Введение к работе
Актуальность работы. Расширение областей эффективного использования полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе труднопере-рабатываемых адгезионноинертных полимеров, обладающих высокими эксплуатационными свойствами, представляет важную практическую и научную задачу. Особую актуальность приобретает ее решение применительно к ответственному высоконагруженному в силовом и термическом отношениях оборудованию в химической, нефтяной, энергетической и др. промышленных отраслях. Однако, практическое использование полимеров и их композиций с малыми добавками наполнителей ограничивает эксплуатационные возможности создаваемых узлов и конструкций вследствие сравнительно невысокой прочности и низкой износостойкости. Их повышение за счет увеличения концентрации наполнителей в ПКМ трудно реализуемо по причине низкой адгезионной активности полимеров, технологической сложности производства высо-конаполненных и каркасных ПКМ на основе трудноперерабатываемых полимеров, в частности фторопласта-4 (Ф-4), необходимости применения дорогостоящего специализированного оборудования. Указанные ограничения и сложности обуславливают необходимость поиска и разработки новых или усовершенствования существующих способов получения ПКМ с повышенными физико-механическими и служебными свойствами.
еталлополимерных
ітїо" науки РФ,
ализе и обсуждении голу-
Повышение физико-механических свойств ПКМ достигается за счет увеличения адгезионной активности компонентов, что приводит в итоге к их лучшему межчастичному взаимодействию. Перспективным способом улучшения адгезионной активности компонентов является их структурная модификация при механическом, химическом, физическом или комплексном воздействиях, применение которых зачастую возможно только в лабораторных условиях и для малых объемов веществ, что требует интенсификации исследований по разработке новых прогрессивных процессов активации этих материалов. Ударно-волновая обработка (УВО) является эффективным способом получения наполненных ПКМ с повышенными служебными свойствами за счет физико-химической модификации структуры и увеличения адгезионного взаимодействия между компонентами композиционной системы. Несмотря на то, что в области ударно-волновой обработки полимеров и композитов на их основе накоплен значительный теоретический и экспериментальный материал, ряд вопросов, касающихся влияния условий получения на их структуру и свойства, еще мало изучен. Практически не изучены особенности УВО металлонаполненных ПКМ, не достаточно изучены закономерности изменения структуры и физико-механических свойств ПКМ в процессе последующего спекания и других воздействий. Открытым остается вопрос о возможности применения инженерных методов расчета ударно-волновых параметров в прессуемом объеме ПКМ для дальнейшего прогнозирования качества прессовки. Не найдено достаточно полного решения комплексной проблемы создания высокоэффективных технологий взрывного прессован]
Автор выражает глубокую б
доктору технических наук, профессору Tpt ценных результатов.
цилиндрических прессовок и получения металлополимерных покрытий. Решение этих вопросов, требующих комплексного изучения, позволит разработать научные рекомендации технологических процессов УВО порошковых ПКМ, управлять их структурой и свойствами при производстве перспективных композитных изделий с повышенными служебными свойствами.
Актуальность работы подтверждается ее выполнением в соответствии с заданиями тематического плана НИР Министерства образования РФ (2001-2004 г.г.), научно-технической программы сотрудничества Министерства образования РФ и Министерства по атомной энергии РФ (2001-2002 г.г.), Грантом Министерства образования РФ «Фундаментальные исследования в области технических наук (машиностроение)» (2002-2003 г.г., Т02-06.2-482).
Цель работы: Создание высоконаполненных металлополимерных композитов взрывным прессованием в ампулах на основе изучения их структуры и свойств и разработка технологических процессов получения изделий многофункционального назначения для использования в ответственных конструкциях машиностроительного и нефтехимического оборудования.
Задачи исследования:
-
Произвести расчет и определить оптимальные ударно-волновые параметры взрывного прессования дисперсных металлополимерных композитов в ампуле.
-
Установить закономерности изменения структуры и свойств ПКМ в зависимости от расчетных параметров УВО.
-
Исследовать влияние режимов последующего спекания на свойства прессовок после УВО.
-
Изучить изменение структуры, физико-механических и теплофизи-ческих свойств металлонаполненных ПКМ при воздействии УВО по сравнению со статическим прессованием.
-
Разработать комплексные технологические процессы получения высоконаполненных металлополимерных заготовок и покрытий с учетом выявленных закономерностей.
-
Определить области эффективного промышленного использования разработанных ПКМ.
Научная новизна работы:
/ Выявлены закономерности образования структурной неоднородности при взрывном нагружении в ампуле высоконаполненных композиций фторопласта с металлами, что позволяет управлять процессами компактирования и адгезионного взаимодействия. Экспериментальным путем установлено, что максимальные физико-механические свойства реализуются при высокоэнергетическом воздействии с давлением в ударном фронте 0,4-0,6 ГПа и энергией взрывного обжатия порошковой смеси 49-85 кДж/м, превышение которых в зависимости от концентрации металла приводит к образованию структурной неоднородности в центре прессовки в виде зон типа переплава с высокими твердостью и уровнем микронапряжений.
