CC BY
7
Л. Ф. КАЛИСТРАТОВА Н. П. КАЛИСТРАТОВА П. Е. КОЛОСОВ
Омский государственный технический университет
Омский государственный университет
УДК 678.743:661.666.2.001.73
структурная организация модифицированного скрытокристаллическим графитом
политетрафторэтилена
ИЗЛАГАЮТСЯ РЕЗУЛЬТАТЫ РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКОГО АНАЛИЗА СИСТЕМ шгв-гмэЕ, ^В-СОвЕ, твВ-гЫТЕ. ОНИ УКАЗАЛИ НА ОБРАЗОВАНИЕ В НИХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ ЗАМЕЩЕНИЯ С КУБИЧЕСКОЙ РЕШЕТКОЙ СФАЛЕРИТА: ЛИНИИ НА РЕНТГЕНОГРАММАХ СДВИНУТЫ ОТНОСИТЕЛЬНО ЛИНИЙ БИНАРНЫХ КОМПОНЕНТОВ ПРИ ПОСТОЯННОМ СВОЕМ ЧИСЛЕ, ЗАВИСИМОСТИ РАССЧИТАННЫХ ПАРАМЕТРОВ РЕШЕТОК, МЕЖПЛОСКОСТНЫХ РАССТОЯНИЙ, РЕНТГЕНОВСКОЙ ПЛОТНОСТИ ОТ СОСТАВА БЛИЗКИ К ЛИНЕЙНЫМ.
Перспективность применения многокомпонентных материалов на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) в узлах машин с высокими техническими характеристиками связана с широкими возможностями их модификации. Не теряет своей актуальности традиционный метод упрочнения ПТФЭ путем введения в матрицу различных волокнистых и металлических наполнителей (углеродного волокна, кокса, бронзы, дисульфида молибдена, молибдена и др.). Распространенность этого метода связана, прежде всего, с его относительной технологической простотой и экономичностью по сравнению со многими другими современными способами поверхностной модификации материалов.
К настоящему времени на основе обширного экспериментального материала выявлены и обобщены закономерности влияния отдельных наполнителей на структуру и эксплуатационные характеристики многокомпонентных полимеров на основе ПТФЭ [ I ].
Дальнейшее развитие исследовательской работы в этом направлении ставит проблему оптимизации концентрационного состава композитов для получения наиболее устойчивой в условиях жесткого трибовоздействия структуры. Научных работ, посвященных этой проблеме, крайне мало. В частности, наиболее полные сведения имеются лишь по системе ПТФЭ + углеродное волокно [2,3]. Установлено, что максимальные антифрикционные свойства полимера достигаются введением до 10 масс.% наполнителя, что сопровождается увеличением степени кристалличности матрицы ПТФЭ и снижением межслоевого расстояния в аморфной фазе. Большее содержание углеродного волокна приводит к разрыхлению структуры и ухудшению физико-механических свойств композита.
В продолжение полученных различными авторами результатов, целью настоящей работы является исследование двухкомпонентной системы ПТФЭ + скрытокристаллический графит (СКГ) и определение оптимального для условий эксплуатации концентрационного состава материала.
Объектом исследований являлись композиционные материалы на основе ПТФЭ (ГОСТ 10007-80), содержащие в качестве наполнителя-модификатора ультрадисперсный скрытокристаллический графит с удельной поверхностью 55-70 м2/г, полученный из природной графитовой руды.
Введение наполнителя в порошкообразный ПТФЭ производили по технологии сухого смешивания в мельнице при частоте вращения ножей 7800 мин1. Образцы для исследования структуры, физико-механических и триботех-нических свойств изготавливали по технологии холодного прессования при давлении 70-80 МПа с последующим свободным спеканием при температуре 360±3 °С. Для рентге-ноструктурного анализа были представлены рабочие об-
разцы в виде колец, содержащие 2, 4, 7, 10, 15, 20, 25, 30 масс.% СКГ.
Съёмка рентгенограмм производилась на установке ДРОН-ЗМ при использовании фокусировки по Бреггу-Брентано на фильтрованном Со-Ка излучении. Углы дифракции основных рефлексов рентгенограмм и аморфных гало определяли по положению их центров тяжести. Степень кристалличности х. параметры псевдогексагональной кристаллической решетки а, с и угол у, среднее межслоевое расстояние аморфной фазы См и размер кристаллитов й рассчитывали по формулам, приведенным в [1]. Указанные структурные параметры определялись для исходных материалов и подвергнутых трибовоздействию. В качестве эталона использовали образец монокристалла №С1. Относительные погрешности в определении параметров решетки составляли: для аис - 2 %, для Сам и х - 5 %.
Кроме того, на качественном уровне были произведены исследования состояния пленки фрикционного переноса, полученной на контртеле, и поверхности контртела под пленкой переноса.
