Получение и применение модифицированного наночастицами сверхвысокомолекулярного полиэтилена Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Таблица 1

Собственные добротности и резонансные частоты всех МПР при комнатной температуре и температуре жидкого азота

МПР-1 МПР-2 МПР-3 МПР-4

У0 при комнатной температуре, МГц 4 553 9 129 4 552 9 176

при температуре жидкого азота, МГц 4 509 9 053 4 604 9 301

Q0 при комнатной температуре 350,54 425,27 362,54 430,25

Qo при температуре жидкого азота 771,46 941,09 860,55 638,53

Таблица 2

Коэффициенты прохождения и резонансные частоты всех МПФ при комнатной температуре и температуре жидкого азота

МПФ-1 МПФ-2

^ при комнатной температуре, ГГц 10,59 3,42

^ при температуре жидкого азота, ГГц 10,52 3,46

k коэффициент прохождения при комнатной температуре, дБ -6,09 -7,29

k коэффициент прохождения при температуре жидкого азота, дБ -3,81 -4,78

Анализ результатов, полученных экспериментально и численным моделированием, показал, что, как и следовало ожидать, охлаждение устройств до криогенных температур приводит к существенному увеличению собственной добротности МПР и уменьшению потерь в полосе пропускания МПФ. Это связано как с уменьшением джоулевых потерь в полосковых проводниках, так и с уменьшением tg5 подложки. Также происходит некоторое изменение собственной частоты микрополосковых устройств из-за изменения диэлектрической проницаемости материала подложки. Многократное термоциклирование не привело к разрушению и изменению свойств устройств.

Библиографические ссылки

1. Беляев Б. А. и др. Исследование микрополоско-вых резонаторов и устройств СВЧ на их основе. Ч. 1 // Препринт № 415Ф ИФ СО АН СССР, Красноярск, 1987. 55 с.

2. Тюрнев В. В. Теория цепей СВЧ : учеб. пособие. Красноярск : ИПЦ КГТУ, 2003. 194 с.

3. Вендик И. Б. и др. Полосно-пропускающие микрополосковые фильтры на пленках высокотемпературного сверхпроводника // ПЖТФ. СПб. : Наука, 1998. Т. 24. № 24. С. 50-54.

References

1. Beljaev B. A. i dr.Issledovanie mikropoloskovyh rezonatorov i ustrojstv SVCh na ih osnove. Chast' 1 // Preprint № 415F IF SO AN SSSR. Krasnojarsk, 1987. 55 s.

2. Tjurnev V. V. Teorija cepej SVCh : ucheb. poso-bie. Krasnojarsk : IPC KGTU, 2003. 194 s.

3. Vendik I. B. i dr. Polosno-propuskajushhie mikro-poloskovye fil'try na plenkah vysokotemperaturnogo sverhprovodnika // PZhTF. SPb. : Nauka, 1998. T. 24. № 24. S. 50-54.

© Угрюмов А. В., Лексиков А. А., Афонин А. О., 2013

УДК 539.21(06)

ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ МОДИФИЦИРОВАННОГО НАНОЧАСТИЦАМИ СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА

Л. Ю. Федоров, И. В. Карпов, А. В. Ушаков, А. А. Лепешев

Сибирский федеральный университет Россия, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79. E-mail: [email protected]

Рассматривается материал, полученный при модифицировании сверхвысокомолекулярного полиэтилена нанодисперсными керамическими наполнителями в плазмохимическом реакторе низкого давления. Описаны предпосылки его применения в узлах КА.

Ключевые слова: плазмохимическое модифицирование, керамические нанонаполнители, СВМПЭ.

MANUFACTURING AND APPLYING THE UHMWPE MODIFIED OF NANOPARTICLES

L. U. Fedorov, I. V. Karpov, A. V. Ushakov, A. A. Lepeshev

Siberian Federal University 79, Svobodny Prospect, Krasnoyarsk, 660041, Russia. E-mail: [email protected]

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической области

The material, which is obtained through modified UHMWPE of nanodisperse ceramic fillers in the low-pressure plasma chemical reactor, is presented. The prerequisites of its application in the nodes of the spacecraft are described.

