новые износостойкие полимерные композиты материалов с углеродными наномодификаторами
Машков Ю. К. , Байбарацкий А.А. (ФГОУ ВПО гОмГТУх, г. Омск, РФ);
Сырьева А.А. (ФГОУ ВПО гОмГУх, г. Омск, РФ);
Кургузова О.А. (ОТИИ, г. Омск, РФ)
The use of polydispersed tree modifier comprising nano-sized carbon component can reduce the rate of wear of polymer composite material of at least 2 times as compared with PKM wihouy nano-sized carbon modifier.
Надежность и долговечность машин и технологического оборудования во многом зависит от технического уровня и надежности герметизирующих устройств (ГУ), их агрегатов, систем и механизмов. Сложные и напряженные условия эксплуатации, особенно в системах ходовой части транспортных машин, требуют совершенствования конструкции ГУ, применения новых износостойких материалов для уплотнительных элементов, обеспечивающих длительную работоспособность ГУ в экстремальных условиях.
В настоящей работе эта задача решается путем разработки новых полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе (ПТФЭ) взамен применяющихся резиновых манжет и уплотнительных колец. Известно, что ПТФЭ обладает уникальными антифрикционными свойствами, имеет самый низкий среди известных полимеров коэффициент трения без смазочных материалов. В то же время, чистый ПТФЭ имеет низкую износостойкость, что существенно ограничивает область его применения в узлах трения машин.
Для уплотняющих элементов ГУ приводных валов и осей ходовой части транспортных машин, штоков и поршней гидроцилиндров нужны материалы, обладающие высокой прочностью и износостойкостью при относительно малой жесткости. Получение таких материалов возможно методом структурной модификации ПТФЭ введением в полимерную матрицу наполнителей-модификаторов различного типа: волокнистых, дисперсных, ультрадисперсных, наноразмерных. Результаты комплексных исследований модифицированного ПТФЭ позволили установить основные закономерности влияния отдельных (измельченное углеродное волокно, ультрадисперсный скрытокристаллический графит) и комплексных наполнителей на надмолекулярную структуру и свойства ПКМ [1,2]. Дальнейшее повышение износостойкости ПКМ возможно путем использования ультрадисперсных высокотвердых порошков, например карбидов, нитридов или наноразмерных углеродных модификаторов. Целью работы является разработка и исследование ПКМ на основе ПТФЭ с полидисперсными модификаторами различной природы.
В работе использовали ПТФЭ (фторопласт-4) ГОСТ 10007я80. Для получения ПКМ применяли наполнители двух типов. Первый я в виде дисперсных нитрида кремния и карбида титана, предварительно прокаленных в вакуумной печи в течение полутора часов при температуре 950╪C для удаления органических примесей. Второй я комплексный: ультрадисперсный скрытокристаллический графит (СКГ) плюс наноразмерный углеродный модификатор (НУМ).
НУМ получали в два этапа: 1) приготовление эмульсии пентадекана; 2) обработка эмульсии анодными микроразрядами. Для приготовления эмульсии использовали 0,1 М раствор Na2CO3, пентадекан и пальмитиновую кислоту, применяемую в качестве эмульгатора. Эмульгирование проводили при помощи ультразвукового диспергатора. Полученную эмульсию обрабатывали анодными микроразрядами, при необходимости отделяя недиспергированный углеводород.
Обработку проводили в гальваностатическом режиме (I = 100 мА) в течение 10 минут при перемешивании. В качестве анода использовали проволоку из алюминиевого сплава АМг6, катодом служил стержень из графита. Предварительно, на аноде в 0,1 М Na2CO3 наращивали оксидную пленку в режиме разрядов. Полученный твердофазный продукт отделяли от эмульсии, промывали четыреххлористым углеродом и сушили на воздухе.
Композиции получали путем смешения компонентов в высокоскоростном смесителе лопастного типа. Образцы ПКМ я цилиндры диаметром 5 мм и длиной 13 мм я изготавливали холодным прессованием при давлении 70п80 МПа с последующим свободным спеканием при температуре 360╪C.
Исследование триботехнических свойств ПКМ проводили на установке, в рабочем узле которой реализуется торцовая схема трения гпалецпдискх. В держатель образцов устанавливается по три образца, которые рабочими торцами прижимаются с заданным усилием к поверхности контртела я металлического диска, изготовленного из закаленной стали 45, с шероховатостью Ra < 0,32 мкм.
Комплект образцов испытывали в течение трех часов при скорости скольжения v=1,2 м/с и контактном давлении 2,66 МПа. Скорость изнашивания определяется величиной массового износа в единицу времени.
Результаты исследования скорости изнашивания образцов ПКМ с нитридом кремния и карбидом титана приведены в таблице.
