Введение к работе
Актуальность темы диссертационного исследования. Возрастающие требования машиностроения к показателям прочности, теплостойкости и высокой химической стойкости деталей, в том числе узлов трения, предопределили использование термостойких полимерных композиционных материалов (ПКМ), обладающих заданными свойствами. В настоящее время приоритетное развитие получили материалы на термопластичной основе, которые имеют повышенные температуры эксплуатации с сохранением высокой работоспособности элементов современной техники. Создание новых полимерных композитов и эффективная рационализация технологических процессов получения изделий из них, позволяющих значительно расширить области их применения, является одной из важнейших научных задач.
Одним из перспективных направлений полимерного материаловедения, имеющего большое практическое значение, является создание полимер-полимерных систем на основе полимеров повышенной прочности и термостойкости, каким является нолиоксибензоил (арошгаст, А-1, или эконол, США), обладающий высокими модулем упругости, прочностью и химической стойкостью. Как показано в работах Ямаути С, Аояги М, Норимасси X., Вундерлиха Б., Баура Г, Гузеева В.В., Барашкова В.Н. , Охлопковой А.А., Виноградова А.В., Пинчук Л.С. и др. создание композищш на основе эконола с политетрафторэтиленом (ПТФЭ, фторопласт, Ф-4) позволяет получать материалы с низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью и прочностью с температурой эксплуатации до 300С.
Однако высокие температуры плавления термостойких полимеров, не переходящих в текучее состояние, затрудняют их переработку, что сдерживает их использование, а решение этой проблемы требует перехода к новым технологиям по созданию многофункциональных пластиков. Актуальным в этой связи является применение взрывной обработки - технологического приема воздействия на полимерные материалы, обеспечивающего реализацию одновременно высоких давлений, скоростей нагружения и температур, а также получение заготовок и изделий значительных размеров, что не всегда осуществимо традиционными способами. Взрывная обработка является сложным физико-химическим процессом, требующим комплексного рассмотрения в сочетании взрывного и последующего термического воздействий, влияющих в конечном результате на структуру и свойства получаемых ПКМ. В этой области накоплен значительный теоретический и экспериментальный опыт по созданию металлокомпозитов и ударно-волновой активации полимеров, но недостаточно изучены закономерности взрывного прессования полимерных порошковых композиций, его влияние на формирование структуры и свойств термостойких материалов в процессе высокоэнергетического воздействия. Не решена проблема создания высокоэффективной технологии получения изделий из них. В связи с этим представляется актуальным комплексное изучение и разработка технологических процессов взрывного прессования (ВП) порошков термостойких полимерных композиций аропласта с фторопластом-4, что позволит управлять их структурой и свойствами при производстве перспективных изделий с высокими служебными свойствами.
Актуальность выбранной темы диссертационного исследования подтверждается её выполнением в соответствии с заданиями тематических планов НИР Минобразования РФ (2003-2008 г.г.), Грантов Минобразования РФ «Фундаментальные ис- ^ следования в области технических наук (машиностроение)» (2002-2003 г.г., Т02-0
482) и Роснауки в рамках федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники» (2006г., ГР. 01200611733).
Целью работы является создание технологии получения изделий повышенной теплостойкости из композиций на основе термостойких А-1 и Ф-4 с выявлением закономерностей формирования структуры и свойств ПКМ при взрывном прессовании порошковых смесей.
Задачи исследования.
Выбор конструктивного построения схем и параметров взрывного прессования композиций аропласта с фторопластом-4 при обработке скользящей ударной волной и в цилиндрической ампуле для получения заготовок различной формы и размеров.
Исследование изменения структуры и свойств аропласта и его композиций с Ф-4 в зависимости от расчетных параметров ВП и режимов последующего спекания.
Изучение процесса компактирования порошковой полимерной смеси и структуры исследуемых ПКМ при взрывном прессовании композиций с различным содержанием аропласта и фторопласта-4, отличающихся по физическому состоянию.
Изучение особенностей структурной модификации аропласта в зависимости от количества Ф-4, определяющих повышение перерабатываемости композиций с его содержанием более 50%.
Выявление пороговых давлений, обеспечивающих получение минимального уровня дефектности кристаллической структуры с сохранением химического строения полимеров при взрывном прессовании.
Разработка научно обоснованных технологических процессов получения антифрикционных изделий с учетом выявленных закономерностей.
Научная новизна работы: состоит в установлении особенностей формирования структуры, возможности регулирования теплостойкости и химической структуры полимерных композитов на основе термостойких полимеров А-1 и Ф-4 при взрывном прессовании порошковых смесей в зависимости от их состава, конструктивного построения схемы и давления ВП
S Выявлены особенности компактирования порошковых смесей в зависимости от состава полимерных композиций, давления юрьшной обработки и показано, что при содержания в композициях от 20 до 75 % фторопласта-4 уплотнение порошковой смеси происходит за счет его деформации, а композиции, содержащие более 75 % аропласта, уплотняются путем его дробления и консолидации частиц с одновременной деформацией Ф-4.
