CC BY
17Разработка и исследование полимерного композиционного материала с заданными физико-механическими свойствами
о
CS
0
CS
со
01
о ш m
X
3
<
m о х
X
Забродина Наталья Александровна,
кандидат технических наук, доцент кафедры машиностроения и материаловедения, Поволжский государственный технологический университет, ZabrodinaNA@volgatech.net
Бастраков Валентин Михайлович,
кандидат технических наук, доцент кафедры машиностроения и материаловедения, Поволжский государственный технологический университет, BastrakovVM@volgatech.net
Алибеков Сергей Якубович,
доктор технических наук, профессор кафедры машиностроения и материаловедения, Поволжский государственный технологический университет, AlibekovSY@volgatech.net
Забродин Николай Геннадьевич,
аспирант, кафедра машиностроения и материаловедения, Поволжский государственный технологический университет, nz1103@yandex.ru
Динамика развития, расширение сфер применения и высокая конкурентоспособность изделий машиностроительной отрасли в последние годы в нашей стране обуславливается особым вниманием к технологии изготовления деталей из порошковых мелкодисперсных композиционных материалов. Для создания материалов с заданными свойствами базовые полимеры смешивают с другими веществами. В настоящее время для получения материалов с заданными свойствами чаще используют полимерные матрицы, армированные нуль-мерными или одномерными наполнителями. При изготовлении деталей из композитов особое значение имеет стабильность технологических процессов, обеспечивающих значения функциональных параметров продукции в заданных пределах. Применение современных материалов при работе в различных условиях обуславливает необходимость обеспечения заданного уровня демпфирования при минимальном износе сопрягаемых поверхностей. К разрабатываемому полимерному композиционному материалу предъявляются требования к характеристикам: твёрдость, прочность, модуль упругости, линейные размеры. Целью данной работы является получение композиционного материала с одномерным упрочнителем в форме нитевидных кристаллов, волокон - хризотила. Волокна, находящиеся в матрице, должны иметь более высокое значение модуля упругости, чем у матрицы (в данном случае термореактивная смола СФЖ-3031) Ев > Ем, что является одним из условий получения композиции с высокими механическими свойствами в заданных пределах.
Ключевые слова: композиционные материалы, термореактивная смола, модуль упругости, твердость, прочность.
Интенсивное развитие технологий изготовления деталей и обеспечение высокой конкурентоспособности изделий машиностроительной отрасли в настоящее время связано с разработкой и созданием порошковых мелкодисперсных композиционных материалов [1, с. 124].
В рамках теории композиционных материалов определено, что равномерное распределение волокнистого наполнителя по объему матрицы смолы СФЖ-3031, их одинаковая направленность и отсутствие проскальзывания на поверхность раздела матрица-волокно, позволяет получить высокие физико-механические характеристики.
С этой целью нами определялись вязкость смолы, размеры волокон и равномерность распределения волокон в матрице после перемешивания до прессовки изделий из данной композиции. Нагрузка при этом распределяется между волокнами (хризотил) и матрицей (смола), а деформации композиции, волокна и матрицы будут одинаковы. Прочность композиции ав при этом изменится в зависимости от объемного содержания.
В разрабатываемом композиционном материале, матрица (термореактивная смола: СФЖ-3031 - смола фенолформальдегидная жидкая) необходима для передачи и перераспределения механических усилий между отдельными частицами дисперсной фазы, создания монолитности материала. Применяемая термореактивная смола позволяет усилить прочностные характеристики и температурные режимы эксплуатации материала [3, с. 320-321].
Основным при разработке композитов является взаимодействие и взаимное влияние компонентов в элементарном объеме волокно-матрица.
Расчет прочности композиционного материала: с = с -V + с (1 - V) (1)
в км вв в вм \ в /
E = E •V + E (1 - V ) (2)
км в в м \ в /
где Овв и Овм - временное сопротивление,
Ев и Ем - модуль упругости волокна и матрицы соответственно.
Для матрицы: Ем = 2 ГПа, Овм = 20 МПа.
Для наполнителя: Ем = 172 МПа, Овв = 1380 МПа.
30
Доля волокон,
Рисунок 1. Зависимость прочности композиционного материала от содержания волокнистого наполнителя
матрица (СФЖ-матрица (СФЖ-матрица (СФЖ-
3031)
3031)
3031)
Определены величины линейной и объемной усадок для исследуемых смесей и марок волокнистых наполнителей. Образцы с волокнистым наполнителем А-6-30 показали минимальные значения усадки (табл.1).
