CC BY
2Список литературы
1. Голых Р.Н. Повышение эффективности воздействия ультразвуковыми колебаниями на процессы в системах с жидкой фазой: дис. ... доктора технических наук: 05.17.08. Барнаул: Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, 2020. 437 с.
2. Atchley A.A. Thresholds for cavitation produced in water by pulsed ultrasound // Ultrasonics. 1988. Vol. 26, Issue 5. P. 280-285.
3. Хмелёв В.Н. Выявление оптимальных режимов и условий ультразвуковой коагуляции жидкодисперсных систем в импульсном режиме // Моделирование неравновесных систем - 2016. Материалы XVIV Всероссийского семинара. Красноярск, 2016. С. 119-122.
4. Голых Р.Н. Влияние ультразвукового кавитационного воздействия на межфазную поверхность «газ-жидкость» при принудительной аэрации // Прикладная механика и техническая физика. 2024. DOI: 10.15372/PMTF202315435
5. Хмелёв В.Н. Ультразвук. Принципы построения, алгоритмы и системы управления ультразвуковыми аппаратами: монография. Бийск: Изд-во Алтайского государственного технического университета, 2021. 200 с.
УДК 678:073:661:481
DOI 10.24412/cl-37255 -2024-1 -218 -222
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРМОЦИКЛИРОВАНИЯ НА СВОЙСТВА ПТФЭ-КОМПОЗИТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ
Маркова М.А., Петрова П.Н. Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук», обособленное подразделение Институт проблем нефти и газа СО РАН, г. Якутск E-mail: [email protected]
Аннотация. Данная работа является продолжением цикла работ, посвященных исследованиям влияния пластического деформирования полимерных заготовок на физико-механические свойства композитов на основе политетрафторэтилена и углеродных волокон марки УВИС-АК-П. Приводятся сравнительные данные физико-механических исследований композитов в зависимости от способа пластического деформирования полимерных заготовок, а также до и после термоциклирования в испытательной камере тепла-холода.
Ключевые слова: политетрафторэтилен, углеродные волокна, пластическая деформация, термоцик-лирование.
Анализ результатов многих работ показывает, что полимерные композиционные материалы (ПКМ) на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) имеют особое значение в решении задачи повышения надежности и долговечности несмазываемых узлов трения [1-3]. Это связано с исключительными свойствами ПТФЭ как: как высокая термостойкость, химическая инертность, низкий коэффициент трения и т. д. Однако, одним из основных недостатков ПТФЭ является не только низкая износостойкость, но и повышенная ползучесть (хладотекучесть), что ограничивает ресурс работы и возможность его широкого использования. Существует множество работ с использованием в качестве наполнителей различных волокон, в особенности углеродных (УВ), но даже использование армирующих наполнителей не всегда позволяет добиваться необходимого улучшения физико-механических свойств получаемых композитов при повышении их износостойкости. В связи с этим, перспективными направлениями при разработке композитов на основе ПТФЭ является разработка технологических приемов повышения их прочности, износостойкости и сопротивлению ползучести. Для этого в данной работе использованы технологии, основанные на использовании процессов пластической деформации.
Для проведения этой операции ПТФЭ является подходящим полимером, т.к. высокая ползучесть под нагрузкой подразумевает то, что он обладает низким сопротивлением пластическому деформированию, что позволяет использовать технологии, основанные на деформировании полимерной заготовки, сопровождающемся ее формоизменением.
Данная работа является продолжением цикла работ [4, 5] посвященных исследованиям влияния пластического деформирования полимерных заготовок на физико-механические свойства ПКМ на основе ПТФЭ и углеродных волокон марки УВИС-АК-П. Использование ранее разработанной технологии № 1 пластического деформирования, при котором происходит изменение толщины и длины при постоянстве ширины, что обеспечивается обеспечивается конфигурацией полости используемой прессформы, приводит к повышению предела прочности при растяжении ПТФЭ и его композитов с УВ в 2,7-3,3 раза и снижению деформации ползучести в до 18 раз по сравнению с ПТФЭ, полученным по стандартной технологии. Композиты, полученные по технологии № 2, при котором происходит изменение как толщины, так и ширины полимерной заготовки, показали повышение предела прочности при растяжении на 47% по сравнению с композитами, полученные по стандартной технологии. Однако композиты, полученные по этой технологии № 2, у которых направление течения материала перпендикулярно (поперек) растягивающей нагрузке, показали повышенную сопротивляемость к ползучести даже в сравнении с композитами, полученными по технологии № 1.
