Исследование особенностей граничного трения ротационным вискозиметром

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИУКРАИНЫ
 ОДЕССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙУНИВЕРСИТЕТ
им. И.И.МЕЧНИКОВА
Кафедрафизики твердого тела и твердотельной электроники Исследование особенностей граничного трения ротационным вискозиметром
 
Курсовая работа студента 4 курса физического факультета БУТЕНКО А.Ф.
Научный руководитель,
профессор.
АЛТОИЗ Б.А
 
ОДЕССА 2004

СОДЕРЖАНИЕ.
 Введение1. Жидкокристаллические слои их особенности1.1Исследования ЭЖК слоев1.2 Капиллярный вискозиметр для исследования тонкихнеоднородных жидких прослоек2 Исследование особенности граничного трения ротационнымвискозиметром Вывод Литература
Введение
На поверхности разделатвердое тело – жидкость всегда создается пристенный слой жидкости, свойствакоторого отличаются от свойств объемной жидкой фазы вследствие действияповерхностных сил твердой подложки. Довольно подробно были исследованыразличные свойства теплоемкость, оптическая анизотропия, дихроизм, в меньшеймере были изучены свойства связанные с вязкостью.
Такой параметр каквязкость является наиболее важным физическим свойством смазочных материалов,поскольку ее величина влияет на износразличных механизмов.
Настоящая работапосвящена исследованию — проблемы организации процессов трения и изнашивания, аименно — определению вязкости масел, которыевыступают в роли смазочного материала в узлах механизмов, а также влияние ведения ПАВ на их свойства.

1. Жидкокристаллическиеслои их особенности1.1Исследования ЭЖК
На поверхности разделатвердое тело – жидкость всегда создается пристенный слой жидкости, свойствакоторого отличаются от свойств объемной жидкой фазы вследствие действияповерхностных сил твердой подложки. Это впервые было отмечено, согласно Гарди[1], в 1801 г. Лесли. Такие пристенные слои различны по своим параметрам. Этомогут быть адсорбционные монослои, либо системы из нескольких молекулярныхслое, но могут создаваться более сложные, но и более интересные протяженныепристенные слои, примером которых являются граничные фазы (или эпитропныежидкие кристаллы). Представление об особой пристенной граничной фазы был введенБ.В.Дерягиным  при анализе результатов экспериментов, проведенных совместно сВ.В.Карасевым [3] по определению вязкости пристенных слоев жидкости. В этихэкспериментах было установлено, что у некоторых полярных жидкостей вблизи отповерхности твердой подложки (диэлектрической или металлической) коэффициентвязкости отличается от его значения для объемной жидкости и остается постояннымдо некоторой критической толщины ds, послечего скачком изменяется до значения, соответствующего объемной (изотропной) жидкости. Постоянство свойств в пределах всего пристенного слоя и существованиерезкой (по типу фазовой) границы раздела, отделяющей пристенный слой отобъемной жидкости позволило выделять такой слой в отдельную граничную фазу. Далеев работах З.М.Зорина [4] были исследованы адсорбционные слои ряда полярныхжидкостей, образованных на твердой подложки, и было показано, что такие слоиограниченно смачиваются собственной объемной жидкостью. Это однозначноуказывало на отличие их свойств от свойств объемной жидкости.
Позднее приисследованиях теплоемкости пристенных слоев полярной жидкости (нитробензола)[5,6] было показано, что теплоемкость пристенных слоев нитробензола нижетеплоемкости объемной жидкости и установлено существование теплоты фазовогоперехода граничная фаза – объемная жидкость. В этих работах также былаопределена зависимость равновесной толщины граничной фазы от температуры.Проведенные выше указанные исследования пристенных слоев позволилипредположить, что структура граничных фаз отлична от структуры объемнойжидкости, являясь более упорядоченной, и подобна жидкокристаллической.
Первыми предположение ожидкокристаллическом строении граничных фаз выдвинули Б.В.Дерягин иЛ.М.Щербаков [7], однако, тип структуры указан ими не был. Интересно отметить,что к выводу об ориентационной упорядоченности в пристенных полимолекулярныхслоях ранее пришли также исследователи граничного трения [8], предположившиесвязь между гомеотропной упорядоченностью в пристенных слоях алифатическихкислот, образованных на металлической поверхности, и возрастанием противоизносныхсвойств граничных смазочных слоев.
Оптическую анизотропиюпристенных слоев воды, толщиной ds ~ 20 нм,образованных на слоистой матрице диэлектрика (пирофиллита) наблюдалиБ.В.Дерягин и Грин-Келли [9]. Однако степень упорядоченности молекул впристенных слоях и направление преимущественной ориентации молекул воды этихопытах установлено не было. В работе [10] для выяснения вопроса о величине итипе оптической анизотропиии, существующей в граничных слоях нитробензола наповерхности стекла и кварца, был использован метод плоского световодапеременной толщины [10]. Этим методом было установлено, что для молекулнитробензола ряда характерна гомеотропная ориентация молекул в пристенных слояхи была проведена оценка равновесной толщины пристенных слоев. В последующихисследованиях этим методом была замечена корреляция между способомпредварительной подготовки поверхности подложки (ее очистка хромовой кислотой,обработкой водородным пламенем) и величиной оптической анизотропии жидкойпрослойки в световоде.
Прямым (и болееинформативным) способом изучения свойств упорядоченных пристенных слоев,измерения их структурных параметров явился метод исследования дихроизмасобственных электронных полос поглощения [11].
