Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Разработка новых полимерных композиционных материалов (ПКМ), прогнозирование и существенное улучшение служебных свойств невозможны без учета физико-химических процессов формирования наполненной системы. В силу того, что ПКМ представляют собой гетерогенные многокомпонентные системы, их свойства в значительной мере определяются физико-химическими процессами, происходящими на границе полимер -наполнитель. Основным фактором, определяющим вклад межфазных явлений в свойства ПКМ, является эффективный адгезионный контакт между полимером и активной поверхностью наполнителя. Перспективными компонентами многофункциональных машиностроительных ПКМ являются ультрадисперсные неорганические наполнители, придающие полимерному связующему уникальные свойства за счет особых поверхностных свойств нанометровых частиц.
Отсутствие единого подхода к изучению процессов наполнения полимеров ультрадисперсными частицами, а также высокие стоимость и энергоемкость методов синтеза наполнителей нанометрового размера ограничивают применение ПКМ нового поколения. В связи с этим исследование особенностей влияния ультрадисперсных наполнителей на структуру и свойства межфазных слоев, выявление факторов, обеспечивающих структурную активность подобных наполнителей, являются актуальными для оптимизации ПКМ при их формировании и функционировании. Поиск новых способов увеличения реакционной способности ультрадисперсных наполнителей по отношению к полимерной матрице расширит номенклатуру и области эффективного применения композитов.
Связь работы с крупными научными программами. В основу диссертации положены результаты исследований по следующим научно-исследовательским программам и темам: СО РАН "Механика, научные основы машиностроения и надежности машин" на 1996-1998 гг. (гос. per. №№ 01.90.0064734, 01.97.0000655), РАН "Новые металлические, полимерные, композиционные материалы, конструктивная керамика, силикатные материалы, в том числе с использованием оксидов, нитридов, карбидов" на 1999-2001 гг. (гос. per. № 01.99.0001618).
Целью работы является установление закономерностей физико-химических процессов, сопровождающих межфазное взаимодействие ультрадисперсных керамик с политетрафторэтиленом, и разработка на этой основе машиностроитель-
ных триботехнических материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
провести анализ современных направлений создания машиностроительных полимерных композиционных материалов и перспективных технологий, обеспечивающих улучшение их служебных свойств;
изучить влияние химической природы, фазового состава, размеров частиц ультрадисперсных наполнителей на межфазное взаимодействие и на структуро-образование в полимерной матрице и на границе раздела фаз;
- определить вклад межфазного поверхностного слоя на физико-
механические и триботехнические характеристики композиционного материала;
исследовать влияние механической активации на структурные и электрофизические параметры наполнителей и определить основные факторы, ответственные за межфазное взаимодействие на границе полимер-наполнитель;
разработать триботехнические материалы с повышенными эксплуатационными характеристиками, обеспечивающими надежность и работоспособность техники при воздействии экстремальных климатических и эксплуатационных факторов, в том числе, в условиях Крайнего Севера.
Научная новизна и значимость полученных результатов. На основании результатов исследования установлены закономерности физико-химического взаимодействия ультрадисперсных керамик (УК) с политетрафторэтиленом (ПТФЭ): 1) вклад во взаимодействие на границе раздела полимер-наполнитель поляризационного заряда частиц УК; 2) поляризация полимерного связующего в электрическом поле УК; 3) формирование граничного слоя (ГС) и эффекта его дальнодействия; 4) влияние ГС на физико-механические и триботехнические характеристики ПКМ.
Установлено влияние зарядового состояния УК на адгезионное взаимодействие, толщину ГС и его структурообразующее влияние.
Показана взаимосвязь структурных особенностей, фазового состава и зарядового состояния ультрадисперсных наполнителей, а также модифицирующее влияние последних на полимерную матрицу. Установлены оптимальные режимы механической активации ультрадисперсных наполнителей, и их влияние на эксплуатационные характеристики композитов. Установлено, что механическая обработка УК сопровождается увеличением дефектности их кристаллической ре-
шетки, ростом естественного поляризационного заряда и фазовыми переходами. Это обусловливает усиление адгезионного взаимодействия полимерного связующего и УК-наполнителей, а также улучшение физико-механических и триботех-нических характеристик композитов. Исследованы удельная теплоемкость и термодинамические параметры композитов на основе ПТФЭ и УК: температура, энтальпия и энтропия фазовых переходов, энтальпия межфазного взаимодействия. Показано, что введение активированных наполнителей приводит к формированию более упорядоченной надмолекулярной структуры (НМС) и увеличению степени кристалличности ПТФЭ. Определен радиус «дальнодействия» электрического поля УК, обусловливающий высокие физико-механические свойства ПКМ.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением стандартизованных методов испытания ПКМ на современном оборудовании, которое характеризуется высоким уровнем точности измерений и соответствием результатов опытно-промышленных и лабораторных испытаний, практикой продолжительной эксплуатации изделий из разработанных ПКМ в горнодобывающей промышленности Республики Саха (Якутия).
Практическая значимость полученных результатов. Разработаны рецептуры антифрикционных полимерных композиционных материалов для узлов трения машин и механизмов северного исполнения, отличающиеся высокими деформационно-прочностными и триботехническими характеристиками. Изготовление подшипников скольжения из разработанных материалов позволило повысить технический ресурс оборудования горнодобывающей промышленности в 2 раза и решить проблему импортозамещения штатных подшипников.
Опытно-промышленная проверка и внедрение новых материалов и технологий осуществлены в АК "Алмазы России-Саха" с экономическим эффектом 100 тыс. руб. на одно изделие. Эффект достигнут за счет улучшения служебных характеристик и увеличения ресурса изделий из них.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
- закономерности физико-химических процессов, протекающих на границах ультрадисперсный наполнитель - ПТФЭ, заключающиеся в: повышении адгезионного взаимодействия компонентов ПКМ; формировании ГС в поле естественного поляризационного заряда частиц УК; электрической поляризации полимерной матрицы за счет электрического поля ГС;
- установление роли механической активации как технологического приема повышения активности УК по отношению к ПТФЭ, обусловливающего увеличение поляризационного заряда на поверхности частиц наполнителя;
Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на Международной конференции "Современные проблемы машиноведения" (Гомель, 1998); X Международной конференции по механике композитных материалов (Рига, 1998); Российской научной конференции по растрововой электронной микроскопии (Черноголовка, 1998); 2-ой научной школе "Кластерные системы и материалы" (Ижевск, 1998); Республиканской научно-технической конференции "Шаг в будущее" (Якутск, 1998); Inernational Conference on composite materials (Paris, 1999); Международном симпозиуме "О природе твердых тел. Белтриб-99" (Гомель, 1999); Международной конференции "Дороги-99" (Брянск, 1999); I и II "Лаврентьевских чтениях" (Якутск, 1999, 2000), Международной конференции "Физико-технические проблемы Севера" (Якутск, 2000); Международных научно-технических конференциях "Полимерные композиты. Поликом-98, Поликом-2000" (Гомель, 1998, 2000).
Опубликованность результатов. Основные положения и результаты, изложенные в диссертации, отражены в 15 работах, в том числе 5 статьях в научных журналах, 3 статьях в сборниках конференций, 7 тезисах докладов на конференциях.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 206 наименований и приложений. Полный объем диссертации составляет 165 стр., включая 24 рисунка и 19 таблиц.
