Введение к работе
Актуальность работы: Создание приборов и машин нового поколения с улучшенными технико-экономическими характеристиками, отличающихся высокой надежностью и долговечностью, тесно связано с применением новых конструкционных материалов, в гом числе на основе полимеров В настоящее-время полимерные композиционные материалы (ПКМ) являются наиболее перспективными материалами, используемыми в машиностроении, и обеспечивают не только экономию металлов и сплавов, но повышают ресурс деталей машин Применение их в узлах трения техники, особенно при эксплуатации в холодном климате позволяет решить проблему повышения работоспособности деталей Изделия из современных ПКМ могут работать в вакууме, химически активных средах, широком интервале нагрузок и скоростей скольжения В настоящее время отечественной промышленностью выпускается совершенно малый ассортимент таких материалов К ним относятся материалы марок Ф4К20, Ф4К15М5, Ф4Г15, на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), кокса, дисульфида молибдена и графита Эти материалы характеризуются повышенными износостойкими, но невысокими физико-механическими параметрами и высоким коэффициентом трения, что ограничивает области их применения
Одним из прогрессивных способов создания материалов триботечниче-ского назначения является введение дисперсных и волокнистых наполнителей Волокнистые наполнители придают ПТФЭ высокие несущую способность, прочность, жесткость, химическую стойкость Дисперсные наполнители повышают износостойкость ПКМ при сохранении деформационно-прочностных свойств
Изучение закономерностей влияния углеродных наполнителей (УН), технологических факторов на процессы формирования композитов, их физико-механические и триботехнические характеристики позволит управлять служебными свойствами материалов, что в свою очередь является одной из актуальных современного материаловедения
Связь работы с крупными научными проіраммами: 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 маїериальї, в том числе с использованием оксидов, нитридов, карбидов» на 1999-2001 гг (roc per № 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 (roc per № 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 полимер-
ных композитов и создание материалов технического назначения» на 2004-2006 гг (roc per № 0120 0408281), Президиума РАН темы 8 «Проблемы деформирования и разрушения структурно-неоднородных сред и конструкций» по направлению 2 24 СО РАН на 2001-2004 гг, РФФИ Арктика 03-03-96019 «Исследование механизмов формирования и функционирования нанокомлозитов с управляемыми и адаптивными к условиям эксплуатации свойствами», 2003-2005 гг, РФФИ № 06-08-00931а «Исследование закономерностей изнашивания и трения полимерных нанокомпозитов», 2006-2008, «5211 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 (roc per №01 2 00705098)
Цель работы - создание перспективных полимерных композиционных материалов с улучшенным комплексом триботехнических свойств на основе ПТФЭ и углеродных наполнителей с использованием приемов механоактива-ции
Для достижения цели были поставлены следующие задачи
анализ современных направлений создания ПКМ и способов улучшения их свойств,
исследование влияния технологии механоактивации компонентов на процессы формирования наполненной полимерной системы в зависимости от химической природы и концентрации углеродного наполнителя,
установление закономерностей изнашивания ПКМ на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), модифицированного углеродными наполнителями с учетом структуры в объеме материала и на поверхностях трения,
разработка методов создания ПКМ, базирующихся на 1) активации полимерного связующего и наполнителей, 2) использовании компонентов, усиливающих адгезионное взаимодействие на границе полимер-наполнитель и не уступающих по свойствам промышленным аналогам марок Ф4К20 (ТУ 6-05-1413-76), Флувис-20 (ТУ РБ 03535279 071-99), Ф4Г15
Научная новизна и значимость полученных результатов. Впервые разработаны новые технологические приемы совмещения компонентов гетерогенной системы, включающие предварительную активацию не только наполнителей, но и полимерной матрицы Показано, что активация ПТФЭ, применяемого в качестве основы для получения ПКМ, приводит к существенному улучшению служебных свойств композитов
Установлены закономерности изнашивания ПТФЭ, наполненного УН, заключающиеся в участии наполнителей в формировании высокоориентированных структур на поверхности трения, характеризуемых низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью Установлено, что эти структурные образования, характеризуются повышенным содержанием наполнителя и экранируют поверхностный слой композита от разрушения
Определены закономерности структурообразования в ПТФЭ, модифицированного углеродными наполнителями на основе кокса, терморасширенного графита и углеродного волокна Показано, что УН изменяют скорость кристал-
лизации ПТФЭ в зависимости от их природы, концентрации и наномодифика-тора Выявлена взаимосвязь структуры со свойствами ПКМ Это позволяет направленно формировать надмолекулярную структуру связующего и получать материалы с оптимальным сочетанием прочностных и триботехнических характеристик
Разработаны новые рецептуры материалов, применяемых для узлов трения, эксплуатируемых в широком интервале температур и нагрузок, превосходящих по своим эксплуатационным характеристикам промышленно выпускаемые аналоги марок Ф4К20 (ТУ 6-05-1413-76), Флувис-20 (ТУ РБ 03535279 071-99),Ф4П5
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 новые технологические способы получения ПКМ, содержащих УН, базирующиеся на предварительной активации связующего и компонентов ПКМ в планетарной мельнице АГО-2, активаторе «Fntch» в течение 0,5-10 мин
Разработаны рецептуры износостойких полимерных композиционных материалов, отличающиеся высокими деформационно-прочностными и триботех-ническими характеристиками, позволяющие повысить ресурс узлов трения техники и технологического оборудования
Разработанные материалы превосходят по своим эксплуатационным характеристикам промышленно выпускаемые аналоги марок Ф4К20 (ТУ 6-05-1413-76), Флувис-20 (ТУ РБ 03535279 071-99), Ф4П5 (2 патента РФ№ 2177963 «Полимерная композиция триботехнического назначения», № 2319713 «Композиционный полимерный материал триботехнического назначения»)
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 -50С до +50С (ООО «Нордэласт»)
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
технологические приемы совмещения компонентов ПКМ, заключающиеся в предварительной активации, как полимерной матрицы, так и наполнителей с целью повышения их структурной активности и обеспечения равномерного распределения в объеме связующего,
закономерности формирования структуры ПКМ в зависимости от природы, концентрации и времени активации углеродных наполнителей,
закономерности изнашивания композиционных материалов на основе ПТФЭ, модифицированного углеродными наполнителями
новые составы материалов конструкционного назначения на основе ПТФЭ, модифицированного углеродными наполнителями, с улучшенными физико-механическими и триботехническими характеристиками
Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на международных конференциях "Поли-ком-2000","Поликом-2003" (г Гомель), региональной научной конференции "Наука Техника Инновации " (г Новосибирск, 2002 г), международном симпозиуме "Фюрполимерные материалы фундаментальные, прикладные и производственные аспекты (г Новосибирск, 2003 г), ХХІУ международной конференции "Композиционные материалы в промышленности "Славполиком", (г Ялта, 2003 г), Н-Ш Евразийских симпозиумах по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (г Якутск, 2004, 2006 гг), 1 Российской конференции "Химия в автомобильной промышленности" (г Новосибирск, 2004 г), международной научно-технической конференции "Поли-комтриб-2005" (г Гомель, 2005 г), республиканской конференции "Молодые ученые и наука - 2000" (г Мирный, 2000 г ), научной конференции студентов и молодых ученых "VII, IX, X Лаврентьевские чтения" (г Якутск, 2003, 2005, 2006 гг), XIII международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (г Москва, 2006)
Опубликованность результатов. Основные положения и результаты исследований отражены в 27 научных работах в 9 статьях в научных журналах и сборниках трудов