Дипольные моментыэлектронных переходов в молекулах имеют определенные направления (поляризованы)и поэтому в спектрах поглощения ориентационно– упорядоченного ансамбля молекулнаблюдается дихроизм поглощения. Для каждой полосы поглощения знак дихроизмаопределяется взаимным расположением моментов электронного перехода иэлектрического вектора световой волны, а величина дихроизма зависит от степениориентационной  упорядоченности молекул поглощающей среды. Мерой ориентационной упорядоченности ансамбля молекул является параметр порядка
/>,                                                                                     (1)
где θ – угол междуосью отдельной молекулы и направлением преимущественной ориентацией, аусреднение ведется по всему ансамблю молекул. На максимуме поглощения полосыкоэффициент поглощения света – μ определяется выражением:
/> ,                                                                               (2)
где /> - дипольный момент перехода, /> - электрический вектор световой волны.
         В частномслучае гомеотропной ориентации молекул ансамбля коэффициент поглощенияинвариантен к состоянию поляризации падающего света и определяется формулой:
/>,                                                                                  (3)
где  /> - коэффициент поглощения аналогичнойизотропной среды, m – молекулярный параметр,определяющийся значением угла γ между дипольным моментом перехода и длинойосью молекулы:
m= 0,5 (3*cos2 γ -1).
В случае планарнойориентации молекул ансамбля коэффициент поглощения также инвариантен состояниюполяризации падающего света и определяется формулой:
/>.                                                                                  (4)
Таким  образом,определив величину экстинкции ориентационно – упорядоченного пристенного слоя,можно определить минимум ориентации молекул в пристенном слое и рассчитатьпараметр порядка в нем.
Следует отметить, чтовысокая экстинкция в максимумах электронно-колебательных полос поглощения(например, для жидкости ароматического ряда) позволяет надежно фиксироватьпоглощение света в пристенных слоях с толщинами d /> 40 см.
Для измерения локальныхзначений коэффициента поглощения в пределах пристенного слоя был разработанметод сканирования по толщине клиновидной прослойки исследуемой жидкости,образованной между двумя прозрачными подложками, узким световым зондом начастоте, соответствующей максимуму электронно-колебательной полосы поглощения.
В случае однородностиоптических свойств прослойки зависимость логарифма интенсивности прошедшегосвета от толщины прослойки будет линейной:
/>                                                                                         (5)
В случае же структурной(и как следствие) оптической неоднородности подложки зависимость ln y = f(d) будет нелинейной, и ее анализпозволяет установить минимум ориентации молекул в прослойке, оценить ее структурнойоднородности и установить характер границы раздела: пристенный слой – объемнаяжидкость.
Рассмотренная методикапригодна лишь для жидкостей имеющих интенсивные электронно–колебательные полосыпоглощения с длиной волны λ > 200 нм. Однако, у многих жидкостей(например, алифатического ряда) такие полосы лежат в области вакуумногоультрафиолета и этот метод непосредственно не применим.
В этих случаях возможноиспользовать, вариант метода дихроизма с внедрением в матрицу основной жидкостипримесных молекул, изоморфных основным, но обладающих значительной экстинкциейв заданной области спектра и привести измерения их экстинкции.
Другой методикойисследования дихроизма поглощения ориентационно–упорядоченных пристенных слоевявляется метод нарушенного полного внутреннего отражения [3]. Как известно, вэтом случае луч, попадающий из оптически более плотной среды в оптически менееплотную, отражается, но и частично в ней поглощается. Соответствующая геометрияоптических элементов позволяет использовать многократное повторение полноговнутреннего отражения, что увеличивает чувствительность метода. Таким способомбыли подтверждены результаты измерений методом измерения дихроизма собственныхполос поглощения степени упорядоченности, существующей в пристенных слояхнитробензола, и гомеотропного типа ориентации молекул в них. Однако этимметодом затруднительно определить степень однородности пристенных слоев иустановить существование границы раздела: граничная фаза – объемная жидкость.
Исследование дихроизма вклиновидных прослойках ароматических жидкостей образованных междулиофилизированными поверхностями кварца показали, что зависимость ln y = f(d) имеет вид выпуклой ломаной.Вблизи от поверхности подложки в интервале толщин 20 нм  60 нм однородно ориентационно упорядоченны,причем длинные оси молекул нормальны к поверхности кварцевой подложки. Такиеслои отделены резкой (фазовой) границей раздела от изотропной (объемной) жидкости,что подтверждает выделить их выделение в особое фазовое состояние граничнуюфазу.
Аналогичныеориентационно упорядоченные пристенные слои жидкости ароматического рядаобразуются также и на поверхности сапфира (Al2O3).
Исследование строенияпристенных слоев алифатических жидкостей проводились этим методом путемизмерения дихроизма примесных молекул. Было показано, что в этом случаеориентационно – упорядоченные пристенные слои обладают несколько большейтолщиной, чем у ароматиков (dS= 200нм), а ориентация молекул зависит от родамономолекулярных слоев ориентантов, нанесенных на поверхность кварца, и этаориентация может быть как гомеотропной, так и планарной.
Установленнаяструктурная упорядоченность молекул в пристенных слоях органических жидкостей,образованных на лиофильных диэлектрических твердых подложках, однородностьструктуры в пределах пристенного слоя толщиной d/>/> исуществование фазовой границы раздела, отделяющей пристенные слои от объемнойжидкой фазы, являются прямыми. Доказательствами того,  что такие пристенные слои представляют собой отдельную, граничнуюфазу, с которой и связаны установленные ранее “аномалии” термодинамическихи оптических свойств пристенных слоев жидкости.
