Введение к работе
з
Актуальность работы. Развитие машиностроения предопределяет постоянное повышение эксплуатационных свойств материалов, что делает чрезвычайно актуальной проблему получения наиболее перспективных по многим показателям металлополимерных композитов и изделий, примене-іше которых должно быть значительно расширено. Анализ исследопаїшй в этой области свидетельствует о приоритетном развитии полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе термопластичных, особенно термостойких полимеров, высокие физико-мехшшческис свойства которых могут быть достигнуты регулированием взаимодействия на границе полимер- наполнитель в процессе их формирования. Эффективно влияние на структуру и свойства ПКМ высокоэнергетических термомеханических воздействий, приводящих к активации адгезионного взаимодействия компонентов, что требует интенсификации исследований по разработке прогрессивных нетрадиционных процессов получегага новых материалов.
В связи с этим перспективным является применение взрывной обработки - нового технологического способа воздействия на материалы, обеспечивающего реализацию одновременно высоких давлений, скоростей на-гружения, температур, приводящих к активации вещества. Научные исследования и технологические разработки в этой области посвящены в основном металлическим, керамическим порошкам и неорганическим соединениям, в меньшей мере органическим веществам, в том числе полимерам. В создании новых материалов на основе металлов и термопластов ударно-волновая обработка (УВО) - иногда единственно приемлемый способ получения композитов из веществ с резко различающимися свойствами не нашла достойного применения из-за недостаточной изученности процесса взрывного прессования дисперсных полимеров и их композиций, закономерностей ударно-волнового воздействия на структуру, адгезионные, прочностные свойства термопластов. Решение этих вопросов, требующих комплексного изучения, позволит разработать научные основы технологических процессов взрьшной обработки порошковых полимеров, управлять их структурой и создать новые перспективные ПКМ и изделия с повышенными служебными свойствами.
Актуальность работы подтверждается тем, что материалы диссертации являются результатом исследований, проводимых автором в соответствии с Координациошшм планом Госкомитета СМ СССР по проблеме 0.72.01, Общесоюзной программой по решению научно-технической проблемы 0.08.17 «Порошковая металлургия» (1985-1991) и научно-
техническими программами Минобразования и Миннауки по приоритетным направлениям развития науки и техники: «Конструкциошше материалы со специальными свойствами» (1989-1995), «Новые полимерные материалы» (1992-1995), «Наукоемкие технологии» (1991-1998), «Вторичная переработка полимеров» (1992-1993), «Университеты России» (1993-1995), «Перспективные материалы» (1998-2000); двумя грантами но фундаментальным исследованиям в области технологии производства авиакосмической техники, раздел «Конструкционные материалы», межвузовской инновационной научно-технической программой «Развитие инновационной деятельности в вузах России», подпрограмма «Исследования в области порошковой металлургии» (1992-94) и более 30 хозяйствешшми договорами с предприятиями, КБ и НПО.
Цель работы. Создание научных основ ударно-волновой обработки порошков термопластичных полимеров и металлополимерных композиций, изучение особенностей фазовых превращений и структурообразования, приводящих к активации полимера под воздействием энергии взрыва, разработка и внедрение новых композиционных материалов и изделий с повышенными служебными свойствами, а также технологических процессов их получения.
Для достижения указанной цели в работе решены следующие задачи:
исследование структурных изменений при УВО дисперсных термопластических полимеров и их влияния на физико-механические и адгезионные свойства;
теоретическое обоснование прохождения в полимерной прессовке генерируемых ударной волной процессов дефектообразования структуры и механохимических реакций, оказывающих активирующее действие;
исследование влияния УВО на компактирование, ударно-волновую активацию и формирование свойств слоистых и наполненных ПКМ с учетом дисперсности, количества наполнителя и исходной пористости смеси;
- исследование взаимосвязи между параметрами УВО, физико-
химическими, адгезионными и реологическими свойствами полимеров и
создаваемых композшщонных материалов;
- разработка технологии сварки фторопластов через активированный
взрывом полимерный порошок для обеспечения равнопрочносги сварных
швов сложнопрофильных элементов и конструкций;
- разработка и внедрение комплексных технологий ютотовлешш
композкциошшх материалов и изделий различного функционального на
значения с применением активированных взрывом дисперсных полимеров,
металлов, тканей, керамики.
