РАЗРАБОТКА БАЗАЛЬТОФТОРОПЛАСТОВЫХ КОМПОЗИТОВ

 

Охлопкова А.А., Васильев С.В., Петрова П.Н., Гоголева О.В.

(ИПНГ СО РАН, СВФУ им. М.К. Аммосова  г. Якутск, РФ)

 

В данной работе приведены результаты исследований по разработке износостойких полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена. Разработаны новые материалы с эффектом самосмазывания в течение длительного времени для узлов трения различного назначения.

This paper presents the results of research on the development of wear-resistant polymer composites based on polytetrafluoroethylene. Development of new materials with self-lubricating effect for a long time to friction for various purposes.

 

Ключевые слова: полимерный композиционный материал, коэффициент трения, надмолекулярная структура, поверхность трения.

Key words: polymer composite material, friction coefficient, molecular structure, surface friction.

 

Современные машины и механизмы насчитывают в конструкции десятки, сотни и тысячи уплотнительных устройств, от работоспособности, надежности и долговечности которых зависит в значительной степени надежность функционирования всего механизма. Как показывает анализ эффективности работы в регионах Севера производительность техники в зимний период снижается в среднем в 1,5 раза, наработка до отказа падает в 2-3 раза, фактический срок службы, по сравнению с нормальным, сокращается в 2-3,5 раза [1]. В связи с этим развитие исследований по разработке перспективных уплотнительных материалов с максимально улучшенным комплексом физико-механических и триботехнических свойств, создание новых конструкций уплотнительных устройств, обеспечивающих необходимый ресурс и работоспособность техники и технологического оборудования в экстремальных климатических условиях, является одним из актуальных направлений полимерного материаловедения.

Объектами исследования являются политетрафторэтилен (ГОСТ 10007-80), и композиты на его основе, армированные базальтовым волокном. Композиты получали сухим смешением навесок компонентов в высокоскоростном лопастном смесителе. Образцы композитов для физико-механических, трибологических и структурных исследований получали по технологии холодного прессования с последующим спеканием.

К одному из наиболее значимых достижений современного материаловедения, как в научном, так и в практическом плане относится создание полимерных композитов. Они представляют собой сплошную гетерогенную систему, состоящую из армирующего волокна-наполнителя и непрерывной фазы - полимерной матрицы. Особое место среди полимерных композитов занимают углепластики, применяемые во всех областях техники, в строительстве, транспорте, сельском хозяйстве. В качестве армирующего наполнителя используются непрерывное углеродное волокно или полученное из него штапельное. Применение базальтового волокна (БВ) может быть аналогичным применению углеродного. В качестве критерия эффективности применения базальтовых волокон как армирующих нами приняты абсолютная прочность волокон и процент ее сохранения после термообработки в течение одного часа при температуре 400°С. Обеспечение заданного уровня прочностных свойств при кратковременной и длительной эксплуатации изделий из полимерных композитов в интервале температур 200-400°С является актуальной задачей аэрокосмической, радиоэлектронной, электротехнической и других отраслей техники.

Анализ полученных результатов (табл.1)показывает, что введение в ПТФЭ базальтового волокна положительно сказывается на его прочностных свойствах.

 

Таблица 1-  Физико-механические и триботехнические характеристики базальтофторопластовых композитов

Состав ПКМ

eр , %

sр, МПа

I, мг/ч

ПТФЭ

300

20

156,8

ПТФЭ+0,1 мас.% БВ

315

21

9

ПТФЭ+0,5 мас.% БВ

310

22

6,9

ПТФЭ+1 мас.% БВ

380

20

4,15

ПТФЭ+2 мас.% БВ

320

21

1,76

ПТФЭ+5 мас.% БВ

295

21

0,7

ПТФЭ+5 мас.% УВ+НН

100

13

1,48

Примечание: eр – относительное удлинение при разрыве, %; sр – предел прочности при растяжении, МПа; I - скорость массового изнашивании при нагрузке 0,45 МПа, мг/ч.