Такие граничные фазыисследовавшихся немезогенных органических жидкостей ароматического иалифатического рядов ввиду существования в них дальнего ориентационного порядка молекул  следует отнести к особому типу жидких кристаллов, причем по типу  симметрии — к нематикам. Однако, в отличие от  обычных жидких кристалловориентационная  упорядоченность в  граничных фазах может  возникать в полеповерхностных сил лиофильной твердой подложке. Поэтому такие граничные,подобные жидкокристлическим фазы немезогенных жидкостей были названыэпитропными (от греч.”эпи”-поверхность) жидкими кристаллами (ЭЖК).
Отличительнойособенностью ЭЖК является их пространственная ограниченность и возможностьравновесного сосуществования с объемной жидкой фазой в значительном интервалетемператур. Убывание равновесной толщины ЭЖК фазы с ростом температуры (содновременным умненьшением степени ориентационного порядка в ней)свидетельствует о постепенном послойном ориентационном плавлении ЭЖК фазы.
Эта фаза образуется уповерхности лиофильных твердых подложек в поле дальнодействующих поверхностныхсил твердой подложки. Так как молекулы жидкостей, образующих ЭЖК фазыанизометричны, то следовательно существенную роль в организации ЭЖК играетанизотропные межмолекулярные взаимодействия (как и при образовании объемнойжидкокристаллической фазы). Представления теории Майера-Заупе  о механизмеобразования нематической фазы были положены в основу создания термодинамическоймодели организации вблизи подложки ЭЖК фазы.
Согласно этой теорииориентационная упорядоченность в объемной жидкокристаллической фазе возникаетвследствие действия анизотропной диполь-дипольной составляющей дисперсионноймолекулярных сил. Рассчитанная в рамках такого представления зависимостьориентационной  составляющей свободной энергии ΔF0от параметра порядка S при различной температуре. Притемпературах Т-температуры фазового перехода жидкокристаллическая фаза-объемная жидкость назависимости ΔF0(S)существует минимум с ΔF0при S≠0), соответствующий неустойчивому в объеме, метастабильному (“перегретому”) жидкокристаллическому состоянию.
Жидкости, образующие впристенных слоях ЭЖК фазу относятся к немезогенным, т.е. при плавлении онисразу переходят в объемную жидкость, т.к. даже при температуре плавленияориентирующих сил межмолекулярных анизотропных взаимодействий недостаточно дляорганизации стабильной в объеме ориентационно упорядоченной мезофазы.Устойчивое мезофазное состояние таких жидкостей может реализоваться (по крайнеймере теоретически) лишь в переохлажденном состоянии, а при температурах вышетемпературы плавления жидкокристаллическое состояние в них метастабильно.Однако, вблизи твердой подложки в прилегающих к ней слоях таких жидкостейдальнодействующие поверхностные силы могут стабилизировать метастабильноежидкокристаллическое состояние в области толщин слоя d≤ds. Такие простые соображения поясняют, во-первыхструктурную однородность ЭЖК фазы, представляющей собой стабилизированное полемповерхностных сил жидкокристаллическое состояние, обладающее одинаковымориентационным упорядочением и однородностью всех физических свойств,определяющихся степенью ориентационной упорядоченности. Во-вторых такоепредставление объясняет существование фазовой границы раздела, отделяющей ЭЖКфазу от объемной изотропной жидкости.
Далее для построениясамой упрощенной микроскопической модели ЭЖК фазы была предпринята попыткаиспользования одномерной модели Изинга, в которой система представляет собойрешетку, в каждом узле которой элемент может находится в двух дискретныхсостояниях. В одномерной модели Изинга в отсутствии внешнего ориентирующегополя спонтанная ориентация отдельных элементов отсутствует. Во внешнемориентирующем поле средний параметр порядка в ней S>0.Для расчетов отдельные совокупности элементов — “цепочки”, равноудаленные оториентирующей твердой подложки, замыкались (периодическое граничное условие) идля каждой цепочки задавалось некоторое значение энергии поля поверхностныхсил, кубически убывающей по мере удаления от поверхности.
Такая схема позволиларассчитать зависимость параметра порядка в системе элементов – молекул отрасстояния до поверхности подложки и от температуры. Далее была рассчитанатеплоемкость такой системы в функции от толщины слоя (числа цепочек ) итемпературы, и теплота перехода ЭЖК фазы в объемную  жидкость.
Эта модель качественноописала основные свойства ЭЖК фазы: — существование упорядоченности (S=const) вблизи от поверхностиподложки, уменьшение числа упорядоченных цепочек (толщины ЭЖК слоя) с ростомтемпературы, зависимость теплоты перехода ЭЖК фазы — объемная жидкость оттемпературы.
Необходимо отметитьтакже, что ЭЖК фаза, существующая в неоднородном поле поверхностных сил неявляется полностью однородной по степени ориентационного порядка. Так вспециально поставленных опытах по измерению дихроизма примесных молекул всверхтонких (~ 10 – 15 нм) слоях нитробензола было показано, что около десятимолекулярных слоев, непосредственно прилегающих к поверхности подложки,обладают упорядоченностью повышенной по сравнению с объемом ЭЖК фазы.
