Влияние ультразвуковых колебаний на структуру и свойства полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 678.743.4:539.2/.8:534.28 Ю. К. МАШКОВ

Д. А. НЕГРОВ Л. Ф. КАЛИСТРАТОВА

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия,

г. Омск

Омский государственный технический

университет

ВЛИЯНИЕ

УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА_

В статье рассматривается влияние энергии ультразвуковых колебаний на структуру, механические и триботехнические свойства полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена, показано, что при ультразвуковом прессовании происходит изменение надмолекулярной структуры, повышается предел прочности, модуль упругости и износостойкость композиционных материалов.

Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, трибология, механические свойства, структура полимеров.

Введение. Полимерные композиционные материалы (ПКМ) на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) широко применяются для изготовления различных деталей узлов трения, изделий машиностроения. Повышение удельных нагрузок и скоростей движения элементов машин делает весьма актуальной задачу повышения механических и триботехни-чсских свойств ПКМ и особенно ПКМ на основе ПТФЭ [ 11, применяемых и для смазываемых и несма-зываемых узлов трения.

Физической основой различных методов повышения механических и триботехнических свойств полимерных материалов и композитов на их основе служит структурная модификация на разных уровнях структурной организации полимера. Наиболее распространенным методом структурного модифицирования является введение в полимерную матрицу наполнителей — модификаторов различного типа: дисперсных, волокнистых, ультрадисперсных [2, 3|. Ультрадисперсные наполнители, представляющие собой микроскопические частицы с размером ~ 100 нм, отличаются высокой поверхностной активностью, поэтому системе с такими компонентами присущи необычные свойства, не встречающиеся в неактивированных кристаллах |4|.

Значительное влияние на структуру и свойства ПКМ на основе ПТФЭ оказывают режимы технологических операций изготовления заготовок (измельчение и перемешивание компонентов, прессование, термообработка). Наибольшее влияние оказывают режимы термообработки. В работах [5, 6| показано, что, изменяя режимы технологических операций, можно управлять структурой и свойствами ПКМ и изменять их в требуемом направлении в зависимости

от условий эксплуатации машин.

Возможности названных методов модифицирования с целыо повышения эксплуатационных свойств ПКМ на основе ПТФЭ в значительной степени исчерпаны. Однако совершенствование технологии получения ПКМ в направлении повышения уровня внешнего энергетического воздействия и активации компонентов при синтезе ПКМ позволяет достичь значительного повышения механических и триботехнических свойств этих материалов.

За последнее время получили применение способы уплотнения порошков с одновременным наложением вибрации — виброформование |7|. Под термином виброформование полимеров подразумеваются такие технологические процессы переработки пластмасс, в которых на протяжении всего технологического цикла или на отдельных его этапах перерабатываемому материалу сообщаются вибрационные импульсы инфразвуковой, звуковой и ультразвуковой частот. Поддействием вибрации силы трения и сцепления частиц уменьшаются, при этом частицам перерабатываемого материала придаются значительные знакопеременные скорости и ускорения, в результа те чего в полимерах наблюдается целый рядфизических и химических явлений, приводящих к интенсификации процессов переработки, снижению энергоемкости оборудования, повышению качества готовых изделий.

Одним из способов вибрационного воздействия является воздействие ультразвуковых колебаний (УЗК), благодаря чему существенно облегчается возникновение и разви тие пластической деформации частиц порошка. Это положительно влияет и на характер изменения сил фения в процессе прессования,

Риг. {.Схема установки для прессования изделий и I фторопласта с наложением ультразвуковых колебаний: I — основание; 2 — шаровая опора; 3 — пресс-форма; 4 — волновод-пуансон; 5 — траверса; О — магнитострнкцпонный преобразователь; 7 — направляющая колонна; 8 — рукоятка; 9 — гидроцнлиндр; 10 — гидравлическая система

и дает возможность формовать изделие сложной формы при сравнительно небольших усилиях|8|.

Цель работы. Исследование влияния энергии ультразвуковых колебаний на структуру, механические и триботехнические свойства политетрафторэтилена, модифицированного ультрадисперсным скрытокристаллическим графитом (СКГ) и измельченным углеродным волокном (УВ).

