ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ
Овчар З.Н. («Сибнефтепровод», г. Тюмень, РФ)
Негров Д.А. (ОмГТУ, г. Омск, РФ)
In the article is considered the influence of the ultrasound oscillations upon mechanical end triboengineering qualities of polymeric composite materials on the basis of polytetrafluorine it is proved that laying of ultrasound oscillations on a praising stamp secures the limit of durability, a module of elasticity and deterioration the velocity of exhaustion.
В статье рассматривается влияние ультразвуковых колебаний на механические и триботехнические свойства полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена, показано, что наложение ультразвуковых колебаний на прессуемую заготовку обеспечивает повышение предела прочности, модуля упругости, снижение скорости изнашивания.
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 триботехнических свойств ПКМ и особенно ПКМ на основе ПТФЭ [1], применяемых для смазываемых и несмазываемых 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 структурной модификации является введение в полимерную матрицу наполнителей – модификаторов различного типа: дисперсных, волокнистых, ультрадисперсных [2, 3].
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 [4, 5] 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 модификации в повышении 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 позволяет достичь значительного повышения механических и триботехнических свойств ПКМ.
Одним из перспективных способов вибрационного воздействия является наложение ультразвуковых колебаний (УЗК), благодаря которым существенно облегчается возникновение и развитие пластической деформации частиц порошка. Это положительно влияет и на характер изменения сил трения от давления прессования, дает возможность формовать изделие сложной формы при сравнительно небольших усилиях.
Для исследования влияния энергии ультразвуковых колебаний на механические и триботехнические свойства политетрафторэтилена, модифицированного ультрадисперсным скрытокристаллическим графитом (СКГ), применен ультразвуковой генератор УЗГ 2 – 4 М, имеющий входную мощность 2,5 кВт и работающий в частотном диапазоне от 17,5 до 23 КГц. В качестве источника ультразвуковых колебаний применен магнитострикционный преобразователь ПМС 15-А-18.При прессовании с использованием ультразвуковых колебаний порошок ПКМ засыпали в пресс-форму, закрепленную на шаровой опоре. Ультразвук включали одновременно с касанием пуансона поверхности порошка, обеспечивая передачу ультразвуковых колебаний пресс-форме и всей массе прессуемого порошка. Частицы композиционной смеси совершают высокочастотные колебательные движения, при этом происходит перемещение и плотная укладка частиц. Усилие прессования составляло 46,5 МПа, амплитуда колебаний пуансона получена расчетным путем и составляла 15 мкм. После ультразвукового прессования образцы подвергались термообработке (спеканию) при температуре 360 оС. Механические свойства при растяжении определяли на разрывной машине Р 0,5 со скоростью деформации 20 мм/мин. Методика исследования триботехнических свойств ПКМ предусматривала исследование их износостойкости (скорости изнашивания) и антифрикционных свойств (момент и коэффициент трения). Образцы для триботехнических испытаний изготавливали из ПКМ с концентрацией СКГ – 8 %. Испытания проводили на специальном стенде МДС – 2 [1], скорость скольжения составляла V=0,75 м/с, при давлении Р=2 МПа без смазки.
Наложение ультразвуковых колебаний на чистый ПТФЭ, как показали эксперименты, приводит к значительному увеличению модуля упругости. При этом наложение ультразвуковых колебаний в течение первых 30 секунд повышает модуль упругости на 30 % так же, как при введении 3% скрытокристаллического графита, но без наложения ультразвуковых колебаний. Эти результаты показывают, что влияние ультразвуковых колебаний и введение ультрадисперсных активных частиц СКГ в количестве 3% массовых оказывает одинаковое влияние на изменение механических свойств ПТФЭ и позволяют предположить соответствующее влияние на его надмолекулярную структуру. Увеличение времени наложения ультразвуковых колебаний более 90 секунд, приводит к незначительному повышению модуля упругости. Поэтому при дальнейших исследованиях образцы обрабатывались ультразвуковой энергией в течение 60 секунд.
