Введение к работе
Актуальность работы. Создание новых конструкционных материалов обусловлено постоянно растущими требованиями к эксплуатационным характеристикам машин и механизмов. Одним из решений данной проблемы является замена традиционных полимерных композитов на наноматериалы, содержащие в своем составе нанокомпоненты с различными механизмами действия на полимерную матрицу, обусловливающие приспосабливаемость материалов к внешним воздействиям и обеспечивающие оптимальные служебные характеристики.
В нанокомпозитах наночастицы взаимодействуют с полимерной матрицей не на макро- (как в случае с композиционными материалами), а на молекулярном уровне. Вследствие такого взаимодействия образуется композиционный материал, обладающий высокой адгезионной прочностью полимерной матрицы к наночастицам. Следует отметить, что нанокомпозиция имеет упорядоченную внутреннюю структуру. Это обусловливает наличие в таких материалах специфического комплекса свойств, нетипичных для обычных композитов.
Дисперсные нанонаполнители (НН) значительно улучшают
триботехнические характеристики композита. Однако вследствие развитой удельной поверхности и высокой поверхностной активности нанонаполнителей, введение их в полимерную матрицу и равномерное распределение в ней достаточно сложно осуществить технологически. Одним из способов решения данных проблем является применение технологий, позволяющих сохранить уникальные свойства нанонаполнителей.
Изучение закономерностей влияния нанопорошков на процессы формирования композитов, их физико-механические и триботехнические характеристики позволит управлять служебными свойствами материалов, что в свою очередь является одной из актуальных задач современного материаловедения.
Связь работы с крупными научными программами: в основу диссертации включены результаты исследований по следующим научно-исследовательским программам: по направлениям СО РАН 2.2.4 «Исследование механизмов формирования и управления свойствами полимерных композитов и создание материалов технического назначения» на 2004-2006 гг. (гос. per. № 0120.0408281); 19.2. «Создание и прогнозирование изменений физико-механических свойств полимерных композиционных материалов для использования в технологических системах и технике нефтегазовой отрасли регионов холодного климата» на 2007-2009 гг. (гос. per. № 01.2.00705098); РФФИ Арктика 03-03-96019 «Исследование механизмов формирования и функционирования нанокомпозитов с управляемыми и адаптивными к условиям эксплуатации свойствами», 2003-2005 гг.; РФФИ 06-08-00931 «Исследование закономерностей изнашивания и трения полимерных нанокомпозитов» 2006-2008гг.; проект Президиума РАН 4.12.3. «Исследование процессов трения и изнашивания полимерных материалов» 2006-2008 гг.; проект отделения РАН 8.13. «Разработка физико-химических принципов создания многокомпонентных полимерных нанокомпозитов на основе термопластов» 2006-2008 гг.; РФФИ 09-03-98502-р_восток_а «Разработка высокопрочных, морозо- и
износостойких полимерных композиционных материалов на основе нанотехнологий» 2009-2011 гг.; РФФИ 09-03-98504-р_восток_а «Разработка самоорганизующихся полимерных нанокомпозитов на основе природного минерального сырья» 2009-2011 гг.
Целью диссертационной работы является исследование механизмов формирования и управления свойствами полимерных композитов и создание материалов триботехнического назначения на основе политетрафторэтилена и наноструктурных оксидов алюминия и магния.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
установление закономерностей структурообразования полимерных нанокомпозитов в зависимости от содержания, фазового состава нанонаполнителей и технологии получения полимерного композиционного материала (ПКМ) с учетом межфазной адгезии;
исследование деформационно-прочностных, триботехнических,
теплофизических, структурных и вязко-упругих характеристик нанокомпозитов в зависимости от природы и содержания нанопорошков;
установление закономерностей образования структуры поверхностей трения ПКМ на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), модифицированного нанопорошками оксида алюминия и магния с учетом структуры в объеме материала и на поверхностях трения;
разработка машиностроительных антифрикционных материалов для изготовления деталей узлов трения машин и техники с высоким уровнем эксплуатационных характеристик.
Научная новизна и значимость полученных результатов.
