CC BY
11
УДК" [67О 71-67(1 17?.]-КГС1 77-167
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВ А ПТФЭ-НАНОКОМ ПОЗ/1ТСВ ДЛЯ УПЛ01 НШЬЛЬНЫХ Э) ЬМЬН ОВ ДИНАМИЧЕСКИХ
герметизирующих устройств транспортных систем
Ю. К. Машков. В. А. Егорова. О В. Чемнсенко. О В. Малий Омский сосудсюстоелиый тг.ехтгкескии университет, с. Омск, Россия
Аннотация - Рассмотрены результаты исследования механических свойств полимерных нанокомпо-сшик нш инке 1Ш. IIII с I и|мI м. 1ен;| г М1°> шфикщф.ши к нидн мик]1п- н нинир:<«мирных мпрпшьпж
скрытокрнстдллнческого графита н диоксида кремния. Установленные значения механических характеристик ианокомпознтоо обеспечивают высокую степень гсрмстпчиостп динамических уилотшггель ных элементов устройств транспортных систем. При изменении температуры от криогенной до высокой положительной модуль упругости, предел прочности при растяжении значительно и нелинейно уменьшаются, чго ограничивает применение композита в высокоиягруженных трибосистемах, работающих при повышенных температурах.
Ключевые слова: полимерные нанокомпозиты. политетрафторэтилен, механические свойства, двуокись кремния. \u.iuiншельные ¿лемешы.
I Вньдьниь
Надежность герметизирующих устройств бо многом определяет долговечность и стабильность эксплуата шш транспортных систем и машиностроительного оборудования. Особенности раооты конкретных трноосо-пряжений. эсобснно в элементах ходоеой части тргшелертных систем, работающих в условиях значительных
динамически* нжручок 1]И1)11!1 мех'гояннош счжг^иигнг'I кпнинин кик конпрукций гг^кип и-шрунмцих устройств, гак и используемых материалов. Обеспечение повышения надежности и ресурса машин выдвигает задачу разработки конструкционных материалов с более высокими характеристиками физнко-мсханичсскнх свсйств. сохраняющимися в течение длительной эксплуатации в разнообразных условиях нагружения при различных 1ГМ11ГТрИГур<1Х
Среди полимерных композиционных материалов (ПКМ) антифрикционного назначения наиболее подходящими для использования в экстремальных условиях в широком интервале положительных и отрицательных температур являются материалы па основе политетрафторэтилена (Ш'ФЭ) 11. 2|
Кампо знинонным материалам с наноразмернымн час типами наполннтелей-модпфпхатеров присуши свойства. зшпн'юшю ишшшеа от свинств материал л с мнцхфшериымн частицами иследсхиие бимсе высокой поверхностной энергии и активности наноразмерных частиц наполнителей [3, 4]. Эффективность совместного использования микро- и наноразмерных наполнителей для комплексного улучшения свойств ПКМ на основе ПТФЭ обосновала и показана в работе [51.
П. Постановка задачи
В объеме образцов к деталей машин при одноосном и других видах статического и динамического загружены.! п деформации, а также при фршсдиоппом взаимодействии э поверхностных слоях твердых тел происходят однотипные струкгурно-фазовыс изменения. приводящие к постепенному накоплению микродефектоз и разрушению (изнашиванию) сопряженных поверхностей [6]. В условиях эксплуатации конструкционные материалы испытывают различного вида папряжеппя п значительны? деформации. приводящие к возпшаювепшо п накоплению дефектов и структурно-фазсвым преврдоениям, сопровождающимся ишенением фнзнко-механичесхих свойств. Поэтому одной т основных задач при разработке новых ПКМ является улучшение характеристик механических а трисотехизпеегагс свойств с нелыо повышенна падежиости и долговечности по
лимгрных ДПЛЛГИ 11[:и риГкПГ Н у:шх 1|>ГНИ* МИМ ИН В |>И1Х11Г рпнипгм ЛЛ/МЧЛ ихучгнин ■ИНОНОМГрНСЮГЙ К.1И-
яния концентрации наполнителей и температуры окружающей среды на механические свойства ПКМ на основе ПТФЭ.
