CC BY
82
УДК 620.22:620.178.16
Ю. К. МАШКОВ О. В. КРОПОТИН О. В. ЧЕМИСЕНКО
Омский государственный технический университет
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛИМЕРНОГО НАНОКОМПОЗИТА ДЛЯ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ УЗЛОВ ТРЕНИЯ
Разработан антифрикционный полимерный композиционный материал на основе политетрафторэтилена. В составе комплексного наполнителя-модификатора использованы углеродные нанотрубки и наноразмерная двуокись кремния, обеспечивающие значительное повышение износостойкости ПТФЭ-композитов. Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, политетрафторэтилен, углеродные нанотрубки, двуокись кремния, износостойкость.
Анализ работ в области триботехнического материаловедения показал, что наиболее перспективным материалом для несмазываемых подшипников скольжения и уплотняющих элементов герметизирующих устройств следует считать полимерные композиционные материалы (ПКМ) на основе ПТФЭ, которые обладают высокой износостойкостью и антифрикционностью. Кроме того, введение в ПТФЭ структурно-активных наполнителей позволяет направленно изменять структуру материала, значительно улучшая его физико-механические и триботехнические свойства [1, 2].
С целью получения требуемого сочетания свойств композиционного материала на основе анализа ранее выполненных исследований и с учетом результатов предварительных исследований были выбраны компоненты для комплексного наполнителя: углеродные нанотрубки (УНТ), ультрадисперсный скрытокристаллический графит природного происхождения (СКГ) и наноразмерный порошок двуокиси кремния — сажа белая (БС).
Исследования триботехнических свойств ПКМ, с названными наполнителями, показали, что введение нанотрубок приводит к значительному поыше-нию износостойкости ПТФЭ. На рис. 1 приведены концентрационные зависимости скорости изнашивания ПКМ, содержащий только СКГ (рис. 1б) и ПКМ, содержащий многослойные углеродные на-
нотрубки (УНТ) и ультрадисперсный СКГ в количестве 8% масс. (рис. 1а).
Как видно из графиков, введение наноразмерно-го наполнителя УНТ в комплексе с ультрадисперсным СКГ (8% масс.) значительно повышает износостойкость ПКМ. Минимальная скорость изнашивания получена при концентрации УНТ — 2% масс. Она составляет 4,540-4 г/ч, что в 2,5 раза меньше скорости изнашивания композиционного материала, содержащего только 8% масс. СКГ.
Сравнение зависимостей наглядно показывает, что применение наноразмерного наполнителя в составе комплексного модификатора обеспечивает существенное (более чем в 2 раза) повышение износостойкости антифрикционного ПКМ на основе ПТФЭ.
Результаты рентгеноструктурного анализа композиций, с различной концентрацией СКГ, показали, что средний размер кристаллитов, при введении в полимер 5% СКГ, уменьшается от 57 нм на 12,5%. В интервале концентрации 10 — 20% он составляет 52 — 53%, т.е. увеличивается на 5% и с увеличением концентрации до 30% средний размер кристаллитов вновь незначительно уменьшается [3, 4].
Введение в ПТФЭ нанотрубок с массовым содержанием до 3,5%, так же как и при введении СКГ, приводит к измельчению исходной структуры полимера (рис. 2, 3), которая разбивается нанотрубка-
3 УНТ, %мг,сс. 0 5 Ю 15 20 25 СКГ, % масс а б
Рис. 1. Концентрационные зависимости скорости изнашивания ПКМ с комплексным наполнителем: 8 % масс.СКГ + (0,5-3,5)% масс.УНТ (а) и с СКГ (б)
Рис. 2. Микрофотографии скола образца политетрафторэтилена, содержащего 1,5 % УНТ (увеличение 3500)
Рис. 3. Микрофотографии скола образца политетрафторэтилена, содержащего 3,5% УНТ (увеличение 4000)
>
ми на небольшие (относительно структуры ненапол-ненного ПТФЭ)сегметы. Образование сферолитов наблюдается вблизи нанотрубок и вдоль нанотру-бок. Установлено, что отдельные нанотрубки и пучки нанотрубок не только являются центрами струк-турообразования, но и могут внедряться в аморфные и кристаллические области матрицы, особенно при увеличение концентрации УНТ (рис. 3).