Рентгенограммы исходных поверхностей образцов ПТФЭ+СКГ отражают аморфно-кристаллическую структуру политетрафторэтилена и содержат основную информацию в области углов 20 = 10° - 40° (рис. 1).
20
40
30
20
10
Рис.1. Рентгенограммы исходной поверхности полимерной системы ПТФЭ+СКГ.
Наличие графита заметно сказывается при концентрациях, превышающих 10 масс.%, а к30 масс.%-он выделяется в отдельную фазу, которая дает свой собственный ярко выраженный рефлекс с межллоскостным расстоянием
1.62 Н
1.60 -
1.58
1.56
1.54
12
1В
24 30
С. Хмасс.
а]
(003)
(100)
(003|
2 в
22
21
22
21
Рис.2. Концентрационные зависимости среднего межслоевого расстояния материала исходных поверхностей (1) и поверхностей трения (2).
Рис.4. Развернутые профили основных рефлексов материала исходной поверхности (а) и поверхности трения (б) для образца ПТФЭ+2 масс.% СКГ.
и.х
(003)
(003)
70
65 -
60
55
50
12
24
30
С, Хмасс,
30* СКГ
2 в
22
21
22
21
Рис.3. Концентрационные зависимости степени кристалличности материала исходных поверхностей (1) и поверхностей трения (2).
с1 = 0,338 нм. В пределах погрешности параметры кристаллической ячейки материала не изменяются и составляют в среднем а = 0,56 нм, с = 1,4 нм. Выявить закономерности в поведении размера кристаллитов Р не удалось в связи с незначительным уширением рефлексов в области малых углов дифракции. По всем образцам исходных поверхностей □ « 55 нм.
Выявлено, что чувствительными параметрами к содержанию наполнителя являются степень кристалличности х и межслоевое расстояние в аморфной фазе Сам, концентрационные зависимости которых приведены на рис.2,3.
В образцах, не подвергнутых трибовоздействию, зависимость этих величин от концентрации графита носит экстремальный характер с минимумом при содержании СКГ -15 масс.%.
Общий вид рентгенограмм поверхностей трения образцов системы ПТФЭ+СКГ по фазовому составу сходен с исходными (не подвергнутыми трибовоздействию). Однако развернутые профили основного рефлекса в области углов 29 = 19° - 24° для всех концентраций СКГ позволили увидеть следующие изменения (рис.3,4):
1) интенсивность дублетного рефлекса (003)-(001) матрицы ПТФЭ от поверхностей трения значительно превышает аналогичный для исходных поверхностей; 2) максимальное различие в указанном дублете наблюдается при малых концентрациях наполнителя (2 и 4 масс.%) (рис.4); 3) увеличение содержания СКГ до 30 масс.% приводит к сглаживанию различий в интенсивности дублета (рис.5).
Заметных закономерностей в изменении ширины рефлексов не наблюдается, параметры кристаллической ячейки так же не изменились.
Рис.5. Развернутые профили основных рефлексов материала исходной поверхности (а) и поверхности трения (б) для образца ПТФЭ+30 масс.% СКГ.
Выявлено, что среднее межслоевое расстояние Сш в поверхностях трения не зависит от концентрации наполнителя (рис.2). Видимо, при трении определяющим фактором формирования структуры поверхностных слоев материала является уровень внешнего нагружения, которое способствует релаксации структуры аморфной фазы до наиболее устойчивого состояния.
Степень кристалличности х в поверхностях трения снижается с ростом концентрации СКГ до 7 масс.% и затем возрастает до среднего значения (рис.3).
Рентгеноструктурные исследования пленки переноса показали, что материал имеет аморфную структуру с небольшим содержанием графита (заметен рефлекс от СКГ) (рис.1).
Развернутые рефлексы стального контртела с пленкой переноса и без нее демонстрируют значительное ослабление рентгеновского излучения при прохождении сквозь пленку переноса. Исходя из предположения, что занимаемая рефлексом площадь, как и интегральная интенсивность, подчиняется закону поглощения излучения / = /„еУ, была оценена толщина пленки переноса при значении коэффициента поглощения ц - 6 см-1 [4]. Она оказалась равной - 20 мкм.
Представленные результаты экспериментальных исследований позволяют сделать следующие заключения о структурно-фазовых состояниях в системе ПТФЭ + СКГ:
1) Введение ультрадисперсного наполнителя при всех концентрациях (2-30 масс.%) не изменяет параметров кристаллической ячейки, следовательно, он располагается в аморфной фазе матрицы ПТФЭ.
2) При малых концентрациях графита образуется двухфазная аморфно-кристаллическая структура ПТФЭ,
степень кристалличности и межслоевое расстояние которой уменьшаются с увеличением наполнителя до 15 масс.%. При воздействии трением происходит сильное текстурирование поверхностных слоев, снижающееся по мере увеличения концентрации графита и сопровождающееся понижением степени кристалличности. Межслоевое расстояние при этом определяется условиями внешнего механического воздействия, а не содержанием наполнителя.