Научная новизна
1. Новым научным положением, направленным на раскрытие меха
низма формирования высокопрочных соединений в системе полимер-
полимер и полимер-металл является открытие процесса ударно-волновой
активации (УВА) дисперсных полимеров - нового в полимероведении мето
да управления структурой и свойствами термопластов и композиций на их
основе.
2. Предложена и экспериментально подтверждена механо-
химическая модель в виде системы микрореакторов, объясняющая механизм
УВА полимера в процессе его уплотнения, сопровождающегося дефектооб-
разованием, разрушением кристаллических и надмолекулярных структур,
механо-химическими реакциями макромолекул.
-
Установлена возможность регулирования реологических свойств, фазового состояния, температурных характеристик, энергии активации процессов термодеструкции полимеров в зависимости от их термостойкости и механизма структурного реагирования на высокоэнергетические воздействия изменением параметров УВО и исходной пористости прессовок.
-
Впервые установлены закономерности образования структурной химической и физической неоднородностей при взрывном нагружении плоской и скользящей ударными волнами порошков термопластов и их композиций с металлами и оксидами, что позволяет управлять процессами ком-пактирования, УВА и адгезионного взаимодействия.
-
Впервые в материаловедении мсталлополимеров теоретически обосновано и подтверждено экспериментально активирующее влияние УВО на межмолекулярное и адгезионное взаимодействие, вплоть до химического, неполярных термопластов Ф-4 и СВМПЭ, что способствует 3-6 кратному повышению прочности наполненных и слоистых ПКМ, получению равно-прочных сварных соединений фторопластов.
Новизна результатов подтверждена авторскими свидетельствами СССР и патентом РФ.
На защиту выносятся:
механо-химическая модель, раскрывающая механизм активации полимерной и металлической компонент при УВО наполненной или слоистой композиционной систем;
определение взаимосвязи между параметрами УВО, исходной пористостью полимерной и металлополимернои прессовок, структурой и физико-механическими свойствами получаемых материалов;
результаты теоретически обоснованных и экспериментально установленных структурных изменений при УВО полимеров и их влияния на процессы спекания и формирования адгезионных соединений;
методы управления процессами дефектообразования, совершенствования структуры, термодеструкции, величиной плотности в зависимости от термостойкости и физического состояния полимера, состава композиции, количества и дисперсности наполнителя;
методология создания комплексных технологических процессов получения ПКМ на основе трудноперерабатываемых и адгезионноинертных термопластов с применением взрывной обработки полимерных порошков, приводящей к его активации и повышению когезионнои и адгезионной прочности в соединениях полимер-металл;
технологические процессы ВП и УВА при производстве материалов и изделий из ПКМ на основе оптимизаций конструктивного построения схемы, параметров нагружения, состава и структуры наполненного и слоистого полимерных композитов, режимов термической обработки.
Достоверность результатов обеспечивается использованием совре-мешінх технических средств и методов исследования структуры и свойств материалов: рентгеноструктурного анализа (ДРОН-3), дифференциально-термического и термогравиметрического анализов (дериватограф Q-1500), термомеханических испытшшй, ИК-спектроскопии, оптической и электронной микроскопии, измерения твердости и микротвердости, исследования шероховатости, физических, механических свойств и определения прочности соединения покрытий с металлами, измерительно-вычислительных комплексов для определения параметров взрывной обработки и триботехниче-ских испытаний; она подтверждается также успешной реализацией разработанных материалов в промышленности.
Практическая значимость работы состоит в том, что новая взры-во-термическая технология позволяет расширить области применения ПКМ на основе порошков неплавких полимеров и их металлополимерных композиций в изделиях машиностроительного назначения в качестве антифрикционных, коррозионостойких, криогеностойких и термостойких. Обоснована эффективность промышленного применения активированных полимерных порошков при изготовлении наполненных и слоистых композитов и изделий с высокими прочностными и служебными характеристиками, а также при сварке ответственных конструкций из фторопласта-4.