В данной работе приведены результаты исследований по разработке технологии № 3, также основанной на пластической деформации полимерной заготовки, по сравнению с композитами, полученные по технологии № 2 (рис.1). Исходные заготовки ПКМ состава ПТФЭ -5 мас. % УВ получены путем поэтапного смешения компонентов с использованием технологии совместной механоактивации [6]. Выбор этой технологии и данного состава композита обусловлено тем, что при этом получаются композиты с повышенной износостойкостью с деформационно-прочностными показателями на уровне исходного ПТФЭ. В отличие от технологии № 2, где используется гидравлический пресс, в технологии № 3 предварительно нагретая до 200-210°С полимерная заготовка пропускается несколько раз через нагретые до 170°С вальцы до достижения 1/5 от исходной толщины изделия (рис.1, б). При этом варьировали направление деформации, т. е. пропускание полимерной заготовки вдоль, а также вдоль и поперек путем их чередования. После сжатия образец охлаждается под давлением до комнатной температуры. В данном случае для реализации процесса пластической деформации использованы лабораторные вальцы SYM (КНР).
Рисунок 1 - Принцип пластической деформации изделий ПКМ а) пластическое деформирование № 2;
б) пластическое деформирование № 3
Результаты деформационно-прочностных испытаний (ГОСТ 11262-2017) полимерных материалов на основе ПТФЭ и ПКМ в зависимости вида пластического деформирования представлены на рисунке 2. Данные физико-механических показателей композитов, полученных по технологии № 2 м № 3 взяты у образцов, вырезанные вдоль направления течения материала для более корректного сравнения.
Рисунок 2 - Физико-механические характеристики ПТФЭ и ПКМ в зависимости от вида пластического деформирования
Показано повышение деформационно-прочностных характеристик как ПТФЭ и ПКМ при использовании пластического деформирования вне зависимости от способа. Прочность при разрыве повышается на 80% при использовании пластического деформирования № 2 и в 2 раза при использовании пластического деформирования № 3 в случае исходного ПТФЭ. В случае с композитами, прочность повышается на 54% при технологии № 2 и 2 раза при технологии № 3 по сравнению с образцами, полученные при использовании механической активации без пластической деформации. Также зарегистрировано повышение модуля упругости на 40% в случае с исходным ПТФЭ и 30% в случае с композитом. При этом у ПКМ понижается значение относительного удлинения при разрыве, что может быть связано с образованием более жесткой структуры за счет изменения структуры.
Как видно из рисунка 3 возрастает сопротивляемость образцов к деформациям под статической нагрузкой, однако образцы ПТФЭ и ПКМ, полученные по технологии № 3 характеризуются сниженной в 1,6-2 раза ползучестью по сравнению с пластически деформированными композитами по технологии № 2. Модуль ползучести у этих образцов при этом возрастает до 25 раз по сравнению с исходным ПТФЭ.
а Относительное удлинение, %
ПКМ, пл.деф.№3 £3 1,6 ПКМ, пл.деф.№2 2,57
ПКМ.станд. I -Д 11,65
ПТФЭ, пл.деф.№3 О 1,66
ПТФЭ, пл.деф.№2 ЁЭ 3,34
ПТФЭ, станд. I И 20,02
10
20
30
б Модуль ползучести, МПа
ПКМ. пл.деф.№3 1- 0 4 ^7
ПКМ. Ш1.деф.№2 1- -и ч 1 1
ПКМ, станд. £Р 0.4
ПТФЭ. пл.деф.№3 Г И «47
ПТФЭ, пл.деф.№2 О 1,51
ПТФЭ, станд. ® 0,25
0 2 4 6 8
Рисунок 3 - Результаты исследований ползучести ПТФЭ (а) и композитов на его основе (б) в зависимости от технологии получения при нагрузке 5 МПа
Известно, что полимерные материалы характеризуются наибольшей тепловой усадкой по сравнению с металлами, что может быть причиной нарушения герметичности полимерных уплотнений. Так как образцы получены вынужденным пластическим деформированием полимерных заготовок при высокой температуре путем растяжения и сжатия под давлением с последующим охлаждением, при их использовании в уплотнительных узлах могут происходить усадочные процессы. Усадочные процессы оказывают непосредственное влияние как на внешний вид и форму изделий, так и на физико-механические показатели композитов [7]. В связи с этим, проведена оценка стойкости образцов к термоциклированию согласно требованиям ГОСТ 9.707-81 в испытательной камере тепла-холода «КТХ-150» (ООО «Технология», Россия). Термоциклирование производилось в диапазоне температур от минус 50°С до плюс 50°С, всего образцы выдерживали в камере в течение -3000 мин (50 часов) с 10-ю циклами понижения/повышения температуры. После производилось измерение линейных размеров образцов (таблица 1).
Таблица 1 - Изменение размеров образцов после термоциклирования в зависимости от технологии получения и направления деформирования
Состав Технология До испытания После испытания
Ширина Толщина Ширина Толщина
ПТФЭ Пласт.деф. № 2 4,97 2,45 4,87 2,39
Пласт.деф. № 3 (одностр) 4,99 2,79 4,90 2,71
Пласт.деф. № 3 (разностр) 4,97 2,68 4,89 2,64
ПТФЭ+УВ Пласт.деф. № 2 4,97 2,85 4,87 2,84
Пласт.деф. № 3 (одностр) 4,98 2,79 4,91 2,77
Пласт.деф. № 3 (разностр) 4,98 2,77 4,95 2,71
Из таблицы видно, что после температурного воздействия размеры образцов немного изменяются, значение усадки у образцов после процесса термоциклирования составляет не более 3%, при этом образцы, полученные технологией № 3, характеризуются наименьшей усадкой (0,4-2%). Результаты испытаний до и после термоциклирования показаны на рисунке 4. Из рисунка 4 видно, что свойства образцов из ПТФЭ, полученного технологией № 2 практически не изменились, а при использовании технологии № 3 после термоциклирования снижается его прочность.
