CC BY
72
МАШИНОСТРОІНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ КСТИИК К» 2 (90) »10
УДК 678.743.4:539.2/.8:534.28 Д д НЕГРОВ
Е. Н. ЕРЁМИН
Омский государственный технический университет
ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА СТРУКТУРУ ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
В статье рассматривается влияние параметров ультразвукового прессования на структуру полимерного композиционного материала на основе политетрафторэтилена. Ключевые слова: композиционный материал, ультразвуковые колебания, структура, модифицирование.
Механические и триботехнические свойства воздействии вибрационных импульсов отдельным политетрафторэтилена (ПТФЭ) позволяют приме- частицам материала сообщаются индивидуальные
пять его в узлах трения без смазки. В то же время низкая износостойкостьполитетраф'гарэтиленатребует разработки новых способов и методов повышения механических и триботехнических свойств для работы при высоких удельных нагрузках и скоростях скольжения.
Наиболее распространенным методом, повышения механических и гриботехнических свойств политетрафторэтилена, является введение в полимерную матрицу наполнителей — модификаторов различного типа: дисперсных, волокнистых, ультрадис-персных.
Модификацию выпускаемых промышленностью полимеров можно также осуществлять и физическими методами, как на стадии их получения, так и в процессе переработки полимера в тговое изделие. Физические метолы модификации могут быть применены практически для всех полимеров и полимерных композиционных материалов на их основе, так как они вызывают в них химические и структурные изменения. Физические методы модификации можно условно разделит»» на ряд видов11):
— термическое воздействие (низкотемпературная или термохимическая обработка);
— облучение (радиационное, радиационнотермическое, ТВЧ, лазерное, ИК и УФ излучение);
— вакуумно-компрессорная обработка (давление, вакуум, взрывное нагружение);
— воздействие электромагнитных полей (электротермическая или электрическая обработка, воздействие магнитных полей);
— периодическое деформирование (вибрационная или ультразвуковая обработка).
Среди операций, используемых в порошковой металлургии, значительное месго занимают процессы формования из порошков заготовок для последующего спекания. Фактически на этих операциях закладываются будущие свойства изделий — плотность, прочность, равномерность этих характеристик в объеме образца и т.д.
При использовании энергии ультразвуковых колебаний при прессовании порошкообразных или гранулированных полимеров и полимерных композиций, находящихся в твердом состоянии или претерпевающих переходе высокоэластическое или вязкотекучее состояние, наблюдается уплотнение материала, сопровождающееся удалением газовой КЕЯ фазы. Указанный эффект обусловлен тем, что при
скорости и ускорения, в результате чего разрушаются арочные образования и происходит равномерная укладка частиц порошка |2|.
Периодически сдвиговое или объемное деформирование упруговязких систем, каковыми является полимерные материалы, всегда сопровождается диссипативными тепловыделениями, связанными со сдвиговой или объемной вязкостью.
Если в процессе ультразвукового прессовани порошковый полимер переходит в вязкотекучее состояние, то периодические импульсы вызовут в
Рис. I. Микрофотография скола образца ПТФЭ, изготовленного при одноосном давлении сжатия
у , *« Д; І , • . ' 4 * * і » . .и • , 4 ■
А № • * И - ■ 4
ж г
\ 'у Л#
«- - V * N • . *' • ‘V -
.*• Л:. /
• •*« • * <
Рис. 2. Микрофотография скола образца политетрафторэтилена, содержащего б % УВ, 8 % СКГ, 2 % МаЯ, н изготовленного ультразвуковым прессованием
m
: /■
,-r*
ludum
s# i
Рис. 3. Микрофотографии скола образца политетрафторэтилена, содержащего б % УВ, 8 % СКГ, 2 % Мо8,, изготовленного холодным прессованием
>•' : ' # ,
• у *' ? -„ \ к Ь \ -л
1 1 0Мт
Рис. 4. Микрофотография скола образца политетрафторэтилена, содержащего б % УВ, 8 % СКГ, 2 % M.S,, изготовленного ультразвуковым прессованием
текучей фазе беспорядочную вибрацию отдельных молекул, сопровождаемую их скручиванием и взаимным переплетением, в результате чет происходят интенсивная дегазация, перемешивание и сплавление отдельных частиц в однородную, безпористую массу, обладающую высокой структурной монолитностью и прочностью (3).
Стационарное давление, производимое на прессуемую массу, будет способствовать концентрации звуковой энергии и более эффективному ее использованию. Наилучших, с точки зрения эффективности и энергоемкости, результатов можно добиться при ведении процесса ультразвукового прессования в резонансном режиме, сопровождаемого образованием в формующей полости ст оячих волн.
