Введение к работе
Специальность 05.16.09 Материаловедение (машиностроение)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Томск 2013
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
учреждении науки Институте физики прочности и материаловедения
Сибирского отделения Российской академии наук
и Федеральном государственном бюджетном образовательном
учреждении высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Панин Сергей Викторович
Официальные оппоненты:
Тарасов Сергей Юльевич - доктор технических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, старший научный сотрудник лаборатории физики упрочнения поверхности
Бондалетов Владимир Григорьевич - кандидат химических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», доцент кафедры технологии органических веществ и полимерных материалов Института природных ресурсов
Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»
Защита состоится « 25 » октября 2013 г. в 16:30 час. на заседании диссертационного совета Д 003.038.02 при ИФПМ СО РАН по адресу: 634021, г. Томск, пр. Академический, 2/4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФПМ СО РАН.
Автореферат разослан « » сентября 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, v /
доктор физико-математических наук, профессор #/-^-1 ^^-^ В.И.Данилов
Актуальность темы. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) является перспективным полимерным материалом, к основным достоинствам которого относятся химическая инертность, низкий коэффициент трения, стойкость к ударным воздействиям и абразивная износостойкость. Благодаря высоким триботехническим свойствам СВМПЭ, используется, прежде всего, в машиностроении для изготовления изделий стойких к истиранию, растрескиванию, агрессивным средам (подшипников, шестерен, втулок, роликов, футеровок и т. д.). Кроме того, значительное распространение СВМПЭ получил в медицине для целей ортопедической хирургии (искусственные суставы), по причине его низкого коэффициента трения, возможности работы без смазки, а также легкости механической обработки.
Традиционно прочность и износостойкость полиолефинов повышают введением армирующих частиц неорганических материалов микронных размеров. Ранее в большинстве исследований для увеличения прочности и износостойкости композитов на основе СВМПЭ в него добавляли частицы или волокна микронных размеров; при этом количество наполнителя варьировали в пределах десятков масс. %. В последнее время было выполнено значительное количество исследований по введению в полиолефины (в СВМПЭ, в частности) нанонаполнителей в связи с тем, что они имеют избыточную поверхностную энергию, а малый размер армирующих частиц должен обеспечивать формирование более мелкодисперсной и однородной структуры композиционного материала.
Несмотря на достигнутые успехи, а также многочисленные публикации в отечественной и зарубежной научно-технической литературе, вопрос о механизмах изнашивания СВМПЭ остается не до конца исследованным. В случае наполнения указанного полиолефина углеродными нанотрубками наблюдали увеличение сопротивления изнашиванию до 7 раз [С. Зу, Ю. Корея], что трактуется последним с позиции модификации структуры и эффективного перераспределения напряжений и деформаций между компонентами композита. В работах проф. А.П. Краснова отмечается, что оптимальным содержанием нанонаполнителя в СВМПЭ следует считать 0.2-0.4 мас.%, обеспечивающим максимальное повышение сопротивления изнашиванию. Таким образом, исследования, направленные на повышение износостойкости СВМПЭ, являются актуальными как с позиции разработки конструкционных полимерных композиционных материалов на его основе, так и изучения закономерностей их изнашивания, в первую очередь, в условиях сухого трения скольжения.
Степень разработанности темы. Одним из актуальных предметов исследований в материаловедении полимеров является установление взаимосвязи структуры и свойств. Несмотря на многолетнюю историю исследования вопросов повышения износостойкости полимерных композитов, основные результаты получены, в основном, при экспериментальных наблюдениях поверхностей трибоконтакта после окончания испытаний. Существенный вклад в развитие представлений о закономерностях изнашивания полимерных композиционных
материалов внесли С. Кёртц, В.А. Белый, Н.К. Мышкин, Б. Бриско и многие другие. В направлении наполнения СВМПЭ следует выделить работы А.П. Краснова, С. Зу, З.Вэй, М. Ванг, Б. Бриско и др. Другим перспективным направлением повышения физико-механических свойств полимерных материалов является обработка исходных порошковых смесей в планетарной шаровой мельнице, реализующая процесс механической активации. В отечественной литературе в приложении к СВМПЭ этот вопрос освящен в работах В.А. Полубоярова, А.А. Охлопковой, Г.Е. Селютина и др. В связи с этим все основные результаты в работе получены впервые и являются оригинальными.
Цель работы - исследование влияния наполнителей микронного и наноразмера и обработки порошка СВМПЭ в планетарной шаровой мельнице на изменение структуры, механических и триботехнических свойств композиционных материалов на его основе, а также определение содержания наполнителей и времени механической обработки, обеспечивающих максимальное повышение износостойкости при сухом трении скольжения.
В связи с целью работы были поставлены и решены следующие задачи исследования:
-
Провести экспериментальные сопоставительные исследования структуры, механических и триботехнических свойств композиционных материалов на основе СВМПЭ, наполненных микро- и наночастицами на основе оксидных и оксигидроксидных фаз алюминия, и определить их содержание, обеспечивающее максимальное повышение износостойкости.
-
Выполнить экспериментальные сопоставительные исследования структуры, механических и триботехнических свойств композиционных материалов на основе СВМПЭ, наполненных наночастицами меди и диоксида кремния, а также углеродными нановолокнами, и определить их содержание, обеспечивающее максимальное повышение износостойкости.
-
Провести экспериментальные исследования структуры, механических и триботехнических свойств образцов СВМПЭ, полученных при предварительном модифицировании порошка в планетарной шаровой мельнице и дополнительном наполнении наночастицами меди; определить время обработки и содержание нанонаполнителя, обеспечивающие максимальное повышение износостойкости.
