CC BY
36
УДК 621.891
О. В. ЧЕМИСЕНКО Р. И. КОСАРЕНКО В. А. МАКИЕНКО
Омский государственный технический университет Омский автобронетанковый инженерный институт
ИССЛЕДОВАНИЕ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ И ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ХАРАКТЕРИСТИК МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАНОКОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПТФЭ
В статье рассматриваются результаты исследования влияния концентрации на-номодификаторов и температуры на характеристики механических свойств нанокомпозита на основе ПТФЭ; показано, что при повышении температуры на 1500С характеристики механических свойств монотонно снижаются в 3—6,5 раза.
Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, двуокись кремния, скрытокристаллический графит, политетрафторэтилен.
Полимерные композиционные материалы (ПКМ) на основе ПТФЭ хорошо зарекомендовали себя при эксплуатации в узлах трения машин в широком интервале температур. ПКМ, работающие в условиях трения, испытывают различного вида напряжения и значительные деформации, приводящие к возникновению и накоплению дефектов, структурно-фазовым превращениям и изменению физико-механических свойств. Установлено, что в объеме образцов при одноосном и других видах нагружения и деформации, а также при фрикционном взаимодействии в поверхностных слоях твердых тел происходят однотипные структурно-фазовые изменения, приводящие к постепенному накоплению микродефектов и разрушению (изнашиванию) поверхностей трения [1, 2]. Поэтому одной из основных задач при синтезе новых полимерных композиционных материалов триботех-нического назначения является улучшение характеристик механических и триботехнических свойств, с целью повышения срока эксплуатации полимерных деталей при работе в широком диапазоне температур.
Для сравнительного анализа механических характеристик разрабатываемых материалов были выбраны ПКМ с различным наполнителем-модификатором, содержащим: полидисперсный порошок СКГ с концентрацией 8 % масс. и многослойные углеродные нанотрубки (УНТ) марки СгарЫ81;гепдШ фирмы Агкетас концентрацией 2 % масс.; полидисперсный порошок СКГ с концентрацией 8 % масс. и наноразмерный порошок диоксида кремния марки БС-120 с концентрацией 2 % масс. Все образцы изготавливались по известной технологии методом
холодного прессования и свободного спекания при температуре 360 0С.
Исследования механических свойств композиционных материалов: предела прочности при растяжении бв, модуля упругости при растяжении Е и относительного удлинения при разрыве 8 проводились на разрывной машине «Л^ск/ЯоеП» по ГОСТ 14359-69 «Пластмассы. Методы испытания на растяжение» и ГОСТ 25.601-80 «Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания плоских образцов на растяжение при нормальной, повышенной и пониженной температурах».
Автоматизированная машина разрывная «Л^скЯоеП» позволяет получать графические зависимости в координатах «усилие — деформация» при увеличении нагрузки до момента разрушения (разрыва) образца. Образцы изготавливали из заготовок в виде колец прямоугольного сечения методом штамповки в специальном вырубном штампе. Методика исследований предусматривала проведение серии испытаний для четырех образцов каждого состава ПКМ при скорости деформации растяжения 50 мм/мин. Системы измерений и автоматизированная обработка обеспечивают получение данных с погрешностью не более 5 %. График зависимости величины деформации от усилия растяжения показан на рис. 1.
Сравнительный анализ результатов исследования механических свойств ПКМ с наполнителями различной природы (табл. 1) показывает, что разрабатываемый ПКМ с порошкообразным наномодификатором БС-120 имеют практически
Рис. 1. График зависимости относительной деформации композиционного материала от усилия растяжения
Рис. 2. Концентрационные зависимости механических характеристик ПКМ: Е — модуль упругости, МПа; б — предел прочности, МПа; в — относительное удлинение,
Характеристики механических свойств ПТФЭ-композитов
Таблица 1
Состав ПКМ бв МПа Е, МПа 8, %
СКГ — 8%, УНТ — 2,0%, ПТФЭ — 90% 15,3 158 137
СКГ — 8%, БС-120 — 2,0%, ПТФЭ — 90% 15,6 105 113
одинаковый предел прочности бв с нанокомпозитом на основе ПТФЭ в состав которого входят (УНТ). При этом модуль упругости Е и относительное удлинение 8 композита с волокнистым наномодификато-ром (УНТ) имеют более высокие значения на 50,4 % и 21,2 % соответственно. В то же время использование углеродных наноматериалов связано с определенными затруднениями. УНТ образуют конгломераты, препятствующие равномерному распределению нанотрубок в матрице, они упаковываются в плотные жгуты, состоящие из параллельно расположенных одиночных трубок, что значительно снижает эффективность структурной модификации. Установлено [3], что степень однородности ПКМ, содержащего УНТ, существенно зависит от их концентрации. С ростом концентрации более негативно проявляется жгутовая структура УНТ, поскольку между жгутами, по-разному ориентированными в полимерной матрице, образуется свободное пространство, заполненное полимером. Следует отметить, что более низкое значение Е не являются недостатком ПКМ, поскольку, например, при использовании композита для изготовления уплотняющих элементов трибосистем снижение эластичности материала способствует повышению степени герметичности уплотнений.
На основании ранее выполненных работ объектом исследования выбран композиционный материал на основе ПТФЭ модифицированный комплексным наполнителем — модификатором в состав которого входит полидисперсный порошок скры-токристаллического графита марки ГЛС-3 в количестве 8 % масс., а также наноразмерный порошок SiO2 марки БС-120 в количестве от 1 % масс. до 3 % масс.
