Введение к работе
Актуальность работы. Уникальность свойств политетрафторэтилена (ПТФЭ) обуславливает его активное применение в промышленности, прежде всего в качестве основы антифрикционных материалов. ПТФЭ имеет самый низкий и стабильный среди полимеров коэффициент трения, но его износостойкость при этом невысока. Решить данную проблему позволяет модификация ПТФЭ, в частности путем введения наполнителей в матрицу.
Целенаправленное изменение эксплуатационных свойств композиционных материалов на основе ПТФЭ посредством структурных изменений позволяет расширить возможности применения полимерных композиционных материалов (ПКМ). Эта задача может быть решена оптимизацией состава и концентрации наполнителей и (или) оптимизацией параметров технологического процесса синтеза материалов. Формирование единого научно-обоснованного подхода к управлению свойствами ПКМ через управление структурой материала до сих пор не завершено в силу многофакторной зависимости структурно-фазовых превращений, как от содержания, так и от характеристик компонентов.
Известно, что эффективным наполнителем антифрикционного назначения для ПТФЭ является графит. При этом по сравнению с другими разновидностями скрытокристаллический графит (СКГ) имеет более высокую структурную активность. К преимуществам данного наполнителя относится его низкая стоимость и относительная простота переработки и технологии синтеза ПКМ с данным наполнителем.
Как показано в ряде работ, применение ПТФЭ, модифицированного скрытокристаллическим графитом (в том числе совместно с другими наполнителями), позволяет увеличить надежность и ресурс работы герметизирующих устройств, применяемых в многоцелевых гусеничных и колесных машинах. Несмотря на проведенные исследования некоторых свойств системы ПТФЭ-СКГ, свойства наполнителя и механизм структурной модификации ПТФЭ скрытокристаллическим графитом, определяющий эксплуатационные свойства ПКМ, до конца не изучены. В частности, не выявлены причины относительно невысокой жесткости материалов и ограничения структурной активности графита, проявляющегося в снижении степени кристалличности при свободном спекании композитов. Подобное ограничение свидетельствует о слабом проявлении графитом структурообразующих свойств и недостаточной эффективности структурной модификации.
Повышение эффективности структурной модификации ПТФЭ скрытокристаллическим графитом относительно процессов структурообразования и формирования комплекса свойств ПКМ является весьма актуальной задачей, решение которой будет способствовать разработке научно-обоснованного материаловедческого подхода к управлению свойствами синтезируемых материалов.
Диссертационная работа выполнялась в рамках госбюджетных НИР по единому наряду - заказу Минобразования РФ (Министерства общего и про-
фессионального образования) в соответствии с тематическим планом НИР Омского государственного технического университета.
Цель работы: изучить закономерности влияния скрытокристаллического графита на структуру и свойства ПТФЭ и выявить особенности структурной модификации данного полимера, определяющие повышение его механических и триботехнических свойств.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
-
исследовать фазовый, дисперсный составы и морфологию частиц СКГ;
-
изучить особенности структурной модификации ПТФЭ скрытокристал-лическим графитом при твердофазном синтезе ПКМ и определить способ повышения эффективности модификации на этапе спекания материала;
-
провести экспериментальные исследования и анализ структурно-фазовых превращений в композитах на основе ПТФЭ, наполненного СКГ;
-
выполнить комплексное исследование механических, триботехнических, вязкоупругих свойств и молекулярной подвижности в изучаемых материалах, установить их взаимосвязь со структурными изменениями в ПТФЭ при модификации и определить оптимальную концентрацию наполнения ПТФЭ скрытокристаллическим графитом при изготовлении ПКМ триботехническо-го назначения;
-
разработать математическую модель напряженно-деформированного состояния дисперснонаполненного ПТФЭ при его спекании с целью установления особенностей контактного взаимодействия частиц полимера и наполнителя, определяющих проявление графитом структурообразующих свойств.
Объекты исследования: ПТФЭ (Фтороптаст-4 ГОСТ 10007-80), СКГ (ГОСТ 5420-74) и двухкомпонентные модельные системы ПТФЭ - СКГ с массовым содержанием СКГ до 30%.
Введение наполнителя в порошкообразный ПТФЭ выполняли по стандартной промышленной технологии сухого смешивания с последующим холодным прессованием и дальнейшим спеканием заготовки при температуре (360 ± 3)С. Помимо свободного спекания композиций применяли спекание в специализированных приспособлениях в виде металлических зажимов, ограничивающих тепловое расширение спекаемого материала в направлении прессования, что приводит к возникновению в нем одноосного давления сжатия при нагреве. Данный режим был выбран на основе литературных данных и проведенных предварительных исследований с целью усиления структурной активности наполнителя и повышения эффективности структурной модификации ПТФЭ.
Методы исследования. Цель работы и сформулированные задачи обуславливают использование комплекса как экспериментальных, так и расчетных методов.
Экспериментальные методы и исследуемые с их помощью характеристики представлены на рис. 1.
Использованные расчетные методы: математические методы моделирования (метод конечных элементов), регрессионный анализ, статистические методы обработки результатов экспериментов.
\ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ
Научная новизна работы.
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ)
h.
f ОПТИЧЕСКАЯ I МИКРОСКОПИЯ
—(гпдростати че atony
В ходе исследований получены следующие новые научные результаты.