3) Увеличение содержания СКГ свыше 15 масс.% вызывает структурно-фазовые превращения в материале, образуется четырехфазная исходная структура: двухфазный ПТФЭ, графит и межфазный слой, обволакивающий графит. Начиная с 15 масс.% наполнителя и по мере увеличения концентрации графита степень кристалличности возрастает за счет формирования кристаллической фазы. При воздействии трением текстурирование поверхностных слоев полимерного материала такой сложной трибоструктуры затруднено.
4) Скрытокристаллический графит способствует образованию аморфной пленки переноса и частично сам переносится в пленку переноса.
И.С.ДИЕВ
Омский государственный университет
УДК 621.382.2
На основе стекла состава \/205-Р205-Са0 (в молярном соотношении 7:2:1) были получены образцы м-п/п-м (металл-полупроводник-металл) структур с разными материалами электродов (V, Р^нижние электроды, А1, Аи-верхние). Напыление структур производилось на установке УВН-2М-1, причем тугоплавкие нижние электроды наносились ионным методом, стекло наносилось методом взрывного напыления, верхние электроды наносились термическим распылением. Все слои наносились масочным методом. В качестве подложек м-п/п-м структур использовались ситалловые (СТ-50), стеклянные (стекло 550а) и кремниевые (кремний п*-типа) подложки. Образцы были изготовлены автором в лаборатории Гамана В.И. (СФТИ г. Томск) под руководством Калыгиной В.М.
Полученные образцы м-п/п-м имели толщину стекла порядка ~0,1-:-0,3 мкм, при ширине электродов ЗООмкм. После изготовления образцы подвергались воздействию (формовке) переменным электрическим полем частотой 50Гц до получения устойчивой вольтамперных характеристик (ВАХ). Исследовались температурные зависимости ВАХ м-п/п-м структур и электропроводность сг(т). Как видно на рисунке 1, вольтамперные характеристики (ВАХ) образцов соответствуют переключающим характеристикам элементов памяти с областью отрицательного сопротивления (ОС). На ВАХ участок ОС ^Л/,!, , на
Литература
1.Машков Ю.К., Калистратова Л.Ф., Овчар З.Н.. Структура и износостойкость модифицированного политетрафторэтилена: научн. изд. - Омск: Иэд-во ОмГТУ, 1998.-143 с.
2.Кропотин О.В., Суриков Вал.И., Суриков Вад.И., Машков Ю.К./Трение и износ. 1998. Т.19. №4. С.493-497.
3.Кропотин О.В., Суриков В.И., Калистратова Л.Ф. / Материаловедение. 1997. №4. С.19-21.
4. Машков Ю.К. Трибофизика и свойства наполненного фторопласта: научн. изд. - Омск: Иэд-во ОмГТУ, 1997. -192 с.
КАЛИСТРАТОВА Любовь Филипповна, доцент кафедры физики ОмГТУ, к.ф.-м.н.
КАЛИСТРАТОВА Наталья Павловна, старший преподаватель кафедры физики ОмГТУ, к.т.н. КОЛОСОВ Павел Евгеньевич, доцент кафедры физического материаловедения, к.ф.-м.н., ОмГУ.
участке 0Л/, образцы имеют высокое, до 105 Ом сопротивление, после участка ОС с участка \/2—0 у образцов низкое сопротивление до Ю'Ом:
V, порядка 5-12В, I, порядка 5-12x10 5А, \/г порядка 2-4В, 1г-порядка 2-4x10'1А. Параметры ВАХ образцов измерялись в диапазоне температур Т=(77-500) К с помощью характериографа для полупроводниковых диодов. ВАХ образцов исследовались как в динамическом так и статическом режимах.
Пригртежен^а^ьшоэпа<|р^чэа<ж)гппясн11ше 50С№/4М ктл^^ЕНЬым м-п/п-м структурам меняется высота потенциального барьера на границе м-п/п и повышается вероятность туннелирования из металла в проводящую зону аморфного п/п, также возможна эмиссия Шот-тки через барьер (этот тип эмиссии представляет собой полную аналогию с термоэмиссией, учитывая приложенное поле, снижающее высоту потенциального барьера).Составляющая тока, вносимая данным эффектом, определяется из выражения: 1п1=аУш
где: а= А/2кТ, А определяется экспериментально; к-постоянная Больцмана, Т-температура (в градусах Кельвина);
I -ток через образец; V- приложенное к образцу напряжение.
Фазовый переход в аморфных
полупроводниках под действием электрического поля
В СТАТЬЕ РАССМОТРЕНЫ МЕХАНИЗМЫ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА В АМОРФНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ.
