Введение к работе
Актуальность работы: Необходимость использования новых полимерных материалов в современных машинах и механизмах с каждым годом становится более актуальной в свете проблем, возникающих при использовании традиционных материалов, обладающих недостаточно удовлетворительными эксплуатационными характеристиками. Создание новых образцов техники предъявляет к материалам повышенные требования по несущей способности, термо-, износо-, химической стойкости и т.д. Наряду с применением новых материалов эффективным может быть комбинированное использование традиционных материалов для обеспечения долговечности и надежности техники. В настоящее время особый интерес для решения проблемы преждевременного выхода из строя узлов трения механизмов и машин представляют полимерные композиционные материалы (ПКМ), обладающие свойством самосмазываемости и структурной приспосабливаемости в процессе функционирования.
В условиях Крайнего Севера, где большую часть годичного цикла техника эксплуатируется в условиях низких температур, наиболее привлекательными являются ПКМ на основе морозостойких полимеров. Среди таких полимеров политетрафторэтилен (ПТФЭ) занимает особое положение, благодаря своему широкому интервалу рабочих температур, химической инертности, агрессивостойкости, низкому коэффициенту трения и способности функционировать в условиях отсутствия смазки.
С другой стороны этот материал не является идеальным в эксплуатации из-за текучести и малой износостойкости. Именно повышение износостойкости ставится главной задачей создания новых машиностроительных триботехнических материалов на основе ПТФЭ. В настоящее время широко ведутся исследования по разработке новых методов модифицирования ПТФЭ с целью улучшения его эксплуатационных характеристик.
Изучение закономерностей влияния моторных масел и технологических особенностей получения ПКМ на процессы формирования и изнашивания композитов, выявление взаимосвязи их физико-механических и триботехнических характеристик со структурой позволит управлять необходимыми свойствами материалов.
Связь работы с крупными научными программами: в основу диссертации включены результаты исследований по следующим научно-исследовательским программам: «Физико-химические основы создания полимерных композиционных материалов с заданными свойствами» - программа РАН «Новые металлические, полимерные, композиционные материалы, конструктивная керамика, силикатные материалы, в том числе с использованием оксидов, нитридов, карбидов» на 1999-2001 гг. (гос. рег. № 01.99.0001618), «3.14. Новые металлические, полимерные, композиционная керамика, силикатные материалы, в том числе с использованием оксидов, нитридов, карбидов» - программа СО РАН «Физико-химические основы создания полимерных композиционных материалов с заданными свойствами» на 2002-2004 гг. (гос. рег. № 01.200.200048), «8.2. Физико-химические основы технологий создания композиционных материалов и неразъемных соединений с заданными механическими и теплофизическими свойствами на металлической, керамической и полимерной основах» - программа СО РАН 8.2 ПСО №79 от 06.03.2003 «2.2.4. (8.2.4) Исследование механизмов формирования и управления свойствами полимерных композитов и создание материалов технического назначения» на 2004-2006 гг. (гос. рег. № 0120.0408281), Президиума РАН темы 8 «Проблемы деформирования и разрушения структурно-неоднородных сред и конструкций» по направлению 2.2.4 СО РАН на 2001-2004 гг., РФФИ Арктика №03-03-96019 «Исследование механизмов формирования и функционирования нанокомпозитов с управляемыми и адаптивными к условиям эксплуатации свойствами», 2003-2005 гг., РФФИ « Исследование закономерностей изнашивания и трения полимерных нанокомпозитов», 2006-2008; РФФИ р_восток_а №09-03-98502 «Разработка высокопрочных, морозо- и износостойких полимерных композиционных материалов на основе нанотехнологий», 2009-2011 гг; «5.2.1.1. 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. рег. № 01.2.00705098); «5.2.1.1. Создание и исследование композиционных материалов технического назначения, предназначенных для продолжительной работы при естественно-низких температурах» на 2010-2012 гг.
Цель работы - исследование закономерностей формирования и функционирования полимерных композитов на основе ПТФЭ, модифицированных моторными маслами, и разработка материалов машиностроительного назначения и технологии их получения.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
-
Исследование процессов структурообразования маслонаполненных ПКМ и ее взаимосвязи с триботехническими свойствами.
