного слоя ЭД на поверхность ЭА. Стабильность перехода электроатомов (электрозарядов, электрополей) обеспечивалась их отводом на «землю» через токосъёмник (коллектор) из проводника. Изменение свойств диэлектрических материалов в результате трибоэлектризации исследовались по электретной методике - электретной разности потенциалов U_к трибоэлектретов.[6,7,8,9]

Приведённые зависимости тока электризации от «химической» природы трибоконтактных пар на Рис 1 видно, что трибопары, где ЭД - полимерная частица на эпоксидной основе (П-ЭП-219) и/или на другой основе, а ЭА - полимерный трибоэлемент из политетрафторэтилена (ПТФЭ) (например, пара П-ЭП - ПТФЭ) генерируют наибольший ток электризации (графики 1–5). Трибопары полиметилметакрилат (ПММА-ПА) полиамид (график 8) и ПММА-ПТФЭ (график 7) генерируют сравнительно низкий ток электризации. При трении проводников характер графиков токов электризации подобен графикам диэлектриков. Например, для пары бронза – железная пудра ток I_эл. = 10^-6 А, (график 12), для пары бронза – бронзовая пудра ток электризации I_эл. = 10^-8 А, I_эл.≈ 0 (график 9), который является обобщенным для однородных материалов трибопар ЭД - ЭД, ЭА – ЭА. Для трибопар ЭД (бронзовая пудра) – ЭА (ПТФЭ) график 10 и ЭД (железная пудра) и ЭА (ПТФЭ) график 11 имеют те же закономерности трибоэлектризации, что и для пар полимер – полимер, только заряд на порошковых частицах проводниковых материалов быстро нейтрализуется. При изолированном процессе трибоэлектризации диэлектрических пар ЭД-ЭА, когда исключается отвод генерированных электрозарядов (электроатомов) в виде постоянного (атомарного) тока на «землю» процесс трибоэлектризации прекращается (самозатухание), так как ЭА накапливает на поверхности свободные несвязанные поверхностные электроатомы (электрозаряды), наблюдается эффект насыщения и электризация порошковых частиц прекращается. Рис.1

Рис.1

Зависимость тока трибоэлектризации от природы материалов

Рис.2

Модель трибоэлектризованной диэлектрической частицы ЭД

и механизм перехода электроатомов на ЭА

Разница величин токовых характеристик различных трибоконтактных пар при одних и тех же условиях обусловлена разницей работ выхода электрозаряда (электроатома, электрополя) из электровещества.

При этом разность электропотенциалов незначительна и свободные поверхностные электрозаряды равновесно перемещаются с одной поверхности на другую. Аналогично протекает процесс и при трибоэлектризации диэлектрических пар (ЭА-ЭА) и (ЭД-ЭД). Если в отдельных точках контакта создаётся избыточный и/или недостаточный потенциалы, то при перемещении тел заряженные точки совмещаются и нейтрализуют локальную разность электропотенциалов в единичных электроискровых разрядах за счёт свободных поверхностных электрозарядов, поэтому процесс генерации электрозарядов (электроатомов, электрополей) не эффективен и уровень трибозарядки частиц низкий. Исследования зависимости тока электризации от скорости потока порошково-воздушной смеси (ПВС) показали, что процесс полной трибозарядки частицы (до пробойного потенциала) протекает на коротком участке длиной (50-200мм) и даже однородные трибопары ПТФЭ – ПТФЭ трибоэлектризуются достаточно эффективно при отводе электроатомов (электрозарядов, электрополей) на «землю» с рабочих поверхностей.

При трибоэлектризации разнородных материалов пар ЭД-ЭА в специально подобранном режиме эффективность трибогенерации постоянного (атомарного) тока достигала величины 200мА.

Исследования термоактивационными методами электрофизических свойств осажденного слоя из трибоэлектризованных частиц показывают изменение структуры материала (порошковой диэлектрической частицы) На Рис. 2 показана модель трибоэлектризованной диэлектрической частицы и механизм перехода электроатомов c ЭД на ЭА.

Термоаналитические исследования образцов проводили на дериватографе Ф. Паулик, Дж. Паулик, Л. Эрдей. Контрольные образцы порошка П-ЭП-219 и трибоэлектризованные образцы нагревали со скоростью 5⁰С/мин. Появление следов деструкции материала на контрольном образце порошкового полимера сопровождался потерей количества материала (электровещества) и начинается при 543⁰К, а на трибоэлектризованном 513⁰К. Снижение температуры (Т) начала разложения порошка с потерей количества электровещества связано с потерей электрозарядов (электроатомов, электрополей), подтверждая материальность (электровещественность) электроатомов (электрозарядов, электрополей). Поскольку в эксперименте при трибоэлектризации порошковых диэлектрических частиц ничего, кроме генерированного постоянного (атомарного) тока не изымалось из системы трения, а при нагреве трибоэлектретного слоя установлено, что потеряна масса (количество) электровещества, то можно утверждать, что заряды (электроатомы, электрополя) являются первичным электровеществом. Наличие потенциала, характеризует недостаток электроатомов в объёме ЭД и избыток электроатомов на поверхности ЭА, а так же трибоэлектретное состояние каждой отдельной частицы и всего порошкового слоя с созданием электрического поля трибоэлектрета [6].

Экспериментально подтверждается, что при трибоэлектризации порошковых частиц материал ЭД в процессе торможения о трибоэлементы материал ЭА, твёрдая часть частицы ЭД совокупного электронейтрального состояния (взаимодействия) приобретает трибоэлектретное заряженное разуплотнёное состояние (взаимодействие) за счёт недостатка дискретных электронейтральных электроатомов (электрических объёмных плотностей, электрозарядов, электрополей, электроволн, электрохимических элементов) ушедших на поверхность ЭА откуда они через проводник в виде постоянного (атомарного) тока электроатомов (электрозарядов, электрополей, электроволн, электрохимических элементов) отводятся на «землю», иначе говоря, подтверждается процесс самоорганизации электроизноса и/или электроразрушение (электровещества) при отводе электрозарядов на «землю» и/или в виде электроискровых разрядов.