 

Оптимальный комплекс свойств достигается при 5 мас. % содержании базальтового волокна. Установлено, что модификация ПТФЭ базальтовым волокном приводит к повышению деформационно-прочностных и триботехнических характеристик. Износостойкость повышается в 475 раз по сравнению с ненаполненным ПТФЭ, прочность и эластичность остаются на уровне ненаполненного ПТФЭ.

Показано, что свойства композитов, армированных базальтовым волокнам,  превосходят свойства композитов, армированных углеродным волокном. Относительное удлинение в 3 раза, прочность в 1,5 раза, износостойкость повышается в 2 раза.

Классическим критерием оценки работоспособности подшипниковых материалов является произведение удельной нагрузки на скорость скольжения (PV фактор или критерий), который показывает предельно допустимый нагрузочно-скоростной режим эксплуатации [3]. В связи с этим, на данном этапе исследованы нагрузочные способности разработанных нанокомпозитов, на основании которых определены значения PV-фактора с целью определения их возможного применения в различных узлах трения машин и приборов (рис.1).

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1- Определение предельно допустимых нагрузочно-скоростных режимов эксплуатации

 

Установлено, что при повышении нагрузки сначала происходит увеличение нагрузочной способности (Ре) затем при возрастании прилагаемой нагрузки от 1200 до 1600 Н наблюдается стабилизация Ре для ненаполненного ПТФЭ.

При модификации ПТФЭ нанодисперсными наполнителями повышает допустимые значения давления на материал до ~12 МПа, что можно объяснить с резким изменением кристаллитов политетрафторэтилена, и в повышении химической активности базальтового волокна, которая проявляется, в частности, в формировании кластерных образований на поверхностях трения.

Микрорельеф и морфология поверхностей трения были изучены с помощью атомно-силовой микроскопии (рис.2).

Видно, что микрогеометрическая развитость поверхности полимерного нанокомпозита возрастает при наполнении полимеров базальтовым волокном. Снижение коэффициента трения  композита обусловлено уменьшением площади контакта с металлической поверхностью за счет выступающих из полимерной матрицы частиц БВ.

Показано, что наполнение полимеров БВ приводит к существенному сглаживанию микрорельефа поверхности нанокомпозита. Среднеквадратичная и средняя шероховатость поверхности трения полимера при модифицировании БВ уменьшилась в 2-3 раза. Это, видимо, один из важных вкладов в общее снижение коэффициента трения, т.к. при уменьшении шероховатости удельные давления в областях контакта уменьшаются. В случае  использования в качестве наполнителя полимера базальтового волокна дополнительным эффектом снижения сил трения обеспечивает упругая деформация волокон базальта, выступающих на поверхности трения, реализующая эффект трения «волосяной щетки» [4].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


                           а                                               б

Рисунок 2- Рельеф поверхности ПКМ: а) до трения; б) после трения

 

Разработанные материалы характеризуются стабильными и низкими значениями коэффициента трения и интенсивности изнашивания, повышенными деформационно-прочностными показателями, обеспечивающими жесткость сопряжений и высокую несущую способность. Использование подобных материалов позволит многократно повысить ресурс узлов трения, а также решить проблему импортозамещения штатных уплотнений и подшипников.

 

Список использованных источников

1.    Охлопкова А.А., Виноградов А.В., Пинчук Л.С. Пластики, наполненные ультрадисперсными неограническими соединениями. -Гомель: ИММС НАНБ.-1999.- 164 с.

2.    Стручкова (Ючюгяева) Т.С. Триботехнические материалы на основе ПТФЭ и углеродных наполнителей. / Тр. XIII междн. научной конф. студентов, аспирантов и мол. ученых "Ломоносов". -  Москва. -2006. – С 482-483.

3.    Ю.К. Машков, З.Н. Овчар, М.Ю. Байбарацкая, О.А. Мамаев Полимерные композиционные материалы в триботехнике. -М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2004.-262 с.

4.    Охлопкова А.А., Петрова П.Н., Парникова А.Г. Влияние структуры нанокомпозитов на основе политетрафторэтилена на триботехнические характеристики // Трение и износ.-Гомель, 2009.-Т.30, №6.- С.580-586.