Введение к работе
Актуальность темы. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) является перспективным полимерным материалом, который за счет ряда своих уникальных свойств (химическая инертность, низкий коэффициент трения, ударная прочность и стойкость к истиранию) получил широкое распространение в машиностроении. В различных отраслях его используют для замены металлов при изготовлении зубчатых передач, направляющих, подшипников, роликов, футеровочных плит и т. д. В ортопедической хирургии он служит для изготовления эндопротезов тазобедренного, коленного, плечевого суставов, а также межпозвоночных дисков. СВМПЭ поддается механической обработке и предназначен для работы в условиях сухого трения скольжения и абразивного изнашивания.
Вместе с тем немодифицированный (ненаполненный) СВМПЭ испытывает значительный износ при длительной эксплуатации, что является актуальной научно-технической проблемой. На долю абразивного изнашивания полимеров приходится более 64 % общих потерь от износа в промышленности. Кроме того, они подвержены адгезионному и усталостному изнашиванию. Для повышения износостойкости СВМПЭ применяются различные методы, например, введение наноразмерных и микронных наполнителей, химическая модификация, обработка поверхности пучками ионизирующего излучения, механическая активация и т.д. Таким образом, проведение всесторонних комплексных исследований влияния микро- и нанонаполнителей на структуру, механические свойства и сопротивление изнашиванию композитов на основе СВМПЭ при различных видах износа является актуальной задачей.
Степень разработанности темы. Существенный вклад в развитие представлений о закономерностях изнашивания СВМПЭ и композитов на его основе внесли А.П. Краснов, С. Кёртц, С. Зу, А. Ванг, С. Лю, Б. Бриско и многие другие. Однако, несмотря на устоявшиеся представления в области материаловедения СВМПЭ, в настоящее время остается открытым ряд вопросов, связанных с изучением механизмов изнашивания СВМПЭ и микро- и нанокомпозитов на его основе, в том числе при различных режимах износа. В связи с этим все основные результаты в работе получены впервые и являются оригинальными.
Цель работы - исследование структуры и закономерностей износа при абразивном изнашивании, сухом трении и граничной смазке композитов на основе СВМПЭ, армированных микро- и наночастицами неорганических материалов, а также механических и триботехнических свойств композитов на основе СВМПЭ, наполненных нано- и микрочастицами природной «мягкой» керамики (гидроксиапатита) и подвергнутых облучению пучком ионов азота.
В связи с целью работы были поставлены и решены следующие задачи исследования:
1. Исследование надмолекулярной структуры, механических свойств и сопротивления абразивному изнашиванию композитов на основе СВМПЭ, наполненных неорганическими микрочастицами микронных размеров АЮ(ОН) и А1203.
-
Исследование надмолекулярной структуры, механических свойств и сопротивления изнашиванию частицами закрепленного абразива композитов на основе СВМПЭ с введенными наноразмерными наполнителями (SiC>2, Си, АЮ(ОН), УНВ).
-
Исследование надмолекулярной структуры, механических свойств и износостойкости при абразивном изнашивании микро- и нанокомпозитов на основе СВМПЭ, структурно-модифицированных введением полиэтилена низкого давления, привитого малеиновым ангидридом и винилтриметаксисиланом (ПЭНД-прив-СМА, ПЭНД-прив-ВТМС).
-
Сопоставительные исследования сопротивления изнашиванию в условиях сухого трения и граничной смазки композитов на основе СВМПЭ, наполненных нано- и микрочастицами.
-
Исследование надмолекулярной структуры, механических свойств и закономерностей изнашивания при сухом трении скольжения композитов на основе СВМПЭ, наполненных нано- и микрочастицами природной «мягкой» керамики (гидроксиапатита - ГА), в том числе подвергнутых облучению пучком ионов азота.
Научная новизна. Показано, что введение в СВМПЭ частиц неорганических материалов микронных размеров в количестве до 40 мае. % по сравнению с добавлением нанонаполнителей в количестве 0.5 мае. % повышает их сопротивление абразивному изнашиванию до 16 раз, что одновременно снижает предел прочности и величину удлинения до разрушения в несколько раз, а также уменьшает степень кристалличности и препятствует формированию однородной сферолитной надмолекулярной структуры.
Показано, что при испытаниях в условиях граничной смазки интенсивность изнашивания чистого СВМПЭ снижается до трех раз по сравнению с сухим трением скольжения, что сопоставимо с повышением износостойкости при введении наночастиц, когда последние выступают в качестве твердой высоко дисперсной смазочной среды.
Впервые показано, что облучение пучком ионов азота поверхности
композитов на основе СВМПЭ с нано- и микрочастицами гидроксиапатита
может в несколько раз повысить сопротивление изнашиванию по сравнению с
чистым СВМПЭ. Использование наночастиц гидроксиапатита
предпочтительнее по сравнению с микрочастицами, поскольку первые не приводят к изменению типа и характера сферолитной надмолекулярной структуры в модифицированном приповерхностном слое.