Объект н методы исследования. Объектом исследования являлись ПКМ на основе ПТФЭ с дисперсными и волокнистыми наполнителями и технология изготовления этих материалов. Методика исследования включала два этапа. На первом этапе исследовали влияние энергии УЗК на механические и триботех-нические свойства ПКМ, содержащих только один вид наполнителя — ультрадисперсный в виде порошка СКГ или волокнистый в виде измельченного углеродного волокна «УРАЛ-Т10». Содержание наполнителей в ПКМ изменялось от 3 до 12%массовых.

На втором этапе методикой предусматривалось исследование влияния режимов ультразвуковой обработки на структуру и свойства ПКМ с комплексным наполни телем-модификатором: СКГ — 8%, УВ — 6 %, МоБ, — 2 %.

Для проведения исследований была собрана специальная установка на базе гидравлического пресса МТ-50 (рис. 1), в которой применен ультразвуковой генератор УЗГ2-4 М, имеющий входную мощность 2,5 кВт и работающий в частотном диапазоне от 17,5 до 23 КГц. В качестве источника ультразвуковых колебаний использовали магнитострикционный преобразователь ПМС15-А-18. При прессовании образцов с использованием энергии УЗК порошок композиционной смеси засыпали в пресс-форму, закрепленную на шаровой опоре. Усилие прессования составляло 46,5 МПа, амплитуда колебаний пуансона составляла 15 мкм. После ультразвукового прессования образцы подвергались термообработке (спеканию) при температуре 360 "С. /\дя сравнения, соблюдая те же режимы прессования, изготавливали образцы без воздействия ультразвуковых колебаний.

Механические свойства образцов при растяжении определяли на разрывной машине Р-0,5 со скоростью деформации 20 мм/мин, согласно методике [ 11.

Методика исследования гриботехнических свойств ПКМ [11 предусматривала исследование их износостойкости (скорость изнашивания) и антифрикционных свойств (моменти коэффициент трения). Испытания образцов проводили на специальном стенде МДС-2, при скорости скольжения V = 0,75 м/с и контактном давлении Р = 2 МПа без смазки.

Исследование фазового состава и надмолекулярной структуры выполняли методом рентгепострук-турного анализа с помощью рентгеновского дифрак-тометра ДРОН-ЗМ по методике |1|, позволяющей определить изменение фазовогосостава и параметров надмолекулярной структуры под влиянием энергии УЗК.

Результаты исследования. Анализ результатов исследования прочности показал, что наложение ультразвуковых колебаний на заготовку, прессуемую из чистого ПТФЭ, в течение первых 30 секунд увеличивает модуль упругости на 30 %, так же как при введении 3 % СКГ, но без наложения ультразвуковых колебаний. Увеличение времени воздействия УЗК более 90 секунд приводит к незначительному повышению модуля упругости. Поэтому при дальнейших исследованиях образцы обрабатывались энергией УЗК в течение 90 секунд. Эти результаты позволяют предположить, что влияние энергии УЗК и ультрадисперсных активных частиц СКГоказывает аналогичное влияние на изменение механических свойств ПТФЭ, а следовательно, и на его структуру.

Согласно методике исследования, изучение влияния энергии ультразвуковых колебаний выполняли на образцах с различным содержанием наполнителей с последующим построением концентрационных зависимостей механических свойств. На рис. 2 приведены концентрационные зависимости предела прочности ПКМ при растяжении и модуля упругости при введении СКГ. Как видно, графики зависимостей имеют экстремальный характер с максимумом при концентрации 6 %. При этом зависимости дли образцов, изготовленных но обычной технолог ии, и с наложением энергии УЗК имеют одинаковый характер. Повышение предела прочности до 8,7 % и модуля упругости до 15,5% наблюдается у образцов, полученных при воздействии УЗК. Относительное удлинение при разрыве, характеризующее пластические свойства материала, при наложении ультразвуковых колебаний снижается. Наибольшее уменьшение относительного удлинения — 8,3 % также получено при концентрации 6%.