Ш. Теория
В рсботс объектами псслсдсвания являлись нанокомпезнгы на основе ПТФЭ (Фторопшст-4ПН 1 ОСТ 100П7-8П), широка ипкык-сугмого к мгглшнмшлимгрнмх у:мях фгнич ияшнн [1. ?.] Пи ¡оуимяглм 1Ц1Г.икири-тельных исследований [5, 7] для модификации структуры к улучшения свойств ПТФЭ использовали комплексное наполнение полимера порошком нансднсиерсной двуокиси кремния БЮ: марки БС-120 (ГОСТ 18307-78) в диапазоне концентраций 1...3 масс % и мнкроразмерный пороше«, скрыгокрнеталлического графита (СКГ) в колнчсстес 8.0 масс. Ус. Образцы для исследований изготавливали по стандартной технологии холодного прсс-
11ШННМ И ГКобоДНШС» С11ГИИНИХ
Исследование механических свойств ПКМ: предела прочности прк растяжении 6и и модуля упругости при растяжении Ь проводили по методикам 1 ОСТ 11262-80 на разрывной мапп:нс <^\мск ! Кос11к укомплектованной 1г{>мс)кимг^х)й ОГ^мчцы ГТКМ ичиплтикиии ич ил(м ких «иошнок к кидг нрхмоутлкного ггчгни* мгш,1к1м штамповки в вырубном штампе Методика исследований предусматривала проведение кспытаний не менее четырех образцов для каждого состава ПКМ при скорости деформации растяжсння 50 мм/мин. Исследования
ПрОНОДИЛИГЬ К ИНТГ}1КИ.1Г 1Ш11Г]КГГУ11 70 С 1Я0 С Ак |»М;1^ЧИ[:ОК.1ЬН 14 оГцмПчПКИ (Г.Чу.1КГ<111Ж ИГПМТИНИЙ
обеспечивала получение данных с погрешностью не более 5.0 %.
ТУ Р=ЗУЛЬ~АТЫ ^КГТТРРИКГРРТГЖ Концентрационные зависимости предела прочности и модуля упругости при растяжении приведены па рис 1.
Рис. 1. Концентрационные зависимости предела прочности прн растяжении бр и модуля упругости Е при растяжении
Температурные зависимости модуля упругости прк растяжении н предела прочности прн растяжении приведены на рис. 2.
Рис 2. Температурные зависимости модуля Юнга Е и предела прочности Gp для композита па основе ПТФЭ с 8 мэсс.% СКГ и 3 масс.% 5С
V. Обсуждение результатов Повышение копцентрацзш напоразмериого наполнителя приводит к еинжешпс предела прочности при рас ШЛГНИИ НИ 98% И puny МИДу IV упрупк ги К НЯ 1?.% QjMC 1) ГТ;1 YpOHHK) ХН-1ЧГНИЙ vui.ny.m упрумнми 11]»И комнатной температуре изучаемые ГЖМ следует отнести к умеренно мягким материалам (Е - 20...500 МПа) [8. 9]. применяемым в унлотннтельной технике при средних значениях контактных давлении н щеренных скоростях [8]. Сочетание умеренной жесткости с пределом прочности, близким к значению для незаполненного ПТФЭ. соответствует материалам, применяемым в металлоподимерпых трибосистемах. и позволяет использовать их при разработке надежных уплотнительных элементов, обеспечивающих высокую степень герметичности трн-босоиряжений при изменяющихся динамических нагрузках.
Повышение температуры от 20°С до .8С'°С приводит к значительному нелинейному снижению модуля упругости и предела прочности при растяжении - в 4 4 и 2.7 раза соответственно (рис.2). Снижение харякгерн-стик механичее:<кх свойств как ПТСО. так и ПКМ на его основе согласуется с данными работы [10].
Сравнительно низкие значения модуля упругости способствуют повыше:ш:о степегш герметичности герме
гичирушщих ус.|]|()ж;|К, Hill ДК.1МГТ ЦГЛМ.1К]Г||К«НЫМ ИПКШШЖИНИК ПТФЭ — НИН1ЖОМIШИ111К Д1П1 И.ЧПИОКНГНИН
утьлотинтельных элементов таких устройств. В то же время прочностные характеристики данных материалов ограничивают применение композитов в высоконагруженных трнооснстсмях. работающих при повышенных гггипгри гутних
Снижение характеристик механических свойств ПТФЭ-накохомпознтов при повышении температуры может быть связано с изменением молекулярной подвижности в полимерной матрице иселсдусмых композитов
КГ.1ГДСГГКИГ ННГ1»1 П ННГГКОИ1 ЯГ-^ДГЙСТГКИЛ Н21110.1НИ1ГЛЯ ТСмК « ЛГ.Щ ГКИГ, <1»ЧОКЫЙ ИГрГХОЦ №МГНГНИИ тина элгмгн-тарной триклннной ячейки ПТФЭ в гексагональную в интервале температур от 20°С.. 45°С сопровождается реорганизацией структуры, определяющей изменение механических свойств ПКМ. При дальнейшем увеличении температуры выше §0°С происходит л-переход - медленный физический процесс релаксации, связанный с подвижностью упорядоченных мнкрообластей. состоящих нз большого числа сегментов (релаксационный пс-
ргхпд «¡ИЧМОрЛЖИНИНИМ» MMkJIO:iJIOyHOH( Mill) ДКИЖГНИУ Mill ГКуЛЯрНМХ ЦЛ1ГИ 1Ю.1ИГ,К-рН()Й МИ1]>ИЦЧ|) Д.1Х КК1ЯК-
лення влияния наполнителя на надмолекулярную структуру аморфной фазы полимера необходимо изучить молекулярную подвижность в матрице и вязкоупругне свонстза рассматриваемых нанокомиознтов.
