Введение к работе
Актуальность работы: Основным направлением в создании машиностроительных триботехнических материалов на основе полимеров является снижение износа и коэффициента трения при сохранении достаточно высоких физико-механических показателей материала, обеспечивающих работоспособность узла трения в тех или иных условиях эксплуатации, в том числе и при естественно низких температурах.
Материалы на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) до настоящего времени остаются единственными, которые способны сохранять упруго-эластические свойства, необходимые для обеспечения работоспособности узлов трения при высоких нагрузках и скоростях скольжения. Модификация связующего различными наполнителями позволяет сохранить индивидуальные свойства СВМПЭ и одновременно придать ему новые качества: высокие износостойкость и несущую способность.
В последние годы в качестве связующих для антифрикционных материалов широко применяются смеси полимеров. Для улучшения структуры, механических свойств материалов и обеспечения прочных адгезионных связей на границе раздела фаз используют сочетание близких по химической природе полимеров, что сопровождается уменьшением межфазного натяжения и реализацией в гетерогенных системах сегментальной совместимости полимеров.
Изучение закономерностей влияния нанонаполнителей и технологических факторов на процессы формирования композитов, их физико-механические и триботехнические характеристики позволит управлять служебными свойствами материалов, что является одной из важных проблем 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. рег. № 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. рег. № 01.2.00705098); Президиума РАН темы 8 «Проблемы деформирования и разрушения структурно-неоднородных сред и конструкций» 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» 06-08-00931 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 нанокомпозитах на основе термопластов» 2006-2008 гг.
Цель работы - исследование закономерностей формирования и изнашивания, полимерных нанокомпозитов на основе СВМПЭ и смесей фторопластов, модифицированных наношпинелями, и разработка на их основе машиностроительных триботехнических материалов.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
разработка технологии совмещения СВМПЭ, смесей фторопластов с наномодификаторами;
исследование деформационно-прочностных, триботехнических характеристик и структуры композитов в зависимости от концентрации и химической природы нанонаполнителя;
установление закономерностей формирования наполненной полимерной системы в зависимости от химической природы и концентрации нанонаполнителя с учетом термодинамики межфазного взаимодействия в композитах;
установление закономерностей изнашивания композитов на основе СВМПЭ и смесей фторопластов, модифицированных нанонаполнителями с учетом структуры и элементного состава поверхностей трения;
разработка машиностроительных триботехнических материалов для узлов трения машин и технологического оборудования с улучшенными эксплуатационными характеристиками, в том числе обеспечивающими их надежную эксплуатацию в условиях холодного климата.
Научная новизна и значимость полученных результатов.
Разработана методология совмещения компонентов композита, заключающаяся в применении термодинамически совместимых с политетрафторэтиленом (ПТФЭ) полимерных наполнителей, усиливающих межфазное взаимодействие в многокомпонентной системе, и нанодисперсных шпинелей (НШ).
Установлено, что, варьируя концентрацию наномодификатора и полимерного наполнителя, можно управлять прочностными и триботехническими свойствами полимерных композиционных материалов (ПКМ).
Впервые определены закономерности структурообразования в СВМПЭ и смесях фторопластов, модифицированных нанонаполнителями. Показано, что НШ изменяют скорость кристаллизации СВМПЭ и ПТФЭ в зависимости от их природы, концентрации. Выявлена взаимосвязь структуры со свойствами ПКМ. Это позволяет направленно формировать надмолекулярную структуру связующего и получать материалы с оптимальным сочетанием прочностных и триботехнических характеристик.
Установлены закономерности изнашивания СВМПЭ и ПТФЭ, модифицированных НШ, заключающиеся в участии наполнителей в формировании высокоориентированных структур на поверхности трения. Показано образование на поверхности трения композитов структурных образований со значительным содержанием частиц нанонаполнителя, экранирующих поверхностный слой от разрушения. Это приводит к снижению коэффициента трения и повышению износостойкости ПКМ.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением стандартных методов испытаний ПКМ на современном оборудовании, которое характеризуется высоким уровнем точности измерений, а также соответствием результатов лабораторных и опытно-промышленных испытаний.
Практическая значимость полученных результатов. Разработаны рецептуры износостойких полимерных композиционных материалов, отличающиеся высокими деформационно-прочностными и триботехническими характеристиками, позволяющие повысить ресурс узлов трения техники и технологического оборудования.
На разработанные составы ПКМ, применяемых для узлов трения, получены Патент РФ №2296139 «Антифрикционная полимерная композиция» и положительное решение о выдаче Патента РФ «Полимерная композиция триботехнического назначения» от 10.11.2008 г.
Из разработанных материалов изготовлены подшипники скольжения для конденсатного насоса КС-20-30 Якутской ТЭЦ, а также манжеты, сальники тормозных цилиндров, пыльники подшипникового узла ступицы для автомобилей КАМАЗ, УАЗ, ЛИАЗ, работающие в интервале температур от -50ОС до +50ОС (ООО «Нордэласт»).
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
закономерности формирования структуры ПКМ в зависимости от химической природы, концентрации и времени активации нанонаполнителей с учетом термодинамики межфазного взаимодействия;
закономерности изнашивания композиционных материалов на основе СВМПЭ, смесей фторопластов и наношпинелей в зависимости от химической природы и времени активации нанонаполнителей, базирующиеся на следующих экспериментально установленных процессах: поверхность полимерной детали 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 СВМПЭ, смесей фторопластов и наношпинелей, с улучшенными физико-механическими и триботехническими характеристиками.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на Международных конференциях:"Поликом-2003, Поликомтриб-2005», «Поликомтриб-2007» (г. Гомель); XXIY, XXV и XXVII межд. конф. « Композиционные материалы в промышленности. Славполиком» (г. Ялта, 2004, 2005, 2007 гг.); II и III, IV Евразийских симп. «Eurоstrencold» по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (г. Якутск, 2004, 2006, 2008 гг.); V International Conference on Mechanochemistry and Mechanical Alloying INCOME – 2006 (Novosibirsk, 2006 г.); 7-й всероссийской конф. «Химия фтора»(Москва, 2006); IV межд. симп. по наноматериалам и II Всероссийской конф. по наноматериалам (г. Новосибирск, 2007г.); межд. конф. «Полифункциональные наноматериалы и нанотехнологии» (Томск, 2008); I межд. конф. «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества» (Суздаль, 2008 г.); I межд. Форуме по нанотехнологиям (Москва, 2008).
Опубликованность результатов. Основные положения и результаты исследований отражены в 32 научных работах, в том числе 5 статьях в научных журналах, 17 докладах в сборниках трудов конференций, 7 тезисах докладов на научно-технических конференциях, 2 патентах РФ, 1 положительном решение о выдаче Патента РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 125 наименований и 1 приложения. Полный объем диссертации составляет стр.115, включая 26 рисунков и 15 таблиц, 4 приложения.