Далее, при спектральныхисследованиях ЭЖК фазы были отмечены изменения формы спектральных полос приуменьшении толщины слоя ЭЖК фазы.
В серии нормированныхспектров ЭЖК фазы ароматических жидкостей (нитробензола и анизола) былиотмечены изобестические точки, что однозначно свидетельствует о существовании вЭЖК фазах этих жидкостeй нескольких типов поглощающихцентров. Для определения числа таких центров с помощью метода Грама-Шмидтасерия экспериментальных спектров была преобразована в серию ортогональныхспектров и было показано, что экспериментальные спектры представляют собой наложениедвух независимых спектров, один из которых преобладает в тонких слоях ЭЖК, адругой  — в более толстых. Поглощающие центры, ответственные за эти спектры можносопоставить с мономерами и димерами данных жидкостей. Дальнейшие расчетыпозволили получить зависимость от расстояния до подложки концентрации димеров имономеров. Дополнительные эксперименты по исследованию зависимостидиэлектрической проницаемости прослоек нитробензола от их толщины такжепоказали, что вблизи от поверхности подложки концентрируются димеры сантипараллельной ориентацией жестких дипольных моментов.
Следует отметить, чтопредложенные теоретические модели ЭЖК фазы недостаточно адекватно описываютмеханизм ее возникновения и физические свойства.
Термодинамическая модельЭЖК фазы в своем настоящем состоянии недостаточно разработана, не оснащенаматематическим аппаратом и поэтому не позволяет проводить количественныхрасчетов. В этой и других моделях не рассматривается роль поверхностногоблизкодействия, определяющегося числом и характером ”активных центров”,находящихся непосредственно на поверхности твердой подложки.
Далее в этих моделяхсовершенно не учитывается роль второй, смежной фазы, ограничивающей ЭЖК слой свнешней стороной.
Отдельно следуетотметить, что при переходе от диэлектрических подложек к металлическимравновесная толщина ЭЖК фаз значительно возрастает, что, по-видимому, связано свозрастанием в этом случае запаздывающих Ван-дер-Вальсовых сил. Укажем также,что в этих моделях игнорируется пространственная неоднородность ЭЖК-фаз,отмеченная в спектральных исследованиях.
В рассмотренных моделяхне говорилось о реологических свойствах ЭЖК. Поэтому рассмотрим эти свойства напримере исследования тонких неоднородных жидких прослоек на капиллярномвискозиметре.
1.2 Капиллярныйвискозиметр для исследования тонких неоднородных жидких прослоек
В статье «Капиллярный вискозиметр для исследованиятонких неоднородных жидких прослоек» АлтоизБ.А., Поповский Ю.М., описана конструкция капиллярного вискозиметра дляисследования реологических свойств тонких (20 ¸50 мкм) прослоек жидкости. Опыты с рядом органических немезогенных жидкостейсвидетельствуют о пространственной неоднородности таких прослоек – наличия вних пристенного структурированного слоя, толщина которого с течениемуменьшается. В рамках модели «срезаемого течением жесткого слоя» проведенаоценка этой толщины.
Из оптическихисследований прослоек ряда немезогенных органических жидкостей алифатическогоряда [1,2] установлено, что на металлической подложке эти жидкости образуютструктурированные эпитропные жидкокристаллические (ЭЖК) слои, толщина которыхможет достигать ds~5 ¸ 10 мкм. Вследствие анизотропии этих слоев их вязкостьдолжна отличаться от вязкости объемной жидкости. Очевидно, что реологическиеисследования ЭЖК слоев весьма актуальны для решения теоретических и прикладныхзадач, связанных с эксплуатацией узлов трения.
Авторами в раннихисследованиях слоев, образованных на диэлектрических подложках, неоднократноотмечалось возрастание вязкости, однако, в этих работах малые толщины слоев (ds~ 0,01 ¸ 0,1 мкм)затрудняли проведение вискозиметрических измерений и заставляли исследователейприменять изощренную экспериментальную технику [3] или ограничиваться косвеннойоценкой вязкости пристенных слоев [4]. Для изучения вязкости ЭЖК слоев,образованных на металлических поверхностях, вследствие их больших толщин можнопри соответствующей модификации использовать более грубые традиционныеметодики, принятые в реологии.
 
1.2.1 Устройство капиллярноговискозиметра. С этой целью нами был сконструирован капиллярный вискозиметрсо щелевым зазором переменной толщины, схема которого показана на рис.1./> />

Рис.1. Схемакапиллярного вискозиметра для исследования реологических свойств тонкихпрослоек жидкости
Щелевой зазор создавалсямежду двумя плоско полированными стальными пластинами 1, которые с помощьюмикрометрического устройства 2 могли перемещаться и фиксироваться на заданномрасстоянии. Полированные, обработанные по 14-му классу точности, стальныепластины закреплялись на латунных основаниях 3, в которых размещалисьустановочные болты 4, позволявшие в случае необходимости устранятьклиновидность щелевого зазора. Герметизация зазора осуществлялась боковыми иверхними резиновыми прокладками 5, покрытыми тонкой тефлоновой пленкой./> />

Рис.2.Схема созданияперепада давлений в капиллярном вискозиметре
Для определения объемажидкости, протекающей через щелевой зазор, использовалась (рис.2) калиброваннаяизмерительная трубка 1, высота столба жидкости в которой фиксироваласькатетометром К с точностью 0,01 мм. Для создания перепада давленийвискозиметр через балластную трубку 2 подсоединялся к ресиверу 3 сманометрическим устройством 4. При измерении давлений P ~ 102¸ 104 Па использовалсяводяной, а для больших давлений (до 20 КП) – образцовый механический манометр.Для уменьшения объема пленки жидкости, остающейся за опускающимся мениском,диаметры измерительной трубки выбирались небольшими (~ 1 мм). Поверхностипластин, образующих зазор, и другие металлические детали, входящие в контакт сисследуемой жидкостью, перед сборкой вискозиметра для очистки от органическихзагрязнений промывались растворителем и просушивались.