Ґ Предложена и экспериментально подтверждена физическая модель ударно-волнового Компактирования высоконаполненных металлополимерных композитов, показывающая изменение механизмов уплотнения при увеличении
ударного давления и определены количественные критерии достижения предельного уплотнения с образованием металлического каркаса. В зависимости от концентрационного соотношения компонентов и ударного давления доминирующим является компактирование полимера (до 30% металла), деформация металлических частиц и их взаимодействие (более 50 %) или совместное влияние на структурообразование полимера и металла при содержании наполнителя 30-50%.
S Разработана модернизированная методика термомеханических испытаний наполненных ПКМ, основанная на учете разницы термического поведения материала в свободном и замкнутом состояниях, что позволило повысить уровень оценки адгезионного взаимодействия в системе полимер-металл.
S Взаимодополняющими методами исследований установлено, что изменение работы взрывного обжатия композиционной смеси с 60 до 140 кДж/м и концентрации наполнителя с 10 до 90 % способствует повышению тепло- и термостабильности металлополимерных систем, выраженного в двукратном повышении энтальпии и в 2-5 раз энергии активации процесса термодеструкции фторопласта-4.
Практическая ценность:
-
Полученные результаты диссертационного исследования позволили разработать научно-обоснованные практические рекомендации по выбору рациональных параметров композитных смесей и технологические процессы изготовления с помощью взрывной обработки высококачественных полимерных композиционных материалов и изделий многофункционального назначения с повышенными служебными свойствами.
-
Результаты работы позволяют расширить области применения метал-лофторопластов в качестве антифрикционных и антикоррозионных материалов с повышенной тепло- и термостойкостью, предназначенных для промышленного применения в нефтехимическом и машиностроительном оборудовании в виде узлов трения, уплотнительных систем, токопроводящих элементов.
-
Установлена целесообразность применения, как нового перспективного способа самосмазываемости высоконагруженных подшипников скольжения, металлофторопластов с содержанием металла более 70 % и необходимость использования смазки при большем наполнении вследствие налипания металла на контртело
-
На уровне изобретения (Патент РФ №2186658) разработан принципиально новый метод получения металлофторопластовых покрытий из порошкообразного материала на цилиндрических поверхностях изделий, предусматривающий взрывное прессование высоконаполненной композиционной заготовки.
Реализация результатов работы.
Определены оптимальные режимы и разработаны комплексные технологические процессы взрывного прессования цилиндрических, кольцевых и плоских наполненных металлополимерных изделий на основе фторопласта-4, обладающих в сравнении с существующими аналогами повышенными служебными свойствами (прочностью, долговечностью, износостойкостью и тепло-
стойкостью). Внедрение разработанных композиционных материалов и изделий позволяет повысить эксплуатационную надежность тяжелонагруженных деталей и узлов нефтехимического и машиностроительного оборудования.
По заданиям ООО «ВЗБТ», ОАО «Каустик» (г. Волгоград), НИМИ (г. Москва) разработаны:
-металлофторопластовые втулки диаметром от 20 до 350 мм с 20-70% наполнением железом, бронзой, медью;
-антифрикционные покрытия из высоконаполненных (до 70-80 % металла) ПКМ толщиной 4-20 мм на изделиях плоской и цилиндрической форм; -гермовводы для измерительной аппаратуры.
Экономический эффект от внедрения составил 200 тыс. руб. Акт о внедрении приложен к диссертации.
Достоверность результатов обеспечена использованием современных методов исследования структуры и свойств материалов, таких как оптическая микроскопия, рентгеноструктурный, дифференциально-термический, термогравиметрический, термомеханический анализы, а также специальных методов производственного и лабораторного контроля физико-механических свойств материалов и служебных свойств изделий. Вычислительные процедуры производились на базе распространенных ПЭВМ. Достоверность компьютерных расчетов параметров УВО ПКМ подтверждена систематическими исследованиями закономерностей изменения их структуры и физико-механических свойств. Полученные в работе результаты не противоречат современным представлениям материаловедения и механики композиционных материалов.
Апробация работы: Основные результаты работы были представлены на: Международных конференциях «Новые материалы и технологии на рубеже веков» (г. Пенза, 2000 г.), «Слоистые композиционные материалы - 2001» (г. Волгоград, 2001 г.), «Гагаринские чтения» (г. Москва, 2002 г.), «Порошковые и композиционные материалы, структура, свойства, технологии получения» (г. Новочеркасск, 2002 г.), «Композиты - в народное хозяйство России. Композит-02» (г. Барнаул, 2002 г.), «Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков» (г. Пенза, 2003 г.), «Полимерные материалы пониженной горючести» (г. Волгоград, 2003 г.), «Новые перспективные материалы и технологии их получения» (г. Волгоград, 2004 г.); на Всероссийской конференции «Прогрессивные технологии в обучении и производстве» (г. Камышин, 2003 г.); на V-VIII Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (г. Волгоград, 2000 - 2003 гг.); на юбилейном смотре-конкурсе научных, конструкторских и технологических работ студентов ВолгГТУ (г. Волгоград 2000 г.); ежегодных научных конференциях Волгоградского государственного технического университета (г. Волгоград, 2001 - 2004 гг.).
Публикации: По материалам диссертации опубликовано 27 печатных работ, в том числе 4 в центральной печати, получен патент РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из
введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения, содержащего акт о внедрении результатов диссертации. Материал изложен на 188
страницах, включая 14 таблиц, 87 рисунков и список использованной литературы из 190 наименований.
