Введение к работе
Актуальность работы. Интенсивное развитие современной техники
способствовало расширению применения тепло- и термостойких полимеров,
обладающих высокими деформационно-прочностными характеристиками,
длительной работоспособностью в широком интервале температур, стойкостью
к воздействию агрессивных сред. Одним из перспективных термостойких
полимеров конструкционного назначения является ароматический полиамид
фенилон, имеющий длительную эксплуатацию до температуры 260 С,
уступающий по прочности лишь лучшим маркам армированных пластиков.
Однако переработка фенилона в изделия имеет некоторые сложности,
связанные с повышенной жесткостью макромолекул и сильным
межмолекулярным взаимодействием, обусловливающими низкую
деформируемость и текучесть в области температур размягчения, близких к температуре деструкции, что сужает температурный интервал его переработки, требует приложения высоких давлений (до ЮОМПа при горячем прессовании) и приводит к ограничению размеров изделий.
При модификациии фенилона различными видами наполнителей, особенно термодинамически значительно отличающихся от фенилона, возникают проблемы, связанные с недостаточной адгезионной прочностью между матрицей-фенилоном и наполнителем, которые снижают прочностные характеристики и теплостойкость композитов тем больше, чем выше их содержание. Применяемые способы механической активации, химической и физической модификации матрицы незначительно улучшают межфазную адгезию и требуют использования сложного дорогостоящего оборудования, увеличивая длительность переработки фенилона, не облегчая его перерабатываемость. Поэтому повышение адгезионной прочности между фенилоном и наполнителем является актуальной задачей при создании композитов с высокими служебными свойствами.
Решение этих проблем требует перехода к новым технологиям с выполнением обязательных требований по экологической чистоте, мало- и безотходности производства. В данной работе как перспективный метод обработки трудноперерабатываемых термостойких порошковых полимеров, в том числе фенилона, и их композиций применяется взрывное прессование (ВП), которое обеспечивает формование, термодинамическую активацию, деформацию и структурную модификацию порошков, не требуя дорогостоящего оборудования. Однако практически нет работ, посвященных взрывному воздействию на аморфные термически некристаллизующиеся полимеры, к которым относится и термостойкий фенилон. Кроме того, в зависимости от особенностей структуры и термостойкости полимера необходим выбор параметров ВП, благоприятно влияющих на его структуру и свойства, не допускающих изменений в химической структуре, отрицательно влияющих на свойства. Успешное решение этих вопросов требует комплексного изучения и позволит разработать технологический процесс ВП термостойкого фенилона и
его композитов, управлять их структурой и свойствами при производстве изделий с повышенными служебными свойствами.
Актуальность выбранной темы диссертационного исследования подтверждается её выполнением в соответствии с заданиями тематических планов НИР Минобразования РФ (2003-2008 г.г.), Грантов Минобразования РФ «Фундаментальные исследования в области технических наук (машиностроение)» (2002-2003 г.г., Т02-06.2-482) и Роснауки в рамках федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники» (2006г., ГР. 01200611733).
Цель работы: Создание полимерных композиционных материалов на основе термостойкого фенилона повышенной теплостойкости и прочности путем применения взрывного прессования с изучением влияния взрывного и термического воздействий на их структуру и свойств.
Задачи исследования:
Выбор схем и рациональных параметров ВП фенилона СЗ и его композитов с наполнением до 60% фторопластом-4 (Ф-4) и медью.
Исследование влияния режимов последующего спекания на формирование структуры и свойств фенилона и его композитов с Ф-4.
Исследование структурных изменений фенилона СЗ и его композитов при взрывной обработке и последующем спекании, их влияния на физико-механические свойства получаемых материалов.
Исследование и анализ механических, термомеханических, антифрикционных и термических свойств фенилона СЗ и его композитов с Ф-4 и медью в сравнении с аналогичными после статического и горячего прессования.
Разработка практических рекомендаций по применению взрывной обработки для получения материалов из фенилона и его композиций с учетом выявленных закономерностей.