После установки заданнойвеличины зазора D он герметизировался. Изотермичность и малостьградиентов температур (DT/l£50 K/м) контролировались системойтермопар, а постоянство температуры (DТ£ 0,5 К) в рабочей ячейкеобеспечивалось воздушным термостатом. Для устранения ошибки, связанной свозможным шунтированием потока жидкости, ее протечкой через неплотностирезиновых прокладок, предварительно проводился контрольный опыт, при которомчерез вискозиметр прокачивался воздух и определялась объемная скорость егопротекания. Рассчитанные в таких опытах значения вязкости воздуха сравнивалисьс табличными данными, и в дальнейших измерениях вводилась соответствующаяпоправка. При зазорах D ³50 мкм поправка не превышала нескольких процентов, а при меньших зазорах становиласьзначительной.
После заполнениявискозиметра исследуемой жидкостью в ресивере создавалось разрежение, и приразличных фиксированных перепадах давлений DPв диапазоне DP = 102 ¸ 104 Па проводилисьизмерения интервала времени tпротекания через прибор заданного объема жидкости Q. Разброс отсчетоввремени в пределах серии измерений был ~ 1%, однако, воспроизводимостьпоследовательных серий достигала 10%, что связано, по-видимому, с возможнымпопаданием в зазор отдельных частиц твердых примесей. Расход жидкости в единицувремени определял экспериментальную объемную скорость течения qэ= Q/t (м3/с), гдеQ – объем протекшей через капиллярный зазор жидкости за время t, и среднюю (по сечению зазора S) линейнуюскорость vэ> = qэ /S. Режимы течения вовсех проведенных опытах были ламинарными (Re £1). «Объемная» вязкость исследовавшихся жидкостей измерялась стандартнымивискозиметрами и сравнивалась с литературными данными.
 
1.2.2 Экспериментальныерезультаты. В работе авторами были проведены измерения вязкости тонких (D= 30 ¸ 50 мкм) прослоекиндивидуальных органических жидкостей и углеводородных технических смесей,образованных между металлическими пластинами. В случае ламинарного потокасредняя скорость vп> течения ньютоновской жидкостичерез щелевой зазор толщиной D (рис.3) определяется формулой:
/>,                                                                              (2.1)
где p=DP/l (Па/м) – градиент давления по длинезазора l, а m0(Па·с)– величина коэффициента вязкости жидкости.
Существование на боковыхповерхностях щелевого зазора пристенного слоя с иными реологическимихарактеристиками, чем объемная жидкость, было установлено в опытах с описаннымвискозиметром при анализе характера возрастания скорости течения жидкости vэ>с повышением перепада давления, и сравнением таких зависимостей стеоретическими, рассчитываемыми по (1). Для исследуемых жидкостей при зазорахзаведомо больших чем 2ds, т.е. в отсутствие перекрытия пристенныхслоев, в области малых перепадов давления наблюдается уменьшение вязкости с ростомдавления и поэтому нелинейное возрастание скорости течения жидкости, а придавлениях (0.5 ¸ 1) 104Па вязкость становится равной вязкости объемной жидкости./> />
Рис.3. Геометрия щелевого зазора вискозиметра и схема течения в нем жидкости сприповерхностным «жестким» слоем
Как пример авторыприведят результаты (рис.4) опытов с технической углеводородной жидкостьюМРХ-30. Для тонких (D ~ 30 ¸ 40 мкм) прослоек этого масла при
/>
Рис.4. Зависимостьотношения vэ>/ p – относительной (поотношению к градиенту давления p) экспериментальной средней скороститечения масла МРХ-30 через щелевые зазоры вискозиметра от градиента давления p.Величина зазоров: D1 = 39,7 мкм (·), D2= 35 мкм (О) и D3 =30 мкм ( ). Т = 294 К. Сплошныелинии – аппроксимация зависимостью (2)
небольшой скороститечения зависимость (1) не выполняется – величина возрастает не пропорционально градиенту давления p. Экспериментальныерезультаты трех серий вискозиметрических опытов (при температуре Т = 294 К) систечением этой жидкости через зазоры трех фиксированных толщин (D1= 39,7 мкм, D2 = 35 мкм и D3 = 30мкм) представлены на рис.4 в виде зависимости относительной (по отношению кградиенту давления p) скорости течения – величины (/p, м2/Па×с)от p. Экспериментальные данные аппроксимированы (сплошная линия) функцией:
/>,                                                            (2)
где u¥, u0и p¥ –параметры аппроксимирующей зависимости (приведены в табл.1).
Таблица.1
Параметры аппроксимации(2) экспериментальной зависимости относительной (по отношению к градиентудавления p) средней скорости vэ>/p = f(p)течения масла МРХ-30 от градиента давления p вщелевых зазорах вискозиметра трех фиксированных толщин D.Т = 294 К.