Целью данной работы является исследование влияния ультразвуковых колебаний на структуру полимерного композиционного материала на основе политетрафторэтилена. Объектом исследования являлся композиционный материал на основе политетрафторэтилена с комплексным наполнителем-модификатором: 8% — скрытокристалли-ческий графит, 6% — углеродное волокно, 2% — М05г. Для исследования образцы изготавливались прессованием, без применения ультразвуковых колебаний и прессованием с применением ультразвуковых колебаний. Давление прессования составляло65 МПа, частота колебаний волновода-пуансона 17,8 кГц, амплитуда колебаний, ультразвукового инструмента, составляла 14 мкм.
Для изучения тонкой структуры в данной работе были использованы микроскопы РЭМ-100У (разрешение 10 нм) и JEM - 6460 LV (разрешение 3 нм), при этом для создания на поверхности скола электропроводящего покрытия применялось напыление серебра (для РЭМ-100У) или золота (для JEM - 6460 LV) в условиях высокого вакуума.
В ПТФЭ независимо от способа прессования обнаруживаются протяженные ориентированные надмолекулярные образования (рис. 1), представляющие собой согласно |4] пачки ламелей.
Введение наполнителя приводит к измельчению исходной структуры, что характерно для образцов, изготовленных по обеим технологиям. Данное воздействие можно определить как геометрическое модифицирующее воздействие на матрицу: исходная ленточная структура ПТФЭ разбивается частицами наполнителя, внедряющимися в матрицу (рис. 2, 3).
Для образцов, полученных ультразвуковым прессованием, обнаружено, что наполнитель оказывает структурное воздействие на матрицу, изменяя морфологию надмолекулярной структуры ПТФЭ. Наряду с надмолекулярными образованиями, присущими ПТФЭ, в матрице обнаруживаются участки полимера, имеющие выраженные границы со структурой, не характерной для ПТФЭ (рис. 4). Аналогичные структурные элементы наполненного ПТФЭ в работе |4] идентифицированы как сферолиты. В образцах, изготовленных ультразвуковым прессованием, обнаруженные структурные элементы в наполненном ПТФЭ также могут быть идентифицированы как сильно дефектные сферолиты неправильной формы. Образование сферолитов обнаружено вблизи частиц разных размеров, но наиболее сильное — вблизи круп-нодисперсного наполнителя (рис. 5, 6). При этом центрами кристаллизации выступают участки поверхности часгиц наполнителя и углеродного волокна (рис. 6).
Образование сферолитов, как следует из литературных источников, связано с энергетическим воздействием наполнителя на матрицу, инициирующим кинетическую и структурную активность наполнителя. Наполнители, размер частиц которых велик iro сравнению с диаметрами ядер сферолитов, не могут быть его центрами [5|. Влияние на зародышеоб-разование в данном случае оказывает поверхность частиц. Это справедливо и при ультразвуковом прессовании.
Ультрадисперсные частицы могут вытесняться
Рис. 5. Микрофотография скола образца политетрафторэтилена, содержащего б % УВ, 8 % СКГ, 2 % M..S,, изготовленного ультразвуковым прессованием
?НИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ КСТИИК Н» 2 (90) 2010
Рис. 6. Микрофотография скола образца политетрафторэтилена, содержащего б % УВ, 8 % С КГ, 2 % М„52 и изготовленного ультразвуковым прессованием
Рис. 8. Микрофотография скола образца политетрафторэтилена, содержащего б % УВ, 8 % СКГ, 2 % М05, изготовленного холодным прессованием
Рис. 7. Микрофотография скола образца политетрафторэтилена, содержащего б % УВ, 8 % СКГ, 2 % Мо8, изготовленного холодным прессованием
при кристаллизации в межсферолитные неупорядоченные области и располагаться по границам раздела сферолитов в местах дефектов [5). Данный эффект межструктурного наполнения в исследуемых материалах не наблюдается, что связано, по-видимому, с высокой вязкостью расплава ПТФЭ при кристаллизации и с малым процентным содержанием ультрадисперсных частиц СКГ и дисульфида молибдена в общем их распределении по размерам.
Кроме указанных структурных изменений при армировании ПТФЭ углеродным волокном отмечаются следующие факты:
— армирование носит изотропный характер;
— поверхность скола изобилует дефектами, образовавшимися при выдергивании отдельных волокон (рис. 7);
— наблюдаются пустоты и раковины около углеродного волокна (рис. 8, 9).