Keywords: plasmochemical modification, ceramic fillers, UHMWPE.

В настоящее время повышение срока активного существования телекоммуникационных и навигационных космических аппаратов (КА) ограничено существующим материаловедческим обеспечением, сложившимся в данной отрасли. В условиях космического вакуума, интенсивного электромагнитного и корпускулярного излучения возникают специфические поверхностные явления в результате десорбции, испарения и сублимации материалов. Поверхности твердых тел становятся весьма чистыми, вплоть до атомно-чистых. Эти процессы вызывают возрастание адгезии и когезии и, как следствие, ухудшение характеристик трения и износа в шарнирных узлах. Могут возникать явления заедания и даже «холодной» сварки в точках контакта, приводящие к выходу из строя механизмов. Восстановление защитных окисных пленок на поверхностях затруднено из-за низкого окислительного потенциала космической среды [1].

Решение этой проблемы для открыто расположенных конструкционных элементов неразрывно связано с применением в узлах КА новых материалов, включая полимерные материалы, допированные нанодис-персными частицами. В связи с этим возникает необходимость в исследованиях по эффективному проведению операций получения наночастиц и их введения в полимерную матрицу или совмещения их в рамках одного процесса.

Такая возможность может быть реализована в реакционной плазмохимической камере дугового разряда низкого давления. В этом случае синтез наноча-стиц в контролируемой среде и их осаждение на полимерный материал осуществляется in situ в рамках единого технологического процесса.

Были проведены исследования по получению полимерного композиционного материала (ПКМ) на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и керамических нанодисперсных частиц оксида титана. Данный материал может быть использован при изготовлении узлов трения и прецизионных устройств

космических аппаратов, в частности приводов раскрытия солнечных батарей и рефлекторов.

Технология получения нанодисперсных керамических частиц и способ их введения в полимерную матрицу подробно описаны в предыдущих работах [2-4].

Исследования механических свойств ПКМ с различной концентрацией наполнителя проводили по стандартным методикам на растяжение. Исследования износостойкости и коэффициента трения скольжения проводили по схеме стержень-диск. В качестве контртела использовали стальной полированный шарик из стали 100Сг6 (аналог стали ШХ15, твердость 1550 HV, модуль Юнга 220 ГПа, плотность 7,812 г/см3).

На рисунке показаны зависимости механических и трибологических характеристик от содержания наполнителя. Можно заметить, что с ростом концентрации ТЮ2 до 4 % масс. характеристики Ер и ст возрастают соответственно в 5,5 и 1,1 раза, ср - в 1,1 раза (в сравнении с образцом немодифицированного СВМПЭ). Пластичность композитов практически не изменяется.

Следует отметить, что оптимальное содержание ТЮ2 - 3 % масс. Дальнейшее увеличение содержания ТЮ2 не дает существенных результатов, что может быть связано с агломерацией порошков, обусловленной высокой эффективной поверхностью.

При трибологических испытаниях нанокомпозитов установлено, что зависимость коэффициента трения от содержания наполнителя имеет вид кривой с минимумом при содержании ТЮ2 3 % масс. Зависимость износа от содержания наполнителя также имеет вид кривой с минимумом, причем достаточно невысоким (в два раза ниже, чем у матричного материала) износ наблюдается для образцов с содержанием наполнителя 1-3 % масс. При более высоких значениях наполнения износ резко увеличивается. Максимальное пятно износа получено при испытании ненаполненного образца.

il Is 1 i

/ ^ <4

о / п

--Ç

' / 1 о 1 s -е- S S s ж

/

г г 1 i

Содержание наполнителя *

1 2 3

Содержание TiCb, % мае.