Толщина
зазора
D, мкм Параметры аппроксимации
u¥,×10–9,
м2/Па×с
u0 ×10–9,
м2/Па×с
p¥ ×105,
Па/м 39,7 13,4 4,41 1,81 35 10,4 3,74 2,02 31 8,3 3,24 4,04
Из рис.4 видно, что вобласти малых градиентов давления p /p с увеличением давлениярастет и лишь при градиентах (p > 0,5МПа/м) c повышением давления практически не изменяется.При этом экспериментальная скорость истечения жидкости меньше расчетной vп>, а при больших перепадах давлениястановится равной ей.

1.2.3 Обсуждение результатови модель «жесткого, срезаемого» пристенного слоя.
 Наблюдаемыйхарактер зависимости /p = f(p)объясняется существованием в прослойке пристенных слоев толщиной 2ds.Их наличие приводит к тому, что реальное проходное сечение зазора s, покоторому протекает жидкость, меньше, чем геометрическое S=bD (рис.3). Сростом приложенного давления и соответственно скорости течения равновеснаятолщина слоя на каждой из подложек уменьшается и, начиная с какого–тозначительного перепада давления, проходное сечение зазора совпадает с геометрическим.
Поэтому для расчетапараметров слоя рассмотрим его простейшую реологическуюмодель: на поверхностях обеих пластин, ограничивающих зазор, существуетнеподвижный (гидродинамически «жесткий») слой, периферийная часть которого“срезается” течением (рис.3). При постепенном увеличении скорости течения (засчет повышения перепада давления DP) толщина пристенного слоя убывает вплоть до нуля.
В такой модели, всоответствии с (1), рассматриваемая величина отношения /pможет быть представлена в виде:
/>,                                                                              (3)
что позволяет пополученным экспериментальным зависимостям /p = f(p) рассчитать как начальную толщину слоя d0s(ее значение при p = 0), так и ее текущеезначение – величину dsв функции градиента давления или возрастающей с нимскорости течения жидкости vэ>.
Рассчитанные такимобразом значения толщины ds«жесткого, срезаемого» слоя  в зависимостиот средней линейной скорости течения жидкости вданном зазоре для каждой из трех серий экспериментов приведены на рис.5. Впринятой модели пристенного слоя для количественного описания явления его«срезания» течением зависимость ds= f()аппроксимировалась функцией:
/>.                                                                          (4)
Здесь d0s(мкм) – толщина пристенного слоя при отсутствии течения, ()– средняя (по сечению зазора) линейная скорость течения жидкости, v0(мм/с) – параметр,характеризующий «жесткость» слоя, его способность к «срезанию» течением.Значения параметров d0s и v0аппроксимирующей зависимости (4) приведены в табл.2.
/>
Рис.5. Зависимостьтолщины пристенного слоя ds маслаМРХ-30 (Т = 394 К) на стальной подложке в модели «жесткого, срезаемого течениемслоя» от средней (по сечению) линейной скорости течения жидкости в зазоре. Обозначения те же, что и на рис.4. Сплошная линия – аппроксимация D1= 39,7 мкм (·) функцией (4)
Таблица.2
Параметры
МОДели
Толщина зазора D, мкм 39,7 35,0 31,0
ds, мкм 3.4 3.2 3.1
v0, мм/с 2.2 1.9 2.6
Реологические характеристикипристенного слоя масла МРХ-30 (Т = 294 К) на поверхности стали в моделигидродинамически «жесткого, срезаемого слоя»
Как следует из рис.5 итабл.2, при отсутствии течения пристенный слой масла МРХ-30 на стальнойподложке имеет толщину d0s » 3 мкм. «Прочность» слоя на «срезание» сравнительно невелика –уже при скоростях течения = v0~ 2 мм/с толщина слоя ds~ 1 мкм, апри ~ 10 мм/с ничтожно мала. Рассчитанная величинаd0sблизка, но несколько меньше значений равновесной толщины ЭЖК слоя (d0s » 7 ¸ 9 мкм) алифатических углеводородов имасел, полученных в оптических измерениях [2].
Расхождение срезультатами таких измерений по толщине d0s можно объяснить несовершенством модели слоя,принятой для расчетов этого его параметра. В частности, не в пользу моделигидродинамически неподвижного слоя, о его «не жесткости» свидетельствует то,что даже при наименьших зазорах в наших измерениях не было отмечено предельногонапряжения сдвига.
По-видимому, модель ЭЖКслоя, участвующего в течении жидкости, более адекватно может описать егореологические свойства. Для развития такой модели представляется необходимымодновременно с вискозиметрическим опытом проведение независимого измерения(оптическими или иными способами) структурных характеристик (толщины,однородности и др.) ЭЖК слоя прослойки при ее течении.
2Исследование особенности граничного трения ротационным вискозиметром
В настоящей работе висследованиях был использован разработанный и сконструированный в лабораторииэпитропных жидких кристаллов Одесского Национального Университета ротационныйвискозиметр, предназначенный для исследования Куэтовского течения в тонких (5 ¸ 50 мкм) однородных и неоднородных (сприповерхностными структурированными слоями) жидких прослойках.
