ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОМ ПРЕССОВАНИИ

 

CHANGES IN THE STRUCTURE OF COMPOSITE MATERIAL WITH ULTRASONIC PRESSING

 

Негров Д.А., Зейнуллин Р.Р., Петухов Д.Ю. (ОмГТУ, г. Омск, РФ)

 

Negrov D.A., Zeinullin R.R., Petukhov D.U.

(The Omsk state technical university, Omsk, Russian Federation)

 

Проведено исследование влияния энергии ультразвуковых колебаний на формирование структуры полимерного композиционного материала на основе политетрафторэтилена, модифицированного комплексом наполнителей, при прессовании их порошковой смеси.

 

The influence of ultrasonic vibration energy on the structure of the polymer composite material based on polytetrafluoroethylene modified complex fillers at pressing their powder mixture.

 

Ключевые слова: полимерный композиционный материал, модификация, ультразвуковые колебания, прессование, структура.

Key words: polymeric composite material, modification, ultrasonic vibration, pressing, structure.

 

Механические и триботехнические свойства политетрафторэтилена (ПТФЭ) позволяют применять его в узлах трения без смазки. В тоже время низкая износостойкость политетрафторэтилена требует 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 триботехнических свойств  политетрафторэтилена, является введение в полимерную матрицу наполнителей – модификаторов различного типа: дисперсных, волокнистых, ультрадисперсных.

Модификацию выпускаемых промышленностью полимеров можно также осуществлять и физическими методами, как на стадии их получения, так и в процессе переработки полимера в готовое изделие. Физические методы 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.

Среди операций, используемых в порошковой металлургии, значительное место 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 переход в высокоэластическое или вязкотекучее состояние, наблюдается уплотнение материала, сопровождающееся удалением газовой фазы. Указанный эффект обусловлен тем, что при воздействии вибрационных импульсов отдельным частицам материала сообщаются индивидуальные скорости и ускорения, в результате чего разрушаются арочные образования и происходит равномерная укладка частиц порошка [1].

Периодическое сдвиговое или объемное деформирование упруговязких систем, каковыми является полимерные материалы, всегда сопровождается диссипативными тепловыделениями, связанными со сдвиговой или объемной вязкостью.

Если в процессе ультразвукового прессования  порошковый полимер переходит в вязкотекучее состояние, то периодические импульсы вызовут в текучей фазе беспорядочную вибрацию отдельных молекул, сопровождаемую их скручиванием и взаимным переплетением, в результате чего происходит интенсивная дегазация, перемешивание и сплавление отдельных частиц в однородную, безпористую массу, обладающую высокой структурной монолитностью и прочностью [2].

Стационарное давление, производимое на прессуемую  массу, будет спо-собствовать 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, сопровождаемом образованием  в формующей полости стоячих 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% - скрытокристаллический графит, 6% - углеродное волокно, 2% - МS2. Для исследования образцы изготавливались прессованием, без применения  ультразвуковых колебаний, и прессованием с применением ультразвуковых колебаний. Давление прессования составляло 65 МПа, частота колебаний волновода-пуансона 17,8 кГц, амплитуда колебаний, ультразвукового инструмента, составляла 15 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, представляющие собой 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.

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. Аналогичные структурные элементы наполненного ПТФЭ в работе 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 крупнодисперсного наполнителя. При этом центрами кристаллизации выступают участки поверхности частиц наполнителя и углеродного волокна.

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 по сравнению с диаметрами ядер сферолитов, не могут быть его центрами. Влияние на зародышеобразование в данном случае оказывает поверхность частиц. Это справедливо и при ультразвуковом прессовании.

Ультрадисперсные частицы могут вытесняться при кристаллизации в межсферолитные неупорядоченные области и располагаться по границам раздела сферолитов в местах дефектов. 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;

- наблюдаются пустоты и раковины около углеродного волокна.

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 связующего полимерного материала (это объясняется особенностями и недостатками технологии изготовления образцов);

- происходит разрыхление структуры матрицы, не связанное с агрегатированием наполнителя;

 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 пропрессован 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 структурообразования в ней.

Cписок использованных источников

1. Негров Д. А. Исследование влияния ультразвуковых колебаний на структуру и механические свойства полимерного композиционного материала / Д. А. Негров, Е. Н. Еремин //  Омский научный вестник. – 2011. – № 2. – С. 17 – 20.

2. Еремин Е. Н. Структурная модификация дисперсно-наполненного политетрафторэ-тилена ультразвуковым воздействием при синтезе композиционного материала/ Е. Н. Еремин, Д. А. Негров // Физическая мезомеханика. – 2013. Том 16 № 5. – С. 95 – 101.