Коэффициент трения и скорость линейного износа композита могут быть рассчитаны для каждого фиксированного значения x, если известны индивидуальные характеристики твердой и смазочной компонент материала [1–3]. Отметим также, что для достижения максимального синергического эффекта необходимо целенаправленно изменять величину открытой пористости материала. Если учесть, что вероятная объемная доля смазочной компоненты композиционного материала пропорциональна величине открытой пористости материала, то целенаправленное изменение ее при заполнении пор графитсодержащей композицией позволит достигнуть максимально возможного синергического эффекта при заданных микроструктурных характеристиках и составе матрицы композита [4].
Приближение плотнейших упаковок шаров. Плотнейшие упаковки (гексагональная и кубическая) одинаковых R-шаров имеют плотность заполнения пространства 74,04 %. Остальное пространство представляет собой поры: октаэдрические (17,66 %) и тетраэдрические (8,30 %) [5]. Заполнение этих пор ro-шарами (ro = 0,415R) и rt-шарами (rt = 0,225R) приводит к возникновению двух типов тетраэдрических пустот: в окта-поре возникает кластер из восьми тетра-пустот с общим относительным объемом 10,51 % (vo,t = 1,31 %), в каждой из двух тетра-пор – кластер из четырех тетра-пустот с общим объемом 3,01 % (vt,t = 0,75 %). Три пары кластеров в октаэдрических порах и четыре пары кластеров в тетраэдрических порах в гексагональной и кубической плотнейших упаковках шаров своими центрами тяжести образуют соответствующие 14-вершинники (ромбододекаэдры: гексагональный и кубический) [5]. Тетра-пустоты обоих кластеров в плотнейших упаковках шаров объединены в трехмерную связную сетку структурных каналов и характеризуют открытую пористость композиционного материала.
Потеря связности внутри кластера из тетра-пустот в каждой из плотнейших упаковок приводит к возникновению закрытой пористости материала. Одной из вероятных причин потери связности внутри кластеров из тетраэдрических пустот является деформация R-шаров при прессовании их плотнейшей упаковки с ro- и rt-шарами. Будем считать, что шары подвергаются только пластической деформации, то есть при прессовании изменяется их форма, а объем остается постоянным. Тогда потеря связности между тетра-пустотами достигается при переходе от исходной шарообразной формы микрочастиц к формам соответствующих усеченных многогранников:
R-шар → усеченный кубооктаэдр {468},
ro-шар → усеченный куб {388},
rt-шар → усеченный тетраэдр {366},
которые с тетраэдрическими пустотами полностью заполняют пространство [6]. В этом случае суммарный относительный объем октаэдрических и тетраэдрических пор в плотнейших упаковках усеченных кубооктаэдров уменьшится и будет составлять 19,52 %, в том числе 13,28 % – доля окта-пор и 6,24 % – доля тетра-пор. С учетом их полного заполнения усеченными многогранниками (кубами и тетраэдрами в отношении 1:2) суммарный относительный объем пустот составит 10,11 %. Тогда для относительных объемов тетраэдрических пустот соответствующих кластеров получаем v’o,t = 0,766 % и v’t,t = 0,498 %.
Отметим, что при гранулометрическом составе шарообразных частиц, равномерно распределенных по размерам в интервале [R-DR; R+DR], открытая пористость P уменьшается от 26 % до 22 % при увеличении (DR/R) от 0 до 0,3. В процессе заполнения октаэдрических и тетраэдрических пор шарообразными частицами с соответствующими гранулометрическими характеристиками (Dro/ro) и (Drt/rt) величина P может снизиться до 8 % [4].
Таким образом, объем пустот в ПУ R-шарообразных частиц можно регулировать в интервале от 26 % до 10 % путем постепенного заполнения тетраэдрических и октаэдрических пор микрочастицами с радиусами 0,415R и 0,225R в количественном соотношении 1:2, соответственно, а также прессованием до достижения определенной критической деформации. При более сложном гранулометрическом составе (R ± DR; ro ± Dro; rt ± Drt) открытая пористость композиционного материала может быть снижена от 22 % до 8 % [4].
Величина объемной доли открытой пористости после стадии пропитки композиционного материала маслом определяет максимально возможное содержание в нем жидкофазной смазочной компоненты. Тогда регулирование пористости материала означает возможность целенаправленного изменения его коэффициента трения f(x) и скорости линейного износа I(x), где x – объемная доля смазочной компоненты композита, определяемая величиной P. В соответствии с моделью «концентрационной волны» [7 – 18] свойства композиционного материала могут быть рассчитаны по следующим формулам:
fКМ (x) = (1-x)fMe + xfксм - df, КМ (fMe - fксм),
Iл,КМ (x) = (1-x)Iл,Me + xIл,ксм + + dI, КМ (Iл,Me - Iл,ксм),
где df, КМ = dI, КМ = dКМ (x) = 4(1 - x)2x(1 - - k(1 - kн)) – относительный синергический эффект проявления соответствующих свойств в композиционном материале; k и kн – размерный и наноструктурный параметры, характеризующие соответственно размеры и форму микрочастиц твердой компоненты композиционного материала непосредственно в зоне трения между двумя сопряженными поверхностями. Учет этих характеристик одного из основных компонентов так называемого «третьего тела» (атрибута подавляющего большинства функционирующих трибосистем), позволяет более точно предсказать величину эффекта синергизма.