\Т ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Анялич ]»Г-ЧУЛК1ИЮЧ И(Г.11*Л()Ю1НИХ ПОЧКРЛЧП (•др.игкиглукнцнг КЫНПДЫ
1. Увеличение концентрации канеразмерного модификатора в составе комплексного наполнителя приводит к повышению модуля упругости и снижению предела прочности композита при растяжении на 12% н 2У% со-
(ГГКГНГГКГННО
2. Повышение температуры окружающей среды от +20°С до +180°С оказывает существенное влияние на характеристики механических свойств полимерных нанохомпознтоз на основе ПТФЭ н вызызаст монотонное и НГЛИНГИНПГ ( НИлГНИГ MCViyJIX )'II]I)IU[-|H И ПрГДГЛИ И]К1ЧНОПИ ПТФЭ — нлнокпмпочиюк при типнжгнии н 4 4 и в 2.7 раза соответственно.
5. Характеристики механических свойств разраЬотаных ПГФЭ-нанокомпознтоз позволяют использовать их
ДЛИ *<10И»К11ГНИЧ У11Л01НИ1ГЛКНЫХ ЧЛГМГНШК ДИНЛМИЧГГКИХ Ггрмпг-Ифунмцих ус:|]К1ЙГ1К фаНШОрГНЫХ СИПТГМ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
L. Охлопкова А. А., Стручкова Г. С.. Алексеев А. Г.. Васильев А. П. Разработка н исследование полимерных композиционных материалов на основе активации политетрафторэтилена и углеродных наполнителей It Вестннк Северо-Восточного федерального университета им М.К. Аммосова. 201 fi. № 4 (48). С. 51—63.
2. Машков Ю. К., Кропотнн О. В.. Шилько С. В.. Плескачевсыш Ю. М. Самоорганизация и структурное модифицирование в металлополнмерных трибоснстемах: монография. Омск: ОмГТУ, 2013. 232 с.
3. Морохов И. Д., Трусов Л. И.. Ляпов (ж В. Н. Физические явления в ультраднсперсных металлических средах. М_: Энергоиздат. 1984. 224 с.
4 Авдейчнк С. В.[и др.] Машиностроительные фторкомпозиты : структура, технология, применение: монография / под науч. ред. В. А. Струка. Гродно : ГрГУ нм. Янки Купали. 339 с.
5. Mashkov Y.K.. Kiopotm О. V.. Egorova V. A. [et.al.] The formation of structure arid properties of antifriction composites via modification of polytetrafluoroethylene with polydispersive fillers // Inorganic Materials: Applied Research. 2015. T. 6. № 4 P. 289-292. DOI: 10.1134/S2075113315040176
6. Машков Ю. К. Структурно-энергетическая самоорганизация и термодинамика металлополнмерных три-боснстем И Долговечность трущихся деталей машин. М_: Машиностроение. 1990. Вып. 4. С. 219-244.
7. Kropotm O.V. Mashkov Y К , Egorova V A., Kurguzova О. A. Effect of carbon modifiers on the structure and wear resistance of polytetrafhioroethyleibe-based polymer uanocomposites И Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics. 2014. T. 59, № 5. P. 696-700. DOI: 10.1134/S 1063784214050156.
8. Кондаков Л. А, Голубев А. И_> Овандер В. Б.[н др.] Уплотнения и ушготнительная техника / под общ. ред. А. И. Голуйева, Л. А. Кондакова. М.: Машиностроение, 1986. 464 с.
9. Марков А. В.. Власов С. В. Принципы выбора полимерных материалов для изготовления изделий .'/ Полимерные материалы. Изделия. Оборудование Технологии. 2004. № 6-8. С. 17—19; 26, 28, 29; 20, 22—24
10. Mashkov Yu. К., Zyablikov V. S., Kazantsev V. M. Temperature dependences of the physical-mechanical properties of composite materials based oil polytetrailuorethylene t! Mechanics of Composite Materials 1991. T. 27_ № 1С. 15-19. DOI: 10.1007/BF00630712.