і Морфология
| п с р анис їх t р ииог> ГП Ф Э J
{ ПЭМ \-
I ЛИКНОМГТРИЧЕСКИИ )
[Опроделоимо платности I м»трицы м пари«т»«тм ПКМ |
-'(механические испытания]
I Пр»д«л прочности м I [модуль Юнгл пр» P'CTmttHHHl
(мр*<
ыдтиц CKTj
(*У
Морфалымя ПКМ и и*м*н«ннл надмолекулярной структуры под влияним наполнителя
Чриеологические испытания]
[Триб ото книч*«ки« идрисгористики ]
светорассеяние
J РЕЛ^САЦИОННАЯ Ї 1 СПЕКТРОМЕТРИЯ J
(PaiwpM ч*<тицСКГ)
-|НАНОУРОВЕНЬ |
Спектры інутреннеге трения
Пимэмнчвскя» яямгоупругмо іаропорястмки
Фыооый смт СКГм ПКМ V
1 Кристаллическая структура СКГ и ПКМ J
I " Шраметры 1
[ир иста я пмч«« кем powwmj
Средыии pamop кристаяпитое
«ер истая личности)
Рис. 1. Комплекс методов экспериментальных
исследований, применяемых в работе. ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия; РЭМ - растровая электронная микроскопия; РСА - рентгеноструктурный анализ
1. Доказано, что спекание
ПТФЭ, модифицированного
скрытокристаллическим графи
том, в условиях ограничения
теплового расширения в на
правлении прессования повы
шает эффективность структур
ной модификации за счет уси
ления контактного взаимодей
ствия на границе «полимер -
наполнитель», ограничения мо
лекулярной подвижности, из
менения параметров и морфо
логии надмолекулярной струк
туры.
2. На основе функции Про-
ни разработана реологическая
модель ПТФЭ в виде темпера-
турно-временной зависимости
модуля сдвига. Модель может
использоваться для расчета на
пряженно-деформированного состояния ПТФЭ при моделировании процес
сов синтеза материалов и эксплуатации изделий.
3. Разработана конечно-элементная математическая модель напряженно-деформированного состояния спекаемого дисперснонаполненного ПТФЭ, позволяющая изучать особенности контактного взаимодействия частиц полимера и среднедисперсных высокомодульных наполнителей, определяющие проявление наполнителем структурной активности при различных режимах спекания.
Практическая значимость.
-
Достигнуто повышение механических и триботехнических свойств ПТФЭ, наполненного полидисперсным СКГ, путем ограничения теплового расширения при спекании.
-
Установлена оптимальная концентрация наполнения ПТФЭ скрытокристаллическим графитом и разработаны рекомендации по технологии синтеза данных материалов для металлополимерных трибосистем (используются при проектировании узлов трения изделий микрокриогенной техники, что подтверждено актом внедрения Омского Научно-технического комплекса «Криогенная техника»).
-
Математическая модель напряженно-деформированного состояния спекаемого дисперснонаполненного ПТФЭ позволяет прогнозировать влия-
ниє ограничения теплового расширения на параметры контактного взаимодействия матрицы и наполнителя при разработке технологий синтеза ПКМ с различными высокомодульными наполнителями средней дисперсности.
4. Разработанная реологическая модель ПТФЭ в виде температурно-временной зависимости модуля сдвига, может применяться для определения параметров процессов релаксации и ползучести полимера при прогнозировании надежности элементов металлополимерных трибосистем. Защищаемые положения и результаты:
J. Повышение эффективности структурной модификации ПТФЭ скры-токристаллическим графитом проявляется в улучшении его механических и триботехнических свойств и достигается выбором оптимальной концентрации графита (10 -г 17) масс. % и спеканием материала в условиях ограничения теплового расширения в направлении прессования.
-
Ограничение теплового расширения при спекании материала приводит к усилению контактного взаимодействия на границе «полимер-наполнитель», ограничению молекулярной подвижности, изменению параметров и морфологии надмолекулярной структуры, в результате чего, по сравнению со свободным спеканием, модуль Юнга, предел прочности при растяжении и износостойкость материала увеличиваются в среднем на (5-20)%.
-
Математическая конечно-элементная модель напряженно-деформированного состояния спекаемого дисперснонаполненного ПТФЭ позволяющая оценивать параметры контактного взаимодействия матрицы и наполнителя при различных режимах спекания.
-
Реологическая модель ПТФЭ в виде температурно-временной зависимости модуля сдвига, позволяющая учитывать вязкоупругие свойств полимера при расчете его напряженно-деформированного состояния.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (г. Омск, 1999 г.); на Международной научно-технической конференции «Современные проблемы транспортного строительства, автомобилизации и высокоинтеллектуальные научно-педагогические технологии» (Омск, 2000 г.); на Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-2000» (Москва, 2000 г.); на 24 Международной конференции и выставке «Композиционные материалы в промышленности» (Ялта, 2004 г.); на Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (Томск, 2006); на VI Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (г. Омск, 2007г.); публиковались в материалах Международных симпозиумов по трибологии NORDTRIB 2002 (Stockholm, Sweden, 2002) и NORDTRIB 2004 (Tromso, Harstad, Hurtigruten, 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 5 работ в 4 журналах, входящих в перечень рецензируемых изданий, рекомендованных ВАК для опубликования материалов диссертационных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Работа содержит 141 страницы основного текста, включая 59 рисунков и 10 таблиц; список литературы (149 наименований) на 14 страницах; 1 приложение на 1 странице. Всего 156 страниц.