Определены закономерности структурообразования ПТФЭ под действием наночастиц в волокнах оксидов алюминия и магния. Показано, что при модификации ПТФЭ оксидами алюминия и магния происходит коренная реорганизация структуры полимера. Установлено, что частицы наполнителя служат центрами кристаллизации, от которых идет рост сферолитных образований, размеры и геометрия которых зависят от содержания, химической природы, фазового состава НН.
Установлены закономерности формирования структуры поверхностей трения нанокомпозитов на основе ПТФЭ, наполненных волокнистыми оксидами алюминия и магния. Показано, что снижение скорости массового изнашивания ПКМ связано с текстурированием поверхностных слоев, приводящему к их переориентации по направлению скольжения. На поверхности трения формируется сетчатая структура, образованная наночастицами с фрагментами трибораспада ПТФЭ, экранирующая поверхностный слой композита от разрушения.
Разработаны новые рецептуры материалов, применяемых для изготовления деталей узлов трения машин и техники, эксплуатируемых в широком интервале температур и нагрузок, превосходящих по своим эксплуатационным характеристикам известные аналоги.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением стандартных методов испытания ПКМ на современном оборудовании,
использованием тонких инструментальных методов анализа и соответствием результатов лабораторных и опытно-промышленных испытаний. Практическая значимость полученных результатов.
Разработаны рецептуры износостойких полимерных композиционных наноматериалов, отличающиеся высокими деформационно-прочностными и триботехническими характеристиками, позволяющие повысить ресурс узлов трения техники и технологического оборудования.
На разработанные материалы получен патент РФ № 2329279 «Антифрикционная полимерная композиция» от 20.07.2008.
Из разработанных материалов изготовлены подшипники скольжения для конденсатного насоса КС-20-30 для тепловых сетей ЯТЭЦ с ожидаемым экономическим эффектом 5 тыс. руб. на один подшипник.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
закономерности формирования структуры ПКМ в зависимости от содержания и фазового состава нанопорошков;
закономерности формирования структуры поверхностей трения композиционных материалов на основе ПТФЭ в зависимости от содержания НН, базирующиеся на следующих экспериментально установленных результатах: поверхность нанокомпозита в процессе трения обогащается частицами наполнителя, которые участвуют в формировании высокоориентированных структур, защищающих поверхностный слой ПКМ от износа;
новые составы машиностроительных материалов триботехнического назначения на основе ПТФЭ и нанопорошков оксидов алюминия и магния, с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на международных конференциях: "Поликомтриб-2007", "Поликомтриб-2009", "Поликомтриб-2011" (г. Гомель), II Всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО-2007» (г. Новосибирск, 2007 г.), Международной конференции "Композиционные материалы в промышленности "Славполиком" (г. Ялта, 2006, 2011 г.), III-IV Евразийских симпозиумах по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (г. Якутск, 2006, 2008 гг.); Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения МИКМУС (г. Москва, 2007, 2009); Всероссийской конференции по макромолекулярной химии (г. Улан-Удэ, 2008 г.); XI международной научно-практической конференции «Химия - XXI век: новые технологии, новые продукты» (г. Кемерово, 2008); Всероссийской конференции «Физико-химические аспекты технологии наноматериалов, их свойства и применение» (г. Москва, 2009); научных конференциях студентов и молодых ученых "IX, XI, XII, XIII Лаврентьевские чтения" (г. Якутск, 2005, 2007, 2008, 2009 гг.); XV, XVI международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (г. Москва, 2008-2009 гг.), Международном Российско-Китайском симпозиуме Modern materials and technologies (Харбин, 2010; Хабаровск, 2011) и
ДР-
Опубликованность результатов. Основные положения и результаты исследований отражены в 44 научных работах: в 26 статьях в научных журналах и
сборниках трудов конференций, в том числе, 4 в рецензируемых журналах ВАК, 17 тезисах докладов на научно-технических конференциях, 1 патенте РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 120 наименований и приложения. Полный объем диссертации составляет 119 стр., включая 45 рисунков и 15 таблиц.