Кроме того, при содержании углеродного волокна в композиции, наряду с указанными изменениями в морфологии надмолекулярной структуры и изотропностью армирования, отмечаются следующие особенности у образцов полученных прессованием без воздействия ультразвуковых колебаний:
— при исследовании образцов, было обнаружено, | что волокна скапливаются в рыхло упакованные
агрегаты с образованием пустот, недоступных для КО связующего полимерного материала (это объясняется
Рис. 9. Микрофотография скола образца политетрафторэтилена, содержащего б % УВ, 8 % СКГ, 2 % Мп.5} изготовленного холодным прессованием
Рис. 16. Микрофотография скола образца политетрафторэтилена, содержащего б % УВ, 8 % СКГ, 2 % Мв5а изготовленного холодным прессованием
особенностями и недостатками технологии изготовления образцов);
— происходит разрыхление структуры матрицы, не связанное с агрегатированием наполнителя (рис. 10).
В результате проведенных исследований метод электронно-микроскопического анализа скола образцов, изготовленных холодным прессованием, показал, что на поверхности скола наблюдаются явно выраженные раковины и пустоты. Концентрация пустот выше около углеродного волокна, то
есть при обычном способе прессования полимерная матрица плохо облегает углеродное волокно, и в дальнейшем это сказывается на механических свойствах материала.
На поверхности скола образцов, изготовленных ультразвуковым прессованием, не наблюдается пустот и раковин. Углеродное волокно находится внутри полимерной матрицы, полимерный композиционный материал более равномерно проирес-сован и разлом происходит по полимерной матрице.
Проведенные исследования доказывают, что прессование ПКМ с применением ультразвуковых колебаний является активным технологическим приемом, повышающим эффективность модификации структуры матрицы и оказывающим существенное влияние на процессы стру ктурообразования в ней.
Библиографический список
1. Кестельман. В.П. Физические методы модификации полимерных материалов/ В.Н. Кестельман. — М. : Химия, 1980. — 224 с.
2. Шаталова, И.Г. Фнзико-химичческие основы вибрационного уплотнения порошковых материалов / И.Г. Шаталова, И.Г. Горбунов, В. И. Лихтмаи. - М.: Наука, 1966. — 98 с.
3. SchltgelH. Plaste u. Kautschuk. 1976. Bd. 23. Ne5. S. 362.
4. Мнхайлин, ЮЛ Термоустойчивые полимеры и полимерные материалы / ЮА Михайлин. - СПб.: Профессия. 2006. — 624 с.
5. Липатов, Ю.С. Физическая химия наполненных полимеров / Ю.С. Липатов. — М.: Химия. 1977. — 304 с.
НЕГРОВ Дмитрий Анатольевич, доцент кафедры «Материаловедение и технология конструкционных материалов».
ЕРЁМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Оборудование и технология сварочного производства», директор машиностроительного института.
Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.
Статья поступила в редакцию 02.03.2010 г.
@ Д.А. Негров, Е. Н. Еремин
удк 621.8j?-86 п д БДЯ АКИН
и. п. згонник
Омский государственный технический университет
АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ЖЕСТКОСТИ УПРУГОГО ЭЛЕМЕНТА, ВХОДЯЩЕГО В СОСТАВ ЦЕПИ УПРАВЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО АВТОВАРИАТОРА
Предложен алгоритм расчета жесткости упругого элемента цепи управления по требуемой закономерности изменения передаточного отношения, адекватно зависимого от переменного внешнего нагружения.
Ключевые слова: алгоритм, автовариатор, жесткость, изменение.
В [1| приведены технические решения автова-риаторных схем передач, кинематические размеры звеньев которых автоматически изменяются в зависимости от уровня трансформируемого силового потока, обеспечивая стационарный, энергетически совершенный режим работы двига теля.
Из множества вариантов технических заданий на проектирование механической передачи остановимся на задаче схемного синтеза плоскоременного автовариатора с автоматическим изменением кинематических размеров основных звеньев в зависимости от уровня передаваемого силового потока [2, 3]. Автоизмеиение передаточной функции скорости вариатора достигается с помощью встроенной в конструкцию ведомого шкива автовариатора цепи упра-
вления, реализующей дополнительное к основному движение звеньев. Принципиальное исполнение предлагаемого технического решения шкива представле!ю £
на рис. 1.
В исходном положении фланцы I и 3 находятся на |
минимальном расстоянии друг от друга, при этом 3
однополостный гиперболоид вращения, образуемый «
несущими прямолинейными стержнями 5, имеет *
минимальный размер диаметра в горловом сечении. *
Прямая и обратная эволюция гиперболоида обес- |
печивается при силовом равновесном взаимодейст- §
вии передаваемого переменного силового потока со |
встроенным в конструкцию упругим элементом. ЗЁ
Характеристика упругого элемента 7 (рис. 1) опре- ___
деляет режим функционирования автовариатора,
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВССТНИК I# 2 (90) ЗОЮ