Теоретическая значимость исследования определяется тем, что в диссертационной работе сформулированы представления
- об изнашивании композиционных материалов на основе СВМПЭ при
сухом трении, граничной смазке и абразивном изнашивании;
- о корреляции между сопротивлением изнашиванию, топографией
поверхностей трения, механическими свойствами и надмолекулярной
структурой полимерных композитов на основе СВМПЭ;
- о модификации структуры приповерхностного слоя композитов на основе
СВМПЭ с микро-и ночастицами ГА при облучении пучком ионов азота и их
влиянии на повышение сопротивления изнашиванию.
Практическая значимость работы. Введение микро- (АЮ(ОН), А120з) и нанонаполнителей (SiC>2, АЮ(ОН), Си, УНВ) в установленном весовом содержании рекомендовано для изготовления композитов на основе СВМПЭ, для использования в качестве деталей машин и механизмов, например, роликов, направляющих, футеровочных плит, с целью кратного повышения их износостойкости. Наполнение СВМПЭ наночастицами мягкой керамики гидроксиапатита рекомендовано для изготовления частей искусственных суставов. Последующая поверхностная модификация облучением пучком ионов азота нанокомпозитов на основе СВМПЭ с наночастицами гидроксиапатита обеспечивает дальнейшее повышение износостойкости до 30 %.
Методология и методы исследования. Основными методами исследования в работе являются растровая электронная микроскопия, инфракрасная спектроскопия на основе фурье-преобразования, а также дифференциальная сканирующая калориметрия.
Положения, выносимые на защиту:
1. Наполнение СВМПЭ микрочастицами АЮ(ОН) и А120з в количестве
40 мас.% подавляет формирование однородной сферолитной надмолекулярной
структуры, обусловливает снижение степени кристалличности и
сопровождается десяти- и шестнадцатикратным соответственно повышением
абразивной износостойкости. Увеличение размера микрочастиц наполнителя и
их твердости приводит к дополнительному повышению в несколько раз
сопротивления изнашиванию частицами закрепленного абразива.
-
При армировании СВМПЭ наноразмерными наполнителями (SiC>2, Си, АЮ(ОН), УНВ) тип надмолекулярной структуры не изменяется, а сопротивление абразивному изнашиванию может повышаться до 1.8 раз, что обусловлено влиянием наночастиц на характер взаимодействия контртела и поверхности трения полимерного нанокомпозита.
-
Введение в СВМПЭ 0.5 мае. % наночастиц «мягкой» керамики гидроксиапатита не изменяет тип и характер формирующейся сферолитной надмолекулярной структуры и, подобно наполнению более твердыми нановолокнами АЮ(ОН), повышает сопротивление износу при сухом трении до 3-х раз. При наполнении СВМПЭ частицами микронного размера характер их влияния на надмолекулярную структуру также подобен, однако более мягкая керамика ГА обеспечивает повышение износостойкости до четырех раз, в отличие от более твердых частиц АЮ(ОН), позволяющих увеличить сопротивление износу при сухом трении всего в 2 раза.
-
Модификация нанокомпозитов на основе СВМПЭ с «мягкой» керамикой гидроксиапатита облучением пучком ионов азота с дозами 0,5-2x10 ион/см приводит к модификации надмолекулярной структуры приповерхностного слоя на глубину до 800 микрометров, что сопровождается повышением нанотвердости на поверхности, степени кристалличности и сопротивления изнашиванию при сухом трении скольжения до 30 %.
Степень достоверности и апробация результатов работы. Достоверность результатов работы определяется использованием принятых для полимерных композитов методов исследования и современного оборудования,
систематическим характером проведения экспериментов и статистической обработкой их результатов, согласием полученных результатов с данными подобных исследований других авторов.
Результаты исследований были представлены на международных, всероссийских и региональных конференциях и семинарах: IV Всероссийской конференции по наноматериалам, 1-4 марта 2011г., Москва, Россия; XVII Международной научно-практической конференции студентов и молодых учёных (Современные техника и технологии) (СТТ-2011), 18-22 апреля 2011 г., Томск, Россия; 3r International Conference on Heterogeneous Material Mechanics (ICHMM-2011), 22-26 мая 2011г., Шанхай, Китай; XI Всероссийской школе-семинаре с международным участием «Новые материалы. Создание, структура, свойства 2011» 14-16 июня 2011 г., Томск, Россия; 131 International Conference Mesomechanics 2011, 6-8 июля 2011 г., Виченца, Италия; Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, 5-9 сентября 2011 г., Томск, Россия; VI Международной научно-технической конференции (Современные проблемы машиностроения), 28 сентября - 02 октября 2011 г., Томск, Россия; V Всероссийской научно-практической конференции «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов», 25-27 апреля 2012 г., Томск, Россия; XII Всероссийской школе-семинаре с международным участием «Новые материалы. Создание, структура, свойства-2012», 6-8 июня 2012 г., Томск, Россия; XIX Европейской конференции по механике разрушения (19 European Conference on Fracture (Fracture Mechanics for Durability, Reliability and Safety)), 26-31 августа 2012 г., Казань, Россия; XVII Международном форуме по стратегическим технологиям, 18-21 сентября 2012 г., Томск, Россия; 14 International Conference on Mesomechanics, 25-28 сентября 2012 г., Будапешт, Венгрия.