Неравномерность распределения частиц в матрице приводит к наличию в композиционном материале областей, в которых отсутствуют нанотрубки и, соответственно, сферолиты. Эти области имеют большую дефектность, рыхлоупакованную структуру с неструктурированными участками, что приводит к снижению характеристик физико-механических свойств композитов.
С целью исключения этого недостатка и упрощения технологии подготовки комплексного наполнителя, проведено исследование полимерного нано-композита с наноразмерным порошком двуокиси кремния по плану факторного эксперимента типа Ы= 23. План предусматривал проведение восьми опытов с независимыми варьируемыми факторами, соответствующими концентрации компонентов: Х1 — СКГ %, Х2 — БС %, Х3 — ДМ %. Значения независимых факторов (массовая концентрация компонентов) и результаты факторного эксперимента приведены в табл. 1.
Математическая обработка результатов испытаний с расчетом коэффициентов уравнения регрессии и проверкой их значимостепокритерию Стьюдента позволила получить уравнение регрес-
сии для скорости изнашивания в относительных едкрицах:
Y= 5,86 - 0,34 • Х1 + 0,36 • Х2 + 0,63^ Х Х2 -
- °,2& Х • Х2 Хз.
Из полученного уравнения видно, что при увеличении содержания СКГ и дисульфида молибдена (Х1, Х3) скорость изнашивания снижается, а увеличение концентрации сажи белой (Х2) вызывает повышение скорости изнашивания. Минимальное значение скорости изнашивания получено для на-нокомпозита, содержащего 4,5 % масс. СКГ, 1,5 % масс. сажи белой и 2,5 % масс. дисульфида молибдена (образец опыта № 2). Этот результат показывает, что минимальная скорость изнашивания ПКМ с комплексным наполнителем второго типа (см. табл. 1)
Таблица 1
План и результаты факторного эксперимента
№ опыта Состав, масс.% •1'10- 4, г/ч ов, МПа Е, МПа
СКГ БС ДМ
1 4,5 1,5 1,5 7,4 16,5 91,2
2 4,5 1,5 2,5 4,4 18,4 89,5
3 4,5 3,5 1,5 6,2 14,8 81,6
4 4,5 3,5 2,5 6,8 15,4 101
5 8,0 1,5 1,5 5,2 14,3 107
6 8,0 1,5 2,5 ку 1ад 88,9
7 8,0 8,5 - ,5 5,3 13,1 88,4
8 8,0 3,5 2,5 6,6 № 94,5
Среднее значение параметров 5,2 15,1 92,8
Е
X
О го
Рис. 4. Графики «усилие растяжения — деформация», полученные при испытании образцов опыта № 3
65
на 43% выше, т. е. износостойкость нанокомпозита с наполнителем третьего типа выше почти в 1,5 раза. Характеристики механических свойств (ав, Е), рассчитанные по графикам «усилие —деформация» (рис. 4), также зависят от концентрации наполнителей. Максимальное значение предела прочности имеет композиция в опыте № 2 (табл. 1), показавшая наименьшую скорость изнашивания. При этом модуль упругости этой композиции находится в области среднего значения Е.
Исследование поверхности контртела показало, что в процессе приработки на ней образуется тонкая пленка фрикционного переноса, и дальнейшее трение происходит между поверхностями образца и пленки, что значительно снижает скорость изнашивания образцов. Ранее проведенными исследованиями [2, 3] установлено, что в поверхностном слое композитов на основе ПТФЭ при определенном уровне фрикционного энергетического воздействия протекают следующие физико-химические процессы:
— деформирование поверхностного слоя композита и повышение температуры в зоне трения выше температуры плавления кристаллической фазы ПТФЭ;
— трибохимические реакции: деструкция полимера, выделение свободного фтора или фторсодер-жащих радикалов;
— эндотермические фазовые переходы, амор-физация ПТФЭ и самоорганизация жидкокристаллической слоистой структуры типа термотропных жидкокристаллических структур, отличающихся минимальной силой трения между слоями макромолекул.