Научная новизна работы: состоит в выявлении особенностей формирования структуры фенилона и его композитов с Ф-4 и медью в зависимости от схем и параметров взрывного прессования, вида и содержания наполнителя, режима последующего спекания, что обеспечивает повышение их деформационно-прочностных и теплофизических свойств.
S Установлено, что взрывное прессование аморфных фенилонов способствует их кристаллизации и ее интенсификации при последующем спекании, что позволяет получать материалы непосредственно на стадии их изготовления в изделия с формированием требуемой упорядоченной структуры и заданных свойств.
S Выявлено, что спекание заготовок из ПКМ с 20-60% содержанием Ф-4 в условиях ограничения теплового расширения снижает уровень внутренних напряжений после ВП, обеспечивая их релаксацию, что препятствует хрупкому разрушению материалов.
S Обнаружено влияние высококристаллического Ф-4 на формирование структуры ПКМ, что проявляется в упрочнении матрицы из стеклообразного фенилона с более существенным увеличением его твердости при ВП в ампуле
(535МПа), чем скользящей ударной волной (ЗЗОМПа) и способствует повышению теплостойкости композитов до 365 С, а изменение вида матрицы (при 60%Ф-4) вызывает ее снижение.
S Установлено, что взрывное прессование металлополимерных композитов фенилона СЗ с медью (до 50%) или ее смесью с Ф-4 снижает окисление меди при последующем спекании, повышает теплопроводность материалов в 180-200 раз, теплостойкость до 380-400 С и прочность при сжатии до 190-200 МПа, что обусловлено лучшим адгезионным взаимодействием между полимером и металлом с образованием новых фаз и подтверждается снижением интенсивности пиков Ф-4 и оксидов на дифрактограммах композитов.
Практическая ценность:
Доказано, что взрывным прессованием заготовок из фенилона СЗ и ПКМ с содержанием Ф-4 до 60% давлениями 0,7-1,ЗГПа с последующим спеканием достигнуто повышение физико-механических и эксплуатационных свойств фенилона и композиционных материалов на его основе.
Полученные результаты диссертационного исследования позволили разработать научно-обоснованные практические рекомендации технологических процессов получения с помощью взрывного прессования полимерных материалов и изделий антифрикционного назначения на основе фенилона с повышенными служебными свойствами.
Результаты работы позволяют расширить области применения фенилона СЗ и его композитов с Ф-4 и металлами в качестве конструкционных и антифрикционных материалов с повышенной тепло-, термостойкостью и теплопроводностью, предназначенных для применения в машиностроительном оборудовании в виде узлов трения, уплотнительных систем и теплопроводящих изделий.
Достоверность результатов обеспечена использованием современных
методов исследования структуры и свойств материалов, таких как оптическая
микроскопия (микроскоп Olympus 61ВХ), рентгеноструктурный (дифрактометр
ДРОН-3), дифференциально-термический, термогравиметрический
(дериватограф Q-1500), термомеханический (установка ТМИ-1) анализы, инфракрасная спектроскопия (Фурье-спектрометр Nicolet-5700), а также специальных методов лабораторного контроля физико-механических свойств материалов.
Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы были представлены на Международных симпозиумах «Композиты XXI века» (г.Саратов, 2005 г.); «Использование энергии взрыва для получения материалов с новыми свойствами» (Москва, 2006 г.); на Международных конференциях «Новые материалы и технологии» (Москва, 2004 г.); «Новые перспективные материалы и технологии их получения НПМ-2007» (г. Волгоград, 2007 г.); «Композит-2007» (г. Саратов, 2007 г.); на Всероссийских научно-технических конференциях «Прогрессивные технологии в обучении и производстве» (г. Камышин, 2005, 2006, 2008 г.); на IX, X, XII и XII Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (г. Волгоград, 2004-2008гг.);
на ежегодных научных конференциях Волгоградского государственного технического университета (г. Волгоград, 2007-2009 гг.).
Публикации: По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 3 статьи в российских периодических рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы, изложена на 190 страницах, включая 39 таблиц, 86 рисунков и список использованной литературы из 168 наименований.
Похожие диссертации на Создание антифрикционных композиционных материалов на основе фенилона с помощью взрывной обработки