-
Исследование структуры поверхностей трения ПКМ с учетом влияния компонентов моторного масла на процессы их формирования.
-
Разработка технологических приемов жидкофазного наполнения пористых заготовок на основе ПТФЭ моторными маслами.
-
Установление характера изменения механических и триботехнических характеристик ПКМ в зависимости от природы жидкой смазки, концентрации минеральных наполнителей, удельного давления прессования заготовок, а также от температуры и времени пропитки полимерной заготовки моторными маслами.
-
Разработка новых материалов на основе ПТФЭ с эффектом самосмазывания, обладающих повышенной износостойкостью и нагрузочной способностью.
-
Опытно-промышленная апробация разработанных ПКМ и технологий получения из них деталей для узлов трения.
Научная новизна и значимость полученных результатов. Установлены закономерности формирования и последующего функционирования ПКМ, модифицированных моторными маслами, заключающиеся в: 1) образовании кислородсодержащих соединений при окислении жидкой смазки, создающих благоприятные условия для формирования эффективных и работоспособных поверхностных слоев, предохраняющих ПКМ от износа; 2) формировании стабильной и прочной пленки переноса на поверхности контртела; 3) участии компонентов моторного масла в процессах структурообразования полимера; 4) реализации эффекта самосмазывания изделий из ПКМ при трении.
Раскрыта роль технологических особенностей получения ПКМ, модифицированных моторными маслами, на их структуру и свойства. Показано, что модифицирование ПТФЭ моторными маслами изменяет механизм кристаллизации связующего, что приводит к улучшению физико-механических и триботехнических характеристик.
Достоверность полученных результатов обеспечивается воспроизводимостью экспериментальных данных, полученных с 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. Разработана технология получения новых антифрикционных материалов на основе ПТФЭ с эффектом самосмазывания, обладающих повышенной износостойкостью и несущей способностью.
На разработанный способ получения износостойкой композиции с использованием моторного масла имеется патент РФ №2421480, бюлл. №7 от 10.03.2011.
Из разработанных материалов изготовлены подшипники скольжения, используемые в дизельном двигателе 3Д6, что позволило произвести замену втулок из дорогостоящего цветного металла. Разработанные материалы опробованы также в качестве опорно-направляющих колец для гидроцилиндров буровых машин.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
механизм формирования структуры масломодифицированных ПКМ, заключающийся в участии компонентов жидкой смазки наряду с частицами твердофазных наполнителей в процессах структурообразования полимера и их роль в контактном взаимодействии при трении, заключающаяся в образовании ориентированных поверхностных структур, предохраняющих материал от изнашивания;
закономерности влияния технологических особенностей получения ПКМ, модифицированных моторными маслами, на их структуру и свойства;
закономерности формирования структуры масломодифицированных ПКМ в зависимости от содержания жидко- и твердофазных компонентов.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на III-IV-V Евразийских симпозиумах по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (г. Якутск, 2006, 2008, 2010 гг.), Международной научно-технической конференции "Поликомтриб" (г. Гомель, 2005, 2009, 2011 гг.), международной научно-практической конференции «композиционные материалы в промышленности» (Славполиком, 2008-2011 гг.), научной конференции студентов и молодых ученых "IX, XII, XIII Лаврентьевские чтения" (г. Якутск, 2005-2010 гг.), IV Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в 3-м тысячелетии» (г. Томск, 2009 г.), Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Создание новых материалов для эксплуатации в экстремальных условиях» (г. Якутск 2010 г.), XXI Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения» (МИКМУС-2009, Москва), IX Международном симпозиуме по развитию холодных регионов (ISCORD-2010, Якутск), XV-XVI Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (г. Москва, 2008-2009 гг.).
Публикации. Основные положения и результаты исследований отражены в 23 научных работах: в 8 статьях в научных журналах, в том числе 6 в рецензируемых журналах ВАК, 2 международных журналах, 15 тезисах докладов на научно-технических конференциях, 1 патенте РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 108 наименований и приложения. Полный объем диссертации составляет 127 стр., включая 17 рисунков и 21 таблицу.