Характер зависимости механических и трибологических характеристик от содержания наполнителя

Вакуумная плазменно-дуговая модификация частиц СВМПЭ позволяет решить одновременно несколько задач:

1) взаимодействие с кислородной или кислородсодержащей плазмой, которое приводит к образованию полярных групп в поверхностном слое полимера. Это вызывает рост поверхностной энергии полимера и, как следствие, увеличивает смачивание и величину адгезии к металлам и органическим веществам;

2) изменение молекулярного строения СВМПЭ без разрыва внутримолекулярных связей, подразумевающее изменение характера укладки углеводородных цепей;

3) плазменное легирование порошинок СВМПЭ частицами наполнителя, имеющего наноразмеры;

4) однородное перемешивание частиц СВМПЭ и наполнителя, обеспечивающее при последующем горячем прессовании однородное распределение модификатора в связующем.

Таким образом, достигнутые эффекты при модифицировании полимерной матрицы позволяют получить изделия с новым уровнем свойств, применение которых возможно, в том числе, и на борту КА.

Библиографические ссылки

1. Нусинов М. Д. Влияние космического вакуума на материалы и устройства научной аппаратуры. М. : Машиностроение, 1987. 48 с.

2. Карпов И. В., Ушаков А. В., Лепешев А. А. Исследование технологических свойств нанопорошка

TiN, синтезированного в плазме дугового разряда низкого давления // Технология машиностроения. 2013. № 2. С. 39-42.

3. Лепешев А. А., Ушаков А. В., Карпов И. В. Физико-механические и трибологические свойства нано-композиционного материала на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и электродугового порошка TiO2 // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2012. № 7. С. 25-29.

4. Пат. 2486990 Российская Федерация. МПК B22F 1/02, С23С 14/34. Устройство для нанесения покрытий на порошки / А. В. Ушаков, И. В. Карпов, Л. Ю. Федоров, А. А. Лепешев ; заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВПО «СФУ». № 2012115943 ; заявл. 19.04.2012 ; опубл. 10.07.2013, бюл. № 19. 6 с. : ил.

References

1. Nusinov M. D. Vlijanie kosmicheskogo vakuuma na materialy i ustrojstva nauchnoj apparatury. М. : Mashinostroenie, 1987. 48 p.

2. Karpov I. V., Ushakov A. V., Lepeshev A. A. Tehnologija mashinostroenija. 2013, vol. 2, p. 39-42.

3. Lepeshev A. A., Ushakov A. V., Karpov I. V. Zavodskaja laboratorija. Diagnostika materialov. 2012, vol. 7, p. 25-29.

4. Patent 2486990 Russian Federation.

© Федоров Л. Ю., Карпов И. В., Ушаков А. В., Лепешев А. А., 2013

УДК 620.1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЗАЩИТНОГО ОКСИДНОГО СЛОЯ МЕТОДОМ НАНОИНДЕНТИРОВАНИЯ*

Е. Н. Федороваи, Н. В. Суходоева\ Д. Монсо2, Д. Окав2, В. Турк3

1 Сибирский федеральный университет Россия, 660074, Красноярск, ул. Киренского, 28 2Université de Toulouse, Institut Carnot CIRIMAT, ENSIACET BP-44362, allée Emile Monso, 31030 Toulouse cedex-4, France 3Université de Toulouse, Institut Carnot CIRIMAT, Université Paul Sabatier 118, route de Narbonne, 31062 Toulouse cedex 9, France

Метод наноиндентирования применен для определения твердости и модуля упругости оксидного слоя, формирующегося на поверхности монокристаллического суперсплава на основе никеля при высокотемпературном (1 100 °С) изотермическом окислении. Проведены серии испытаний при различной нагрузке на отполированной поверхности поперечного среза образца после окисления и на поверхности оксидного слоя. Установлено существования «размерного эффекта». Полученные экспериментальные значения модуля Юнга использованы при расчете прочности адгезии границы раздела металл/оксид.

Ключевые слова: сплавы на основе никеля, окисление, оксидный слой, наноиндентирование, твердость, модуль Юнга, адгезия.

* Исследование выполнено при частичной финансовой поддержке РФФИ в рамках международного научного проекта № 13-08-91053-НЦНИ_а.