Предложены перспективные структурные схемы и составы ПКМ, разработаны технологические процессы, изготовлены и поставлены пред-
приятиям опытные и опьггао-промышлешше партии композиционных узлов и изделий различного фуіпщиональїюго назначения:
металлофторопластовые втулки диаметром 20...350 мм с 20-70 % наполнением железом, бронзой, медью (НПО «Карболит», г. Кемерово; ЦНИ-ИСМ, г. Хотьково; АООТ «Каустик», г. Волгоград);
сегментные подшипники скольжения толщиной 20...40 мм и направляющие полозы гидрозатворов Волжской ГЭС;
антифрикциошіьіе пояски на цилиндрических специзделиях, гермовводы для глубоководных аппаратов (НИМИ; ВНИИОФИ, г. Москва),
блоки вакуумных электровводов и измерительных микрозондов с изоляторами из Ф-4 для радиотехнической и криогенной аппаратуры (НПО «Вектор», г. Санкт-Петербург; ВНИИ «Геофизика», г. Москва);
полимерные покрытия Ф-4 и СВМПЭ на металлах, сплавах, керамике и изделиях сложной формы (Волжская ТЭЦ-2; НПО «Технология», г. Обнинск; НПО «Коминтерн», г. Санкт-Петербург; ИФТПС ЯФ СО РАН, г. Якутск; Киевский механический завод);
фильтрующие 5-, 30- и 60-слойные элементы, угоштнителыше и демпфирующие композиционные мембраны и емкости, работающие в условиях совместного действия агрессивных сред и щжлических нагрузок (АООТ «Каустик», г. Волгоград; Волжская ТЭЦ-2; НПО им. С.А. Лавочкина, г. Москва; НПО «Композит», г. Королев Московской обл).
сварные соединения труб, конусов, сосудов, оболочек из Ф-4 (НПО «Вектор», г. Санкт-Петербург; АООТ «Каустик», г. Волгоград).
Опыт эффективного использования созданных полимерных и метал-лополимерных композиционных материалов и изделий свидетельствует о перспективности расширения областей их промышленного применения и развития указанного направления. Экономический эффект от внедрения разработок составил 600 тыс. руб. (в ценах 1999 г.) и 250 тыс. руб. (в ценах 1991 г.), доля автора составляет 70 %.
Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности «Конструирование и производство изделий из композиционных материалов» и магистров по программе «Перспективные конструкционные материалы и высокоэффективные технологии».
Апробация. Основные результаты работы доложены на 9 международных симпозиумах и конференциях (Новосибирск, 1982, 1986; Алма-Ата, 1984; Волгоград, 1996-1999; Москва, 1990; Эль-Пасо, Техас, США, 1995; Пенза, 2000); 22 Всесоюзных и Российских научно-технических совещаниях и конференциях (Минск, 1978, 1981, 1987, 1990, 1991; Ташкент, 1980; Москва, 1981, 1993, 1995, 1997, 2000; Черноголовка, 1983; Обнинск, 1992,
1995; Пермь, 1993; Свердловск, 1989; Киев, 1977, 1989, 1990; Уфа, 1979; Рига ,1987) и 10 республиканских совещаниях и семинарах (Гомель, 1974; Санкт-Петербург, 1980; Куйбышев, 1984; Пенза, 1982; Одесса, 1980, 1987; Киев, 1983,1987; Рубцовск, 1991; Николаев, 1991; Волгоград, 1992.).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 112 работах, в том числе в 56 статьях в центральных, зарубежных, отраслевых журналах, 25 научно-технических сборниках и отражены в 8 авторских свидетельствах СССР и патенте РФ.
Структура а объем диссертапни. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы из 398 наименований и приложений, изложена на 395 страницах, включая 155 рисунков и 33 таблицы.