S Обнаружено, что увеличение содержания в композиции более пластичного Ф-4 с 20 до 75 % уменьшает структурные искажения кристаллической решетки А-1 с минимумом Р=3,5 мрад при Р=2,8 ГПа, а наибольшие изменения в структуре Ф-4 вплоть до измельчения кристаллитов и развития текстуры с одновременной ориентацией А-1 при его содержании до 50 % происходят при Р = 4,6 ГПа.
S Взрывное прессование скользящей ударной волной давлением от 0,9 до 2,8 ГПа композиций аропласта с фторопластом-4 обеспечивает повышение прочности материалов при сжатии до 80 МПа, твердости до 120 МПа, теплостойкости до 330С с сохранением антифрикционных свойств. Превышение этого давления приводит к
снижеіппо прочности и ударной вязкости, что обусловлено увеличением уровня микронапряжений, сішжением степени кристалличности, температуры плавления композиций и изменениями в химической структуре.
S Выявлено, что взрывное прессование в ампуле композиций, содержащих 70-75 % Ф-4, с исходной пористостью 30-50 %при давлении более 1,5 ГПа в центральной зоне приводит к скачкообразному изменению характера микроструктуры, образованию новых фаз, ориентации полимеров вдоль ударного фронта и трансформации порошковой композиционной смеси в волокнистый нанокомпозит с повышением твердости в 1,4 раза.
Практическая значимость:
Полученные результаты диссертационного исследования позволили разработать научно-обоснованные практические рекомендации по выбору рационального состава композитных смесей и технологических схем изготовления с помощью взрывной обработки высококачественных полимерных композиционных заготовок и изделий триботехнического назначения.
Разработаны технологические процессы и определены параметры взрывного прессования цилиндрических, кольцевых и плоских изделий из ПКМ на основе аро-пласта и фторопласта-4 заданных, в том числе крупногабаритных размеров, что не всегда достижимо традиционными способами переработки полимеров.
Результаты работы позволяют расширить области применения аропласта и его композиций с 20-75 % фторопласта-4 в качестве материалов с повышенной прочностью, тепло- и термостойкостью, предназначешшх для промышленного применения в нефтехимическом и машиностроительном оборудовании в виде узлов трепня, уплотнительных систем.
Разработан способ получения слоистого композиционного изделия с внутренним антифрикционным слоем на металлической основе, выполняющим роль стенки ампулы при взрывной обработке, что позволило повысить прочность материала при сжатии до 95 МПа.
Для ООО «ВЗБТ» (г. Волгоград) разработана технология изготовления двухслойных триботехннческих узлов (накладок) насосов НБТ-600-1 диаметром 320 мм и длиной 650 мм, вігутреїшяя часть которых состояла из композиции Б-4 с низким коэффициентом трения, а внешняя из стали 20 или композиции Б-2 (75 % А-1) с высокой прочностью. Экономический эффект от внедрения составил 200 тыс. руб., доля автора 30 %.
Достоверность результатов обеспечена использованием современных методов изучения структуры и свойств материалов, таких как оптическая (микроскоп Olympus ВХ-61) и атомно-силовая (Solver PRO) микроскопия, рентгеноструктурный (дифрактометр ДРОН-3), дифференциально-термический, термогравиметрический (дериватограф Q-1500), термомеханический (установка ТМИ-1) анализы, инфракрасная спектроскопия (фурье-спектрометр Nicolet-8700), а также специальных методов лабораторного контроля физико-механических свойств материалов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на: Международных конференциях и симпозиумах «Новые материалы и технологии» (Москва, 2004 г.), «Полимерные материалы пониженной горючести» (Волгоград, 2003, 2007 г.г.), «Новые перспективные материалы и технологии их получения» (Волгоград, 2004, 2007 г.г.), «Композиты XXI века» (Саратов, 2005 г.),
«XIV Туполевские чтения» (г. Казань, 2006г.), «Композит-2007» (Саратов, 2007 г.); на Всероссийских научно-технических конференциях «Прогрессивные технологии в обучении и производстве» (г. Камышин, 2003, 2005, 2006 г.г.); на IX Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области, г.Волгоград, 2004, 2007 г.г.; на ежегодных научно-технических конференциях и научных семинарах ВолгГТУ (2003-2009 гг.).
Публикации: По теме диссертации опубликовано 32 печатные работы, в том числе 10 статей в российских периодических рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения, изложена на 232 страницах, включая 46 таблиц, 115 рисунков и список использованной литературы из 202 наименований.