Заключение. Введение в ПТФЭ микро- и нано-размерных порошков различной природы (графит, дисульфид молибдена, диоксид кремния) в небольших концентрациях обеспечивает развитие физико-химических процессов формирования пленки фрикционного переноса на поверхности металлического контртела и жидкокристаллической структуры типа термотропных жидких кристалов в тонком поверхностном слое полимерного нанокомпо-зита, что обеспечивает снижение износа полимерных образцов более чем в 100 раз.
Применение комплексных модификаторов, включающих наноразмерную компоненту, позволяет дополнительно уменьшить скорость изнашивания полимерного нано композита в 2,5 — 3 раза по
Книжная полка
сравнению с ПКМ без наноразмерных составляющих комплексного модификатора.
На основании результатов исследований композиционных материалов по планам полного факторного эксперимента создан новый полимерный на-нокомпозит на основе ПТФЭ, который в условиях трения без смазки обладает в 1,5 — 2,0 раза более высокой износостойкостью в сравнении с известным ПКМ на основе ПТФ, включая нанокомпози-ты с углеродными нанотрубками. С учетом невысокого уровня модуля упругости (90—100 МПа) созданный нанокомпозит найдет широкое применение для изготовления уплотнительных элементов динамических герметизирующих устройств различных машин и технологического оборудования.
Библиографический список
1. Композиционные материалы на основе политетрафторэтилена. Структурная модификация / Ю. К. Машков [и др.]. — М. : Машиностроение, 2005. — 240 с.
2. Самоорганизация и сруктурное модифицирование в ме-таллополимерных трибосистемах : моногр. / Ю. К. Машков [и др.]. - Омск : ОмГТУ, 2013. - 232 с.
3. Кропотин, О. В. Создание полимерного антифрикционного нанокомпозита на основе политетрафторэтилена с повышенной износостойкостью / О. В. Кропотин, Ю. К. Машков, О. А. Кургузова // Омский научный вестник. — 2013. — № 2 (120). — С. 86 — 89
4. Разработка полимерных композитов триботехниче-ского назначения с микроразмерными модификаторами / О. В. Кропотин [и др.] // Омский научный вестник. — 2013. — № 2 (120). — С. 91 — 94.
МАШКОВ Юрий Константинович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры физики.
КРОПОТИН Олег Витальевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры физики, заведующий кафедрой довузовской подготовки.
ЧЕМИСЕНКО Олег Владимирович, аспирант кафедры физики.
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 26.05.2014 г. © Ю. К. Машков, О. В. Кропотин, О. В. Чемисенко
621.01/Т41
Тимофеев, Г. А. Теория механизмов и машин : учеб. пособие для бакалавров вузов по техн. специальностям / Г. А. Тимофеев ; МГТУ им. Н. Э. Баумана. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Юрайт, 2013. — 351 с. — ISBN 978-5-9916-2484-8: 386.43 р.
Изложены основы теории механизмов и машин (ТММ), изучены свойства отдельных типов механизмов, широко применяемых в самых разных машинах, приборах и устройствах; рассматриваются задачи совершенствования современной техники, создания новых высокопроизводительных машин и систем, освобождающих человека от трудоемких процессов. ТММ базируется на методах математического анализа, векторной и линейной алгебры, дифференциальной геометрии и других разделов математики, поэтому курс лекций рассчитан на студентов, уже имеющих подготовку по высшей математике, теоретической механике, векторной алгебре, информатике и др. Содержание соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования третьего поколения и методическим требованиям, предъявляемым к учебным изданиям. Для студентов высших технических учебных заведений.