Таблица 1
Марка волок- Номер смеси Линейная усадка сторон образцов, ср.
нистого знач., %
наполнителя а, % в, % с, %
1 0,145 0,192 0,117
А-6-30 2 0,245 0,325 0,102
3 0,161 0,232 0,070
Доля ВОЛОКОН.
Рисунок 2. Зависимость модуля упругости композиционного материала от содержания волокнистого наполнителя
Расчёты показали следующие зависимости: при увеличении доли волокон относительно доли матрицы прочность и модуль упругости композиционного материала увеличиваются.
Матрица материала (термореактивная смола) армирована волокнистым наполнителем - хризотилом марок: АН-К6, 7R, А-6-30, графитом, каолином и другими компонентами. Волокна хризотила увеличивают прочность композита и способствуют предотвращению выкрашивания частиц при эксплуатации. В качестве пластификатора и антиадгезива использован стеарат цинка.
На рисунке 3 представлен технологический процесс изготовления образцов композита на основе полимерной матрицы, дисперсно-упрочняющего наполнителя и армирующей добавки в виде волокон.
Исследованы свойства материалов-аналогов: сверхмолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), полиэтилена низкого давления (ПЭНД), композиций на основе фторо-пласта-4 (Ф-4) (характеризующихся высокой теплостойкостью и химическая стойкость [4, с. 30-32]), капролона (полиамид 6 блочный, ПА6) - конструкционного полимера с антифрикционными свойствами, ПА 6-МГ (модифицированного графитом, с повышенными антифрикционными и антистатическими свойствами).
Соотнесение результатов полученных физико-механических характеристик образцов разработанного композита (с учетом применяемого волокнистого наполнителя различных марок) и анализируемых аналогов приведено в таблице 2.
Таблица 2
Физико-механические характеристики образцов разработанного материала (с хризотилом различных марок) и ана-
Рисунок 3. Технологический процесс изготовления образцов полимерного композита
Изготовлены и проанализированы образцы материала с указанным процентным соотношением исходных компонентов [5, с.8]:
смесь №1: хризотил - 65%; 34%; стеарат цинка 1%;
смесь №2: хризотил - 55%; 44%; стеарат цинка 1%;
смесь №3: хризотил - 44%; 55%; стеарат цинка 1%.
Для анализа изготовлены 10*11x55 мм (а*в*с), имеющие педа.
Проведено исследование величин линейной и объемной усадки. В различных направлениях по отношению к направлению течения величина усадки образцов армированных реактопластов различна, таким образов наблюдается анизотропия усадки [2, с. 104].
Материал Свойства\ Разработанный КМ с АН-К6 Разработанный КМ с 7К Разработанный КМ с А-6-30 ПЭНД СВМП Э Ф-4 ПА 6 -МГ
Ударная вязкость, кДж/м2 1971,6 2469 2876,2 образец не ломается образец не ломается - 18-50
Изгибающее (разрушающее) напряжение, МПа 47,1 56,3 63,4 22-32 28-32 - -
Прочность при разрыве, Н/мм2 15,2 22,9 27,9 20-29 30-40 1435 60-70
Относительное удлинение при разрыве, % 4,1 6,2 7,4 450700 400500 - -
Твердость, НВ, Н/мм2 25 35 32 45-60 40-50 3040 130
Коэф. трения 0,3-0,4 0,3-0,4 0,3-0,4 0,2 0,080,1 0,04 0,050,1
образцы размерами форму параллелепи-
Коэффициент трения анализируемых аналогов меньше требуемой величины (0,05-0,2 вместо 0,3-0,4), большие значения твердости (30-130 НВ) и относительное удлинение (ПЭНД и СВМПЭ). Следовательно, по данным параметрам, эти материалы не могут обеспечить требуемые значения эксплуатационных характеристик.
Приведенный сравнительный анализ полученных образцов с аналогами, показывает соответствие характеристик разработанного композита заявленным требованиям.
X X
о
го А с.
X
го т
о
ю 00
2 О
м о
о сч
0 сч
оэ
01
о ш m
X
<
m о х
X
Исследована структура шлифов образцов полимерного волокнистого композита с применением микроскопа МБС-2 (100 кратное увеличение). Волокна наполнителя имеют равномерное распределение по внутренней структуре полимерного композита (рис.4).