Для прямых измеренийвязкости тонких прослоек смазочных жидкостей между стальными подложками вприборе применялась в качестве рабочей цилиндрической пары вискозиметрастандартный узел топливной аппаратуры — распылитель форсунки, что позволилоисследовать вязкость прослоек масла и топлива толщиной до 6 мкм. Схемаустановки представлена на рис.1. Измерения на приборе проводились методомзадания постоянной скорости W (от 3 до200 об/мин) вращения наружного цилиндра — корпуса форсунки (Rн~ 3×10-3 м). Наборштоков форсунки — сменных внутренних цилиндров различных диаметров позволялизменять толщину прослойки жидкости до 20 мкм. Пределы измерения коэффициентавязкости составляли h= 5×10-3 ¸1 Па×сек,изменения скорости деформации — e = 50 ¸ 4×103с-1. Измерителем крутящего момента в вискозиметре является бифилярныйподвес 5 (рис.1) с регулируемой чувствительностью. Вращение наружного цилиндрав точно обработанной цилиндрической поверхности корпуса 10, играющего рольподшипника скольжения, обеспечивается реверсивным асинхронным двигателем 3 средуктором и ременными передачами. Соосность цилиндрической пары и натяжениеподвеса обеспечивается системой грузов (калиброванных по массе дисков),располагаемых на цанговом держателе внутреннего цилиндра — штока форсунки.Число устанавливаемых дисков определяет чувствительность бифилярного подвеса ккрутящему моменту трения. Прецизионная регулировка чувствительности измерителякрутящего момента обеспечивается изменением длины нитей подвеса. Поверхностидеталей, входящие в контакт с исследуемой жидкостью, перед сборкой вискозиметраочищались от механических и органических загрязнений путем промывки растворителями(бензин высокой очистки и эфир) и просушивались. Исследуемые жидкостиотстаивались и фильтровались. После заполнения вискозиметра исследуемойжидкостью при различных фиксированных угловых скоростях вращения внешнегоцилиндра (в диапазоне  = 102 ¸104 рад/с) проводились измерения угла поворота j внутреннего цилиндра. Разброс отсчетов углав пределах серии измерений был ~ 1%, однако, воспроизводимость последовательныхсерий достигала 10%, что связано, по-видимому, с возможным попаданием в зазоротдельных частиц твердых примесей. Режимы течения во всех проведенных опытахбыли ламинарными (Re
Рис.1.Схема ротационного вискозиметра.
Исследование было посвящено исследованию масла САЕ 30. Маслоотработало 950 часов в циркуляционной системе двигателя 64А25/34. Масло былоисследовано и установлено, что на стальнойповерхности образуется сравнительно толстый ЭЖК слой. Результатыизмерения вязкости приведены на Рис.2. На последнем этапе исследований в маслобыл введён 1 % алиинновой кислоты,результаты измерения вязкости приведены Рис.4.Толщинаслоя между цилиндрами составляла D=13.1мкм.
/>
Рис.2. Зависимость вязкости от средней скорости течения масла:САЕ-30 между цилиндрами в ротационном вискозиметре.
На рис 2 мы наблюдаем, что вязкость препарата падает со скоростьюи примерно при величине скорости 5 мм/с становится равной вязкости изотропнойжидкости, что свидетельствует о структурированности приповерхностного слоя.
По аналогии с приведенной теоретическоймоделью обработки данных в работе с капиллярным вискозиметром.
 Была рассмотрена простейшаягидродинамическая модель «жесткого срезаемого слоя».
 Т.е вязкость приграничного слоя равнабесконечности и эти слои срезаются.
Введем 51=2,      54=1,      53= r
/>
Модель:
В полярных координатах:
х = r cos ωt                                    y = r sin ω t
ω = v / r
Найдем компоненты скорости
Vx = -r ω sin ωt =- ω y
Vy = r ω cos ω t= ω x
Напряжение сдвига
Sxy=η/> ,                   подставим
/>
для у=0
/>
/>
/>
найдем момент сил
/>
/>
/>
/>
/>                         />
/>
/>
Получим для момента
/>
/>
/>                            />
/>
/>
/>
/>
/>-толщинаприповерхностного слоя.
Используя эту модель можем построитьграфики зависимость толщины приповерхностного слоя от скорости течения масла.
/>
Рис.3. Зависимостьтолщины приповерхностного слоя от скорости течения препарата.
НаРис.3  мы видим, что со скоростью приповерхностный слой разрушается и при скоростипримерно 5 мм/с он фактически разрушается полностью.
По аналогии проведем расчеты для маслаСАЕ-30 с добавкой 1% олеиновой кислоты, получим
/>
 Рис .4 Зависимость вязкости от средней скорости течениямасла САЕ-30 с добавкой ПАВ между цилиндрами в ротационном вискозиметре.
Применим модель «жесткого слоя»,получим:
/> Рис.5.  Зависимость толщиныприповерхностного слоя от скорости течения препарата с добавкой ПАВ.
 На Рис4 мы видим, что  величина коэффициента вязкости маслауменьшается с ростом скорости сдвиговой деформации более плавно, что связано, с повышение прочности структуры слоя привведении ПАВ. Заметим, что скорость, при которой величина вязкости препаратастановится равной вязкости изотропной жидкости, т.е. соответствующая скорости полного разрушенияструктурированной прослойки более чем вдвое выше, чем для масла САЕ бездобавления ПАВ (рис. 2).
Зависимость на Рис 5 говорит оповышении прочности структуры слоя при введении в масло ПАВ.
Механизм действия ПАВ можно представить следующим образом. Молекулы олеиновой кислоты, концентрируясь на межфазной границе раздела масло-металл, образуютмономолекулярный гомеотропноориентационно упорядоченный слой. Этот слой, являясь ориентантом для эпитропнойЖК фазы масла, способствует повышению дальнего ориентационного параметрапорядка ЭЖК — одного из параметров,определяющего «гидродинамическую прочность» структурированного слоя.