Согласно методике исследования изучение влияния энергии ультразвуковых колебаний на механические свойства ПКМ выполняли на образцах с содержанием наполнителя от 3 до 12% массовых для получения концентрационных зависимостей механических свойств. Полученные концентрационные зависимости (рис.1) предела прочности для образцов, изготовленных по обычной технологии и с наложением энергии ультразвуковых колебаний имеют одинаковый характер с экстремумом при концентрации 6 %. При этой же концентрации получено и наибольшее повышение предела прочности – 10 %.
Относительное удлинение при разрыве, характеризующее пластические свойства материала, при наложении ультразвуковых колебаний снижается, при этом характер кривых аналогичен кривым для предела прочности с экстремумом при концентрации СКГ 6 %. Наибольшее уменьшение относительного удлинения – 8,5 % также получено при этой концентрации.
Наложение ультразвука в процессе прессования вызывает также повышение модуля упругости на 10 – 20 % в зависимости от концентрации наполнителя. Максимальное значение модуля упругости для обеих технологий получено при концентрации СКГ - 6 % массовых.
Рисунок 1- Концентрационные зависимости предела прочности при разрыве:
1 – традиционная технология; 2 – технология с наложением УЗК
Анализ экспериментальных зависимостей механических свойств ПКМ показывает, 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, концентрацию СКГ следует считать критической для исследуемого ПКМ. Объяснение причин экстремального характера концентрационных зависимостей механических свойств и их изменение при наложении УЗК требует проведения структурного анализа.
Исследование влияния энергии ультразвуковых колебаний на триботехнические свойства ПКМ показало, что они значительно повышаются при воздействии УЗК. Скорость изнашивания снижается на 27 %, а коэффициент трения на 8 %. Столь значительное повышение износостойкости свидетельствует в первую очередь об изменении структуры композиционного материала, которое и приводит к повышению механических и триботехнических свойств.
Заключение. 1. Воздействие энергии ультразвуковых колебаний на прессуемую заготовку из ПТФЭ или ПКМ на его основе вызывает значительное изменение механических и триботехнических свойств материала. Степень влияния на свойства ПКМ зависит от концентрации наполнителя, а концентрационные зависимости механических свойств имеют экстремальный характер с максимумом значений соответствующих параметров при концентрации СКГ – 6% массовых.
2. Влияние ультразвуковых колебаний на механические свойства ПКМ проявляются во всем диапазоне упругих и пластических деформаций при растяжении, при этом предел прочности повышается до 10 %, модуль упругости до 27 %, относительное удлинение снижается на 8,5 %.
3. Наряду с повышением механических свойств, при воздействии ультразвуковых колебаний, повышаются и характеристики триботехнических свойств ПКМ при сухом трении по стали: установлено снижение скорости изнашивания на 20 % и коэффициента трения (момента трения) - на 8 %.
4. Установленное влияние энергии ультразвуковых колебаний, одного из видов внешнего энергетического воздействия, на механические и триботехнические свойства модифицированного ПТФЭ, как показано в [3,5] связано с изменением фазового состава и надмолекулярной структуры полимерной матрицы.
Обозначения: σв – предел прочности при разрыве; δ – относительное удлинение; Е – модуль упругости, V – скорость скольжения, Р – давление; I – скорость изнашивания, Мтр – момент трения; fтр - коэффициент трения.
Литература
1. Машков Ю. К. Трибофизика и свойства наполненного фторопласта: Науч. издание. Омск: Изд-во ОмГТУ, 1997.
2. Машков Ю. К., Полещенко К. Н., Поворознюк С. Н., Орлов П. В. Трение и модифицирование материалов трибосистем. – М.: Наука, 2000.
3. Машков Ю. К., Суриков В. И., Калистратова Л. Ф., Мамаев О. А. Модификация структуры и свойств композиционных материалов на основе политетрафторэтилена. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2005.
4. 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. Байбарацкая, Л. Ф. Калистратова и др.// Трение и износ. – 2002 (23), № 5,- с.537-542.
5. Калистратова Н. П., Байбарацкая М. Ю. Влияние технологических операций на формирование структуры полимерного композиционного материала на основе политетрафторэтилена // Омский научный вестник. – 2000 (10). – с. 43-46.