Рисунок 4 - Физико-механические характеристики ПТФЭ (а) и ПКМ (б) в зависимости от вида пластического деформирования до и после термоциклирования
В случае ПКМ, полученного технологией № 2 прочность повышается, а у образца, полученного технологией № 3, наоборот снижается. Учитывая, что при использовании технологии № 3 значение усадки у образцов минимальные и значение их прочности после термоциклирования даже при ее снижении в обеих случаях (ПТФЭ и ПКМ) все равно превышает аналогичные показатели исходного ПТФЭ, не подвергнутого пластической деформации, можно утверждать о возможности использования деталей из разработанных материалов в условиях резкого перепада температур.
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (рег. № 122011100162-9) с использованием научного оборудования Центра коллективного пользования ФИЦ ЯНЦ СО РАН, а также при финансовой поддержке гранта Главы РС(Я) молодым ученым, специалистам и студентам РС(Я).
Список литературы
1. Машков Ю.К., Овчар З.Н., Байбарацкая М.Ю., Мамаев О.А. Полимерные композиционные материалы в триботехнике. М.: Недра, 2004. 262 с.
2. Авдейчик С. В. Воропаев В.В., Скаскевич А.А., Струк В.А. Машиностроительные фтор-композиты: структура, технология, применение / Под ред. В. А. Струка. Гродно: Гродненский государственный университет им. Янки Купалы, 2012. 339 с.
3. Бейдер Э.Я., Донской А.А., Железина Г.Ф., Кондрашов Э.К., Сытый Ю.В., Сурнин Е.Г. Опыт применения фторполимерных материалов в авиационной технике // Российский химический журнал. 2008. Т. LII, № 3. С. 30-44.
4. Петрова П.Н., Маркова М.А., Федоров А.Л. Высокопрочные фторопластовые композиты с повышенной сопротивляемостью к деформациям под нагрузкой // Перспективные материалы. 2023. № 1. С. 80-88. DOI: 10.30791/1028-978X-2023-1-80-88.
5. Петрова П.Н., Маркова М.А. Влияние технологии пластического деформирования на механические свойства композитов на основе политетрафторэтилена // Перспективные материалы. 2024. № 4. С. 66-76. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-4-66-76.
6. Петрова П. Н., Маркова М. А., Черных В.Д. Исследование свойств композитов на основе политетрафторэтилена и углеродных волокон в зависимости от технологии получения // Материаловедение. 2023. № 3. С. 22-32. DOI: 10.31044/1684-579X-2023-0-3-22-32.
7. Даровских И.А., Лахно А.В., Бобрышев А.Н. Усадочные процессы в наполненных полимерных композитах // Молодой ученый. 2015. № 8(88). С. 232-235.
УДК 621.921:678.742.21:677.494.742.2 DOI 10.24412/cl-37255 -2024-1 -222-224
АБРАЗИВОСТОЙКИЕ КОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИЭТИЛЕНА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ И УГЛЕРОДНЫХ НАНОВОЛОКОН
Петухова Е.С.1, Афонникова С.Д.2, Аргунова А.Г.1, Федоров А.Л.1, Слепцов В.В.1, Потылицына С.Д.2, Бауман Ю.И2, Мишаков И.В2, Ведягин А.А2 1 Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук», обособленное подразделение Институт проблем нефти и газа СО РАН, г. Якутск 2Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Федеральный исследовательский центр «Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук»,
г. Новосибирск E-mail: [email protected]
Аннотация. В статье изложены результаты исследования полиэтиленовых композиционных материалов, содержащих в качестве наполнителя углеродные нановолокна (УНВ), синтезированные методом каталитического разложения из этилена на Ni/Cu катализаторах. Показано, что композиты, содержащие УНВ, продолжительность синтеза которых составляла 20 и 40 мин, в количестве 0,5-1,0 мас. %, характеризуются более высоким уровнем физико-механических свойств и высокой аб-разивостойкостью.
Ключевые слова: полиэтилен низкого давления, углеродные нановолокна, абразивная стойкость, физико-механические характеристики, показатель текучести расплава.
В рамках выполнения проекта НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики» одним из направлений являлась разработка способа получения водорода путем каталитического разложения углеводородного сырья на водород и другие продукты. Одним из продуктов такого синтеза являлись углеродные нановолокна (УНВ), текстурные характеристики которых определялись составом углеводородного сырья и каталитической системы, температурой и продолжительностью процесса синтеза. УНВ нашли широкое применение в области создания полимерных композиционных материалов с новыми функциональными свойствами - высокой тепловодностью, электропроводящими свойствами, износостойкостью и пр. В данной работе