Выводы
1.Из ранее проведенныхисследований ЭЖК слоев, следует, что такие структурно чувствительные свойства этихобъектов как их вязкость, толщина, и зависимость этих свойств от скороститечение, температуре влияния ПАВ не достаточно изучена.
2.Для установлениесвойств собственных эпитропных жидкокристаллических слоев необходимоиспользование гидродинамических моделей.
3.Проведены исследованияреологических свойств моторного масла САЕ-30, на ротационном вискозиметре, приразличных скоростях и температурах.
4.В рамках модели ЭЖКслоя «жестко срезаемый слой» рассчитали толщину ЭЖК слоя САЕ-30 и ее изменениесо скоростью течение. С ростом скорости течения ЭЖК слой утончается и прискорости 5 мм/с этот слой разрушается.Получены зависимости. Приведеныпараметры толщины со скоростью и приведены апраксемирующие параметры.
Получены зависимостикорелирующие с результатами полученных для подобного смазывающего материала вщелевом вискозиметре.
В вискозиметреисследовалось масло лигированое ПАВ, установлено влияние такой присадки наструктурные свойства.
Введение в качестве ПАВолеиновой кислоты 1%, приводит к упрочнению ЭЖК слоя: повышению его толщины иразрушается при скорости 10мм/с.
Такое влияние ПАВ может бытьпрактически применено для уменьшения износа и научного обоснованного подборамасла.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙЛИТЕРАТУРЫ
1.               Б.А.Алтоиз, В.Т.Дейнега. Влияниеграничного слоя жидкости на эффективность теплообмена в системах сканалами малого сечения. Научно-технический сборник «Тепловые режимы иохлаждение радиоэлектронной аппаратуры». Одесса: Вып.1.- 2001.- С.15-18.
2.               Алтоиз Б.А., Поповский Ю.М.Капиллярный вискозиметр для исследования тонкихнеоднородных жидкихпрослоек Вюпик Одеськ. держ. ун-ту.- 2001.   1.6, вип.З. Фп. мат. науки-С.191-198.
3.               Алтоиз Б.А., Поповский Ю.М. Физика приповерхностных слоев. — Одесса:Астропринт, 1995.- 153 с;
4.               Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Гидродинамика.-М.: Наука, 1986.-617с.
5.               Царгородская А.Б., Алтоиз Б.А., Поповский А.Ю. Исследование ориентациошюй слоевнитробензола, образованных на металлической эролиспершыхсистем.К.- Одеса, В ища школа, -1998-
6.               Б.А.Алтоиз, А.Ю.Поповский. Метод клиновидной кюветы в исследованияхориента-ционно упорядоченных пристенныхслоев, сформированных вблизи непрозрачных подложек // Зб1рник науковихпраць «Вюник Одеського державного ушверситету". -1999.-Т.4.-Вип.4.-С.22-26
7.               Поповский Ю.М… Берникова Н.Б. Исследованиеоптической анизотропии граничных слоевполидиметилсилоксилана и его смесей стетрадеканом. // Вопросы физикиформообразования и фазовых превращений. — Калинин: КГУ. — 1983. — С. 25-32
8.               .Зорин З.М., Чураев Н.В… НовиковаА.В. Вязкость полимолекулярных пленок воды и декана на поверхностикварца // Вопросы физикиформообразования и фазовых превращений. -Тула, 1993. — Вып. 3. -С. 42-49.
9.               Алтоиз Б.А., Поповский Ю.М. Физика приповерхностных слоев. -Одесса:Астропринт, 1995. -153 с.
10.          Алтоиз Б.А., Поповский Ю.М.Капиллярный вискозиметр для исследования тонких неоднородных жидкихпрослоек // BicHHK Одеськ. нашон. ун-ту. -2001. -Т. 6.- Вип. 3. Ф1з.-мат. науки. — С. 191-198.
11.          Овчинников П.Ф. Виброреология. — Киев: Hayко ва думка, 1983. -271 с.
12.          АлтоизБ.А., ПоповскийЮ.М. Капиллярныйвискозиметр для исследования тонких неаднородныхжидких прослоек // Весник Одеськ. нацон.ун-ту. 2001. Т.6. Вип.З.
13.          Алтоиз Б.А., Поповский А.Ю. Метод клиновидной кюветы висследованиях ориентационно упорядоченных пристенных слоев сформированныхвблизи непрозрачных подложек // ВісникОдеськ. держ. ун–ту.– 1999.– Т. 4., вип.3. Фіз.–мат. науки.– С. 22–26.
14.          Поповский Ю.М., Берникова Н.Б. Исследование оптической анизотропииграничных слоев полидиметилсилоксилана и его смесей с тетрадеканом. // Вопросыфизики формообразования и фазовых превращений.– Калинин: КГУ. – 1983. – С.25–32.
15.          Зорин З.М., Чураев Н.В., Новикова А.В. Вязкость полимолекулярных пленокводы и декана на поверхности кварца // Вопросы физики формообразования ифазовых превращений. – Тула:– 1993. – Вып.3. – С.42–49.
16.          Алтоиз Б.А., Поповский Ю.М. Физика приповерхностных слоев. – Одесса:Астропринт, 1995.–
17.          Р.Фейман., Р.Лейтон., М. Сэндс. Фейнмановские лекции пофизики. // Физика сплошных сред. — Москва: Мир, 1977-С253-257