По разработанной, на трибоконтактных парах порошковая частица – трибоэлемент, методике исследовали механизм электроизноса и электроразрушения контактных плоскостей на трибопарах проводник-проводник при различных условиях трения. Как было установлено ранее, механизм образования и перехода зарядов при трибоэлектризации трением одинаков для любых трибопар и имеет только количественное отличие в зависимости от величины работы выхода электрозаряда каждого материала трибопары и условий трибоэлектризации, тогда как механизм нейтрализации разницы потенциалов трибопар проводник – проводник значительно отличается от трибопар диэлектрик – диэлектрик.

Ток трибоэлектризации I_p (расчётный) показывает количество электрических зарядов (электроатомов, электрополей, электроволн) генерируемых на поверхности верхнего образца в процессе перемещения при нагрузке N .т. е., при совершении работы перемещения А_пер. при одновременном совершении работы выхода А_вых. Очевидно, что эти работы абсолютно равны А_пе = А_вых. Равенство работ позволяет рассматривать процесс трения как равнозначное электромеханическое взаимодействие, при котором происходит самоорганизованные электроизнос и электроразрушение материалов. Электроизнос и электроразрушение трибопар из проводников происходит в двух видах: 1. Электроизнос - разуплотнение совокупного электронейтрального электровещества с частичной потерей электроатомов, но без потерь функциональных возможностей электровещества деталей, переход в заряженное состояние ЭД (статическое электричество). При этом дискретные электроатомы (электрозаряды, электрополя, электроволны, электрохимические элементы) отводятся, как избыточные поверхностные заряды с ЭА (динамическое электричество) на «землю» в виде дискретных электроатомов постоянного (атомарного) тока и циклическим повторением процесса электроизноса; 2.Электроразрушение последующая стадия после электроизноса приводящая к потере функциональных свойств электровещества деталей, последовательное разуплотнение электронейтрального электровещества и переход в заряженное состояние с самоорганизацией большой разности электропотенциалов (электрической объёмной плотности) между триботелами и её нейтрализации в электроискровых разрядах со скоростью 10^-8-10^-9с.

Выведена математическая формула тока зарядки I_зар= ,Кл/с [7] при трении проводников, согласующаяся с экспериментальными результатами.

Исследования трибоэлектрических явлений при трении различных трибопар в разных условиях при наличии полимерного композитного диэлектрического покрытия на одной из поверхностей показаны на Рис3.

Рис3

Графики электроизноса и токов утечки при наличии покрытия из твёрдого

композитного полимерного диэлектрика на одной из поверхностей трибопары в

различных условиях трения; электрознос- кривые с белыми кружками; токи утечки-

кривые с чёрными кружками

Наибольший электроизнос и токи утечки дают трибопары незакалённых металлов при наличии сухого графита на полимерном слое из твёрдого диэлектрика (рис.3) (графики 9,10); средние значения электроизноса и токов утечки дают трибопары с диэлектрическим абразивом (кварцевый песок) на полимерном слое твёрдого диэлектрика (графики 5, 6, 7, 8); минимальный электроизнос и токи утечки дают трибопары с твёрдым диэлектриком со смазкой (графики3,11,12) при максимальных стандартных нагрузках соизмеримых с пределом текучести металлов. Экспериментальные данные хорошо согласуются с выведенной математической формулой (моделью), которая подчёркивает, что контактная поверхность трения является важнейшей величиной при трении.

Наличие твёрдого диэлектрического слоя в трибопарах на одной из поверхностей трибопары, является основным фактором безызносности трибосистем. Диэлектрический твёрдый полимерный слой толщиной 200 – 250мкм исключает электроискровые пробои, сохраняет суммарное количество электроатомов (электрозарядов, электрополей, электроволн, электрохимических элементов и т.д.) в трибосистеме, обеспечивая самоорганизацию режима безызносного трения при критическом токе I <10^-9А трибоэлектризации за счет трибоэлектретного состояния диэлектрического композитного полимерного покрытия [7,8,9,10.]

Характер накопления свободных поверхностных электроатомов (электрозарядов, электрополей, электроволн, электрохимческих элементов и т.д.), самоорганизация разности потенциалов и её нейтрализации в электроискровых разрядах в трибопарах проводник - проводник показаны на Рис.4.1, 4.2, 4.3, графики получены на самописце в текущем режиме времени.

Рис 4.1 Рис 4.2

Характер токов электроразряда трибопары Характер токов электроразряда трибопары.

сталь закаленная по чугуну серому Сталь закаленная по стали сырой

материал с малой работой выхода). один материал с малой работой выхода заряда сталь сырая,

Электродонор, второй материал с большой второй материал с большой работой выхода заряда сталь

работой выхода - Электроакцептор закаленная .

Эксперименты по трибоэлектричеству показывают, что электроатом (электрозаряд, электрополе, электро химический элемент, электроволна элементарная электрочастица и т.д.) есть электронейтральный перво электроатом Всерод, который являются сущностью и содержанием всех материалов (электровеществ) и отличается только названиями в терминологии по научным направлениям, дисциплинам и методиками расчёта.

Рис. 5

Рис 4.3. Экспериментальная установка (пресс форма) для

Характер токов электроразряда трибопары вытяжки стаканов

сталь закаленная по стали закаленной. 1-прижим, 2-заготовка, 3- пуансон, 4- матрица,

(материалы с большой работой выхода) 5- изделие, 6-полимерное композитное покрытие.