АН-Кб
A-6-jO
>
Рисунок 4. Шлифы образцов полимерного композита с волокнистым наполнителем различных марок
Проведен анализ микроструктура разработанного полимерного композита на металлографическом микроскопе «МИМ-7» с использованием 300 кратного увеличения.
Рисунок 5. Микроструктура образца полимерного композита
Поверхность включает частицы хризотила, при этом общая структура поверхности материала однородна.
Д. 85 7-0,5 (мм) О.483-О.157(мм1
Рисунок 6. Волокна хризотила на поверхности исследованных образцов
Поверхность образцов с частицами волокон наполнителя представлена на рисунке 6. При использование наполнителя марки АН-К6 на поверхности образцов имелись частицы до 1,857 мм. Для получения более однородной поверхности материала рекомендовано применение коротковолокнистого хризотила марки 7R, анализируемые образцы имели частицы волокон на поверхности 0,488-0,157 мм.
Заключение
Разработан композиционный материал на основе термореактивной смолы и волокнистого (хризотилового) наполнителя с полимерной матрицей. Сделаны рекомендации по применению волокнистого наполнителя марок: АН-К6, 7R, А-6-30. Проанализированы физико-механические свойства полученных образцов, шлифы и микроструктура поверхности полученного композиционного материала.
Литература
1. Балакирев В.С. Автоматизированное производство изделий из композиционных материалов / В.С. Балакирев, А.В. Заев и др. Под. ред. В.С. Балакирева. - М.: Химия, 1990. — 240 с., ил.
2. Бортников В.Г. Основы технологии переработки пластических масс / В.Г. Бортников. - Ленинград: Химия, Ленингр. отд-ние, 1983. — 304 с.
3. Буланов И.М. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов: Учеб. для вузов / И.М. Буланов, В.В. Воробей. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998. — 516 с., ил.
4. Истомин Н.П. Антифрикционные свойства композиционных материалов на основе фторполимеров / Н.П. Истомин, А.П. Семенов. - М.: Наука, 1981. — 147с.
5. Полимерный композиционный антифрикционный материал: Патент на изобретение № 2451702 Рос. Федерация: МПК C08L61/10, зарегистрирован 27.03.2012 -8 с., 2 табл., 8 пр.
Development and research of a polymer composite material
with specified physical and mechanical properties Zabrodina N.A., Bastrakov V.M., Alibekov S.Ya., Zabrodin N.G.
Volga State University of Technology
The dynamics of development, the expansion of applications and the high competitiveness of products in the machine-building industry in recent years in our country is due to special attention to the technology of manufacturing parts from finely dispersed powder composite materials. To create materials with desired properties, base polymers are mixed with other substances. Currently, to obtain materials with desired properties, polymer matrices reinforced with zero-dimensional or one-dimensional fillers are often used. In the manufacture of parts from composites, the stability of technological processes is of particular importance, providing the values of the functional parameters of products within the specified limits. The use of modern materials when working in various conditions makes it necessary to provide a given level of damping with minimal wear of the mating surfaces. The developed polymer composite material has requirements for characteristics: hardness, strength, modulus of elasticity, linear dimensions. The aim of this work is to obtain a composite material with a one-dimensional hardener in the form of filamentary crystals, fibers
- chrysotile. The fibers located in the matrix must have a higher value of the elastic modulus than that of the matrix (in this case, thermosetting resin PHL-3031) Ef > Em, which is one of the conditions for obtaining a composition with high mechanical properties within specified limits.
Key words: composite materials, thermosetting resin, elastic
modulus, hardness, strength. References
1. Balakirev V.S. Automated production of products from composite
materials / V.S. Balakirev, A.V. Zaev et al. Under. ed. V.S. Balakireva. - M .: Chemistry, 1990 .-- 240 p., Ill.
2. Bortnikov V.G. Fundamentals of technology for processing plastics / V.G. Bortnikov. - Leningrad: Chemistry, Leningrad. department, 1983 .-- 304 p.
3. Bulanov I.M. Technology of rocket and aerospace structures
made of composite materials: Textbook. for universities / I.M. Bulanov, V.V. Sparrow. - M .: Publishing house of MSTU im. N.E. Bauman, 1998 .-- 516 p., Ill.
4. Istomin NP Antifriction properties of composite materials based on
fluoropolymers / N.P. Istomin, A.P. Semenov. - M .: Nauka, 1981 .-
- 147s.
5. Polymer composite antifriction material: Patent for invention No.
2451702 Ros. Federation: IPC C08L61 / 10, registered on 27.03.2012 - 8 p., 2 tab., 8 pr.