Научная новизна. Показано, что характер износа при сухом трении скольжения нанокомпозитов на основе СВМПЭ обусловлен сформировавшейся структурой полимерной матрицы, а также действием наночастиц в качестве твердой ультрадисперсной смазочной среды. В то же время характер износа микрокомпозитов на основе СВМПЭ дополнительно определяется размером и твердостью микронаполнителя.
Износостойкость СВМПЭ с нанонаполнителями (до 0.5 мае. %) сопоставима с таковой для микрокомпозитов с содержанием частиц 20 мае. %. Показано, что, с точки зрения повышения износостойкости наполненного СВМПЭ при сухом трении скольжения, использование нановолокон более эффективно, чем наночастиц.
По сравнению с исходным СВМПЭ механическая обработка порошка в планетарной шаровой мельнице приводит к повышению износостойкости при сухом трении на 90 %, наряду с увеличением предела прочности на 30 %. При совмещении механической активации полимера и введения нанонаполнителя увеличение износостойкости является суперпозицией влияния на структуру обоих факторов модификации полимерного композиционного материала.
Теоретическая значимость исследования определяется тем, что в диссертационной работе сформулированы представления
о корреляции между сопротивлением изнашиванию, топографией поверхностей трения, механическими свойствами и надмолекулярной структурой композитов на основе СВМПЭ, армированных микро- и наночастицами неорганических материалов;
о модификации структуры композитов на основе СВМПЭ при обработке порошка в планетарной шаровой мельнице и влиянии первой на повышение сопротивления изнашиванию.
Практическая значимость работы. Наполнение СВМПЭ частицами и волокнами нано-, субмикро- и микроразмеров рекомендуется к применению с целью повышения износостойкости композитов на его основе при изготовлении деталей машин, используемых в трибосопряжениях (роликах, подшипниках, валах, звездочках цепной и зубчатой передач, футеровочных плитах). Обработка чистого СВМПЭ в планетарной шаровой мельнице по выявленным режимам является недорогим и эффективным способом повышения его износостойкости и рекомендуется для изготовления деталей машин, работающих в узлах трения в агрессивных условиях, при пониженных температурах и в отсутствие граничной смазки в машиностроении, химической, аграрной и пищевой промышленности, а также медицине.
Методология и методы исследования. Основными методами исследования в работе являются методы растровой электронной микроскопии, инфракрасной спектроскопии на основе фурье-преобразования, а также дифференциальной сканирующей калориметрии. Также использованы методы измерения механических свойств и триботехнических испытаний.
Положения, выносимые на защиту:
-
Введение в СВМПЭ нанонаполнителей на основе оксидных и оксигидроксидных фаз алюминия в количестве 0,1-Ю,5 мае. %, а также 5-20 мае. % частиц микронных размеров не изменяет тип ламеллярной надмолекулярной структуры и сопровождается снижением степени кристалличности, что обусловливает повышение износостойкости нанокомпозитов на основе СВМПЭ при сухом трении скольжения в 3-5 раз, а величины удлинения до разрушения на 20 %.
-
При армировании СВМПЭ частицами микронного размера и формировании ламеллярной надмолекулярной структуры интенсивность износа при сухом трении дополнительно определяется взаимодействием стального контртела и микрочастиц, выступающих над поверхностью полимерной матрицы. При этом более мягкие частицы меньшего размера АЮ(ОН) обеспечивают большее повышение сопротивления изнашиванию, нежели более твердые и крупные частицы AI2O3.
-
Интенсивность изнашивания при сухом трении скольжения нанокомпозитов на основе СВМПЭ определяется сформировавшейся ламеллярнои структурой полимерной матрицы, а повышение износостойкости СВМПЭ наполнением наночастицами и нановолокнами при сухом трении скольжения обеспечивается действием последних в качестве ультрадисперсной смазочной среды.
-
Повышение износостойкости образцов СВМПЭ, подвергнутых обработке в планетарной шаровой мельнице, обеспечивается именно модификацией структуры полимера, что сопровождается повышением как механических, так и триботехнических характеристик.
Степень достоверности и апробация результатов работы. Достоверность результатов работы определяется использованием современных методов исследований и оборудования, систематическим характером проведения экспериментов и статистической обработкой их результатов, согласием полученных результатов с данными подобных исследований других авторов.
Результаты работы были представлены на Всероссийских, международных и региональных конференциях и семинарах: VII Всероссийской школе-семинаре с международным участием «Новые материалы, Развитие, Структура, Свойства-2008», 9-10 июня 2008 г., Томск, Россия; III Международном форуме по стратегическим технологиям (IFOST 2008)", 23-29 июня 2008 г., Новосибирск-Томск, Россия; Международной конференции "Multiscale approach physics mechanics, fundamental solid and engineering application", 9-12 сентября 2008 г, Томск, Россия; Международной научно-технической конференции "Проблемы современного машиностроения" 26-28 ноября 2008 г., Томск, Россия; XV Международной научно-практической конференции «Современная техника и технологии, 4-8 мая 2009 г., Томск, Россия; IX Всероссийской школе-семинаре "Новые материалы: создание, структура, свойства, 2009", 9-11 июня, 2009 г., Томск, Россия; "Dissipation and damage across multiple scale in physical and mechanical systems", 24-26 июня 2009 г., Оксфорд, Великобритания; Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному моделированию новых материалов, 7-11 сентября 2009 г., Томск, Россия; Китайско-Российской Международной конференции по материаловедению 2009, 24-26 сентября 2009 г., Шеньян, Китай; III Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», 12-15 октября 2009 г., Москва, Россия; IV Международном форуме по стратегическим технологиям (IFOST 2009), 23-29 октября 2009 г., г. Хошимин, Вьетнам.