О, МПа Е. МПа

__1

У /А

У VI'

/

/

4 6 8 10 12 С.%

Рис. 2. Концентрационные зависимости предела прочности (I, 2) и модуля упругости (Г, 2') ПКМ

с ультрадисперсным наполнителем СКГ; I, Г — технология с УЗВ; 2, 2' — традиционная технология

Рис. 3. Концентрационные зависимости предела прочности П. 2) и модули упругости (Г, 2') ПКМ с волокнистым наполнителем УВ:

I, Г — технология с УЗВ; 2, 2' — традиционная технология

м

0.6

0.5

0.27 —,0.24 0.4 0.3 /Ч> 0.3

1 0.2 0.2

1 0.1 0.1

Традиционная технологи* - Технология с УЗК

Рис. 4. Характеристики триботехнических свойств ПКМ: I — скорость изнашивания, I; 2 — момент трения, М„; 3 — коэффициент трения, Г

Рис. 5. Рентгенограмма образцов: а — традиционная технология (№ I); б — технология с УЗК |№ 2)

Таким образом, полученные концентрационные зависимости механических свойств ПКМ показывают, что механические свойства при наложении ультразвуковых колебаний в процессе прессования заготовок существенно изменяются: предел прочности и модуль упругости возрастают, а относительное удлинение снижается. Другой общей закономерностью является четко выраженное положение экстремума на кривых при концентрации наполнителя 6% массовых, для обоих видов технологий. Следовательно, эту концентрацию СКГ следует считать критической для исследуемого ПКМ.

На рис. 3 приведены аналогичные концентрационные зависимости свойств для ПКМ, наполненного углеродным волокном. Характер полученных зависимостей отличается от рассмотренных. Зависимости предела прочности имеют максимум при концентрации наполнителя 9 %, а модуль упругости монотонно увеличивается при повышении концентрации УВ. При этом влияние энергии УЗК на величину предела прочности не превышает2%, а модуль упругости повышается на 20-80% в зависимости от концентрации наполнителя.

В работе |9| показано, что введение углеродного наполнителя влияет на характер формирующейся надмолекулярной структуры, изменяя степень кристалличности полимера. Это приводит к изменению механических и триботехнических свойств композиционного материала. При этом также установлено наличие критической концентрации наполнителя на концентрационных зависимостях, при которой ха-

рактеристики механических свойств имеют максимальное значение.

Исследование влияния энергии ультразвуковых колебаний на трибогехнические свойства ПКМ проводили испытанием образцов, наполненных ультра-дисперсным СКГ. Результаты исследования (рис. 4) показали, что скорость изнашивания снижается на 23,6 %, а коэффициент трения на 11 %. Столь значительное повышение износостойкости свидетельствует в первую очередь об изменении структуры композиционного материала, которое и приводит к повышению механических и триботехнических свойств. С целыо изучения механизма структурной модификации ПТФЭ при воздействии энергии УЗК проводили рентгеноструктурный анализ образцов ПКМ следующего состава: измельченное углеродное волокно (УВ) — 6%, СКГ — 8%, МоБа — 2%. Одновременно исследовали образец, изготовленный по традиционной технологии. В табл. I приведены номера образцов с указанием метода модифицирования и продолжительности испытания образцов на трение перед проведением рентгенографического исследования.

Рентгенограммы снимали в Си-фильтрованном излучении. Общий вид рентгенограмм получали в интервале углов дифракции 20= (10-80) градусов при скорости вращения счетчика 1 град/мин. Фрагменты рентгенограмм в области основного рефлекса ПТФЭ 20= (17-20) градусов снимали при скорос ти 0,25 град/мин.

Анализ общего вида рентгенограмм показал, что все образцы имеют идентичный фазовый состав

Таблица I

Номер образца Структура Метод модифицирования Продолжительность испытания, ч

1 Исходная - -

2 Модифицированная УЗВ —

3 Модмфициртшаннаи УЗВ 3

4 Модифицирошнпшн УЗВ 6

Таблица 2

Номер образца 1С,% а.,, нм С.,, им а... нм С... нм Д, нм

1 75 0,508 1.610 0,514 1,695 34.2

2 79 0,568 1,610 0,526 1,695 72,0

3 81 0.568 1,625 0,512 1,730 55,9

4 81 0.568 1,610 0,512 1,710 50,9

(рис. 5). На рентгенограммах хорошо проявлены дифракционные максимумы от кристаллических областей матрицы и аморфные гало от неупорядоченных областей ПТФЭ, а также рефлексы наполнителей: МоБ.,, графита (УВ + СКГ).