По результатам испытаний построены концентрационные зависимости модуля упругости при растяжении Е, предела прочности при разрушении бв и относительного удлинения при разрыве 8 (рис. 2). Установлено, что с увеличением концентра-
ции наноразмерного компонента SiO2 марки БС-120 в количестве 3 % масс, в комплексном наполнителе, предел прочности и относительное удлинение снижаются, а модуль упругости повышается.
В ряде работ [4, 5] проводилось исследование влияния температуры окружающей среды на физико-механические свойства ПКМ на основе ПТФЭ. Анализ результатов названных исследований показывает, что с повышением температуры предел прочности и модуль упругости полимерных композитов значительно снижаются. Эта закономерность сохраняется в широком интервале температур от минус 1800С до плюс 2000С. В качестве наполнителей ранее исследованных ПКМ использовались измельченное углеродное волокно, дисперсные порошки дисульфида молибдена, бронзы и оксидов свинца [6].
В данной работе проводилось исследование температурных зависимостей характеристик механических свойств ПТФЭ-композитов с комплексным наполнителем-модификатором. В состав модификатора входят: полидисперсный порошок скрытокри-сталлического графита марки ГЛС-3 в количестве 8 % масс., а также наноразмерный порошок SiO2 марки БС-120 в количестве 3 % масс.
Методика предусматривала исследование образцов при комнатной температуре, а также при температурах: плюс 600С, 900С, 1200С, 1500С и 1800С. При каждой температуре испытывали по четыре образца и определяли средние значения исследуемых параметров.
Средние значения исследуемых параметров представлены в табл. 2. По результатам испытаний построены графики температурных зависимостей механических свойств ПКМ с комплексным наполнителем — на рис. 3. Анализ результатов температурных исследований показывает снижения механических характеристик, а также сравнительно невысокие значения модуля упругости исследуемого ПКМ, особенно при повышенных температурах,
Температурные характеристики механических свойств ПКМ
Таблица 2
№ п/п Температура испытания б в, МПа Е, МПа е, %
1 25 16,5 167 136
2 60 11,7 106 156
3 90 9,0 75,8 140
4 120 7,3 75 136
5 150 5,7 55,3 124
6 180 5,1 25 118
Р,МПа
1
X ц,1 -1
& Ч
"ч %----- •Ч- N
.— 7 ■--- •-- 1---г ► _
25 60 90 120 150 180
Рис. 3. Температурные зависимости механических свойств ПКМ: в — относительное удлинение, %; Е — модуль упругости, МПа; б — предел прочности, МПа.
что предопределяет целесообразность и эффективность применения ПТФЭ-композита для изготовления уплотнительных элементов герметизирующих устройств. В то же время значительное уменьшение предела прочности при растяжении ПКМ с повышением температуры (рис. 3) снижает эффективность применения ПТФЭ-композита с комплексным модификатором в высоконагруженных трибосопряжениях, а также в узлах трения, работающих при высоких температурах.
Заключение
1. Повышение температуры окружающей среды от комнатной (250С) до 1800С приводит к монотонному снижению предела прочности при растяжении бв более чем в три раза, модуля упругости — более чем в 6,5 раза и относительного удлинения —на 13,2 %.
2. В интервале температур 90— 1200С модуль упругости практически не изменяется; для выяснения физических причин особенностей полученных температурных зависимостей необходимо дополнительное исследование надмолекулярной структуры ПКМ и структурно-фазовых превращений.
Библиографический список
1. Машков, Ю. К. Повышение эксплуатационных свойств композитов на основе ПТФЭ. Ч. I. Влияние состава и вида наполнителей на структуру и свойства композитов / Ю. К. Машков, Л. Ф. Калистратова, А. Н. Леонтьев // Трение и износ. - 2002. - Т. 23, № 2. - С. 181-187.
2. Полимерные композиционные материалы в триботехнике / Ю. К. Машков [и др.]. - М. : Недра, 2004. - 262 с.
3. Влияние углеродных модификаторов на структуру и износостойкость полимерных нанокомпозитов на основе политетрафторэтилена / О. В. Кропотин [и др.] // Журнал технической физики. - 2014. - № 5 (84). - С. 66-70.
4. Машков, Ю. К. Влияние температуры на структуру и триботехнические свойства наполненного политетрафторэтилена / Ю. К. Машков // Трение и износ. - 1997. - Т. 17, № 1. - С. 108-113.
5. Машков, Ю. К. Исследование температурных зависимостей физико-механических свойств композитных материалов на основе политетрафторэтилена / Ю. К. Машков, В. С. Зябликов, В. М. Казанцев // Механика композитных материалов. - 1991. - № 1. - С. 20-25.
6. Машков, Ю. К. Создание полимерного антифрикционного нанокомпозита на основе политетрафторэтилена с повышенной износостойкостью / Ю. К. Машков, О. В. Кропотин, О. А. Кургузова // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. - 2013. - № 2 (120). - С. 86-88.
ЧЕМИСЕНКО Олег Владимирович, аспирант кафедры физики Омского государственного технического университета.
КОСАРЕНКО Роман Иванович, кандидат технических наук, доцент (Россия), начальник кафедры «Вооружение танков и стрельбы» Омского автобронетанкового инженерного института. МАКИЕНКО Владимир Алексеевич, преподаватель кафедры «Вооружение танков и стрельбы» Омского автобронетанкового инженерного института. Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 03.09.2015 г. © О. В. Чемисенко, Р. И. Косаренко, В. А. Макиенко