Таблица 1- Скорость изнашивания композитов U, мг/ч
|
Композит на основе ПТФЭ |
TiC, % |
Si3N4, % |
|||||||||
|
0 |
1 |
2 |
3 |
5 |
8 |
1 |
2 |
3 |
5 |
8 |
|
|
Скорость изнашивания |
78,833 |
1,333 |
1,417 |
1,589 |
1,444 |
1,567 |
1,444 |
1,556 |
1,611 |
1,444 |
2,511 |
Анализ экспериментальных данных показывает, что уже при концентрации 1 мас.% карбида титана скорость изнашивания уменьшается почти в 55 раз, а при введении 1 мас.% нитрида кремния я почти в 60 раз по сравнению с чистым ПТФЭ. В случае же с карбидом титана наблюдается почти неизменная величина скорости изнашивания в интервале концентраций 1п5 мас.%, при концентрациях более 5 мас.% скорость изнашивания значительно увеличивается. Подобные результаты были получены при наполнении ПТФЭ другими ультрадисперсными модификаторами [3].
Результаты исследования триботехнических свойств ПКМ с комплексным наполнителем (8% СКГ + НУМ) приведены на рисунке 1 в виде графика концентрационных зависимостей.
Рисунок 1- Зависимость скорости изнашивания U от концентрации НУМ
Из графиков видно, что с увеличением концентрации наномодификатора от 0,5 до 1,5 мас.% скорость изнашивания уменьшается в 3 раза, а при дальнейшем увеличении концентрации модификатора возрастает на 70%. При концентрации наномодификатора 1,5 мас.% наблюдаются минимальные значения скорости изнашивания. Это может быть связано с особым структурно-фазовым составом ПКМ и морфологией структуры модифицированной полимерной матрицы.
Сравнение результатов испытаний ПКМ с одним из дисперсных модификаторов Si3N4 или TiC и ПКМ с комплексным модификатором (СКГ+НУМ) показывает, что применение комплексного модификатора вызывает снижение скорости изнашивания почти в 2 раза.
С целью изучения влияния комплексного трехкомпонентного модификатора (ультрадисперсный скрытокристаллический графит + углеродный наномодификатор + измельченное углеродное волокно) проводили исследование согласно плану факторного эксперимента типа N=2K. При этом концентрацию композитов изменяли в пределах: УВ п 4,0...7,0%; СКГ п 5,5и8,5%; НУМ п 1,0и2,0%.
Получено уравнение регрессии для скорости изнашивания y.
y = 0,816 + 0,011x1 п 0,025x2 + 0,005x3
Из уравнения следует, что основное влияние на величину скорости изнашивания, уменьшая ее, оказывает ультрадисперсный СКГ.
Исследование поверхности контртела показывает, что в процессе приработки на ней образуется тонкая пленка фрикционного переноса, и дальнейшее трение происходит между поверхностями образца и пленки. В результате деструкции полимера пленки переноса образуются мелкие частицы, удаляющиеся из зоны контакта. Образование пленки фрикционного переноса значительно снижает скорость изнашивания образцов.
В поверхностном слое композита на основе ПТФЭ при определенном уровне внешнего энергетического воздействия независимо от вида воздействия протекают следующие физико-химические процессы [4]:
я деформирование поверхностного слоя композита и повышение температуры в зоне трения выше температуры плавления кристаллической фазы ПТФЭ;
я эндотермические фазовые переходы аморфизации ПТФЭ, образование жидкокристаллической слоистой структуры типа термотропных жидкокристаллических структур;
я трибохимические реакции: деструкция полимера, выделение свободного фтора или фторсодержащих радикалов.
Заключение. Введение в ПТФЭ нитрида кремния и карбида титана в небольших концентрациях обеспечивает развитие физико-химических процессов формирования пленки фрикционного переноса, локализации и более равномерного распределения деформаций в тонком поверхностном слое и снижение износа образцов в десятки раз.
Применение полидисперсного трехкомпонентного модификатора, включающего наноразмерную углеродную компоненту, позволяет уменьшить скорость изнашивания полимерного композиционного материала минимум в 2 раза по сравнению с ПКМ без наноразмерного углеродного модификатора.
Литература
1. Машков Ю. К., Суриков В. И., Кропотин О. В. и др. Структурная модификация политетрафторэтилена скрытокристаллическим графитом при синтезе композиционных материалов // Трение и смазка в машинах и механизмах. я 2008, № 1. я с. 6п12.
2. Охлопкова А. А., Петрова П. Н., Попов С. Н., Федоров А. Л. Триботехнические материалы на основе политетрафторэтилена, модифицированные жидкой смазкой // Трение и износ. я 2008. я Т. 29, № 2. я с. 177п180.
3. Охлопкова А.А., Адрианова О.А., Попов С.Н. Модификация полимеров ультрадисперсными соединениями. я Якутск: ЯФ Изд-ва СО РАН. я 2003.
4. Машков Ю. К., Овчар З. Н., Суриков В. И., Калистратова Л. Ф. Композиционные материалы на основе политетрафторэтилена. я М.: Машиностроение, 2005. я 240 с.