В табл. 2 представлены результаты расчетов параметров надмолекулярной структуры всех образцов.

Как видно из таблицы, исходный ПКМ, изготовленный по традиционной технологии (образец №1) имеет высокую степень кристалличности (в = 75 %). Параметры кристаллической ячейки а1(> = 0,568 им и С = 1,610 нм близки к табличным значениям, равным 0,564 и 1,68 нм соответственно. Средние межслоевые расстояния а ш = 0,514 нм и С1М= 1,695 нм в аморфной фазе близки к таковым для кристаллической фазы.

Воздействие энергии ультразвуковых колебаний привело к уменьшению уширения основного рефлекса (100) кристаллической фазы ПТФЭ и увеличению его интегральной интенсивности (рис. 5). Так ширина рефлекса В = 0,27" уменьшилась до 0" ,18 (рис. 6), что свидетельствует о значительном, более чем в 2 раза, увеличении размера кристаллитов Д=34,2 нм до 72,0 нм. Такой большой величины кристаллитов не наблюдалось ранее ни при каких видах и условиях энерг е тического воздействия.

Степень кристалличности при обработке ультразвуком (образец №2) повысилась на 5,3 %. Это можно объяснить увеличением интегральной интенсивности рефлекса ПТФЭ (100). Интенсивность (площадь) аморфного гало при этом изменилась незначительно.

В образцах, прошедших испытание на трение, наблюдается увеличение площадей аморфных гало, связанное с увеличением областей неупорядоченной структуры на 24 %. Это может происходить за счет фрагментации кристаллитов, поскольку размер Д уменьшился с 72 нм до 55,9 нм. Трение приводиттакже к появлению микроискажений кристаллической решетки, а это связано с увеличением интегральной интенсивности кристаллического рефлекса, которое наблюдается для образца N9 3 (площадь Б1(1 увели-чиласьна39,6%, рис. 56).

В процессе трения незначительно увеличилось среднее межслоевое расстояние в плоскостях (001) (на 2%).

Выполненный анализ позволяет сделать следующие выводы.

Воздействие энергии ультразвуковых колебаний приводит к формированию структуры с более высокой степенью кристалличности (а: = 79%) с увеличением примерно в два раза размеров блоков (кристаллитов) кристаллической фазы.

(100) ПТФЭ

(100) ПТФЭ

Рис. 0. Фрагменты рентгенограмм образцом: а —№1,6 —№2

В процессе фения происходит изменение надмолекулярной структуры вследствие значительного уменьшения размера блоков кристалли тов за счет их фрагментации. Изменение параметров структуры с увеличением продолжительности трения с 3-х до 9-ти часов весьма незначительное.

Заключение. 1. Воздействие энергии ультразвуковых колебаний на прессуемую заготовку из ПТФЭ или ПКМ на сгооснове вызывает значительное изменение механических и гриботехнических свойств материала. Степень влияния на свойства ПКМ зависит от концентрации наполнителя, а концен трационные зависимости механических свойств имеют экстремальный характер.

2. Влияние энергии ультразвуковых колебаний на механические свойства ПКМ проявляется во всем диапазоне упругих и пластических деформаций при растяжении, при этом предел прочности повышается до 8,3 %, модуль упругости до 15,5 %, относительное удлинение снижается на 8,3 %.

3. Наряду с повышением механических свойств, при воздействии ультразвуковых колебаний, повышаются и характеристики -гриботехнических свойств ПКМ при сухом трении по стали; установлено снижение скорости изнашивания на 23,6% и коэффициента трения (момента трения)— на 11 %.

4. Установленное влияние энергии ультразвуковых колебаний, одного из видов внешнего энергетического воздействия, на механические и триботех-нические свойства модифицированного ПТФЭ связано с изменением фазового состава и надмолекулярной структуры полимерной матрицы — увеличением степени кристалличности и размера блоков в структуре кристаллической фазы.

5. В процессе трения происходит изменение надмолекулярной структуры матрицы вследствие фрагментации и значительного уменьшения размера кристаллитов; увеличение продолжительности испытания трением мало влияет на параметры структуры, что свиде тельс твует о ее устойчивос ти к внешнему энергетическому воздействию.

Обозначения

о, — предел прочности при разрыве; 8 — относительное удлинение. Е — модуль упругости, X — степень кристалличности; а^, С,р — параметры кристаллической ячейки; «„, С„ — параметры аморфной фазы; Д— средний размер кристаллитов.

Библиографический список

I Машков Ю. К. Трибофизнка и свойства наполненного фторопласта : науч. издание. — Омск: ОмГТУ, 1997.

2. Машков Ю. К., Полещенко К. П., Поворознюк С. П.. Орлов П. Ц Трение и модифицирование материаловтрибосистем. -М.: Наука. 2000.

3. Машков Ю. К., Суриков В. И., КолистратоваЛ. Ф., Мамаев О А Модификация структуры и свойств композиционных материалов на основе политетрафторэтилена. — Омск: Изд-во, 2005.

•1 Охлопкова А. А.. Виноградова А. В., ПинчукЛ.С. Пластики, наполненные ультраднсперсными неорганическими соединениями. — Гомель. 1999.

5. Повышение эксплуатационных свойств композитов на основе ПТФЭ оптимизацией состава и технологии. Ч. 2. Влияние технологических режимов на механические и триботехнические

свойства композитов / Ю. К. Машков, М. Ю. Байбарацкаи, Л. Ф. Калистратова и др. // Трение и ИЗНОС. - 2002. - N» 523. -С. 537 - 542.

6. Калистратова Н. П., Байбарацкая М. IO. Влияние технологических операций на формирование структуры полимерного композиционного матери<1ла на основе политетрафторэтилена // Омский научный вестник. • 2000. • Вып. 10. - С. 43-46.

7. Басов Н.И., Любартович С.А., Любартович В.А. Виброформование полимеров. — Л.: Химия. 1979. - 160 с.

8. Агранат Б.А., Гудовнч А.П., НежевенкоЛ.Б. Ультразвук в порошковой металлургии - М.: Металлургии, 1986. - 168 с.

9. Машков Ю.К., Мамаев O.A., Суриков В.И. Структурно-энергетическая самоорганизации в процессах синтеза и трения композитов на основе политетрафторэтилена // Трение и износ. — 2002. -N«6(23). - С.661-665.

МЛШКОВ Юрий Константинович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой физики Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии.

НЕГРОВ Дмитрий Анатольевич, доцент кафедры «Материаловедение и технология конструкционных материалов» Омского государственного технического университета.

КАЛИСТРАТОВА Любовь Федоровна, кандидат технических наук, доцент кафедры физики Омского государственного технического университета.

Статья поступила в редакцию 24.12.08 г. © Ю. К. Машков, Д. Л. Негров, Л. Ф. Калистратова

Книжная полка

Прокопенко, Н. И. Термодинамический расчет идеализированного цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания [Текст] / Н. И. Прокопенко. - М.: БИНОМ. Лаб. знаний, 2006. - 141 с. - ISBN 5-94774-380-9.

Приведены краткие теоретические сведения но идеализированным циклам ДВС, ме тодические указания по расчету идеализированного цикла поршневого ДВС со смешанным процессом подвода тепловой энергии к рабочему телу, задания для расчета идеализированных циклов поршневых ДВС. В качестве примера выполнен расчет одного из вариантов заданий с использованием математического пакета MathCad-8 (2000).

Розенберг, Ю. А. Резание материалов (Текст]: учеб. для вузов по направлению подгот. «Конструк-торско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» / Ю. А. Розенберг; Курган. гос. ун-т, Тюмен. гос. нефтегазовый ун-т. - Курган: Зауралье, 2007. - 292 с.: рис., табл. - Биб-лиогр.: с. 283-288. - ISBN 5-86328.

Излагаются основные положения теории резания металлов. Используется системный подход. Рассмотрены: механика процесса резания; износ, стойкость режущих инструментов и обрабатываемость металлов резанием, определение оптимальных режимов резания; особенности процесса резании при работе многолезвийных и абразивных инструментов. Каждый раздел содержит историю разви тия, результа ты различных исследований и использование методов решения задач: экспериментального, эмпирического и с помощью теоретических моделей процесса резания. Показано применение теории к решению практических задач и, в частности, при расчете режимов резания, работе на станках с ЧПУ, применение адаптивных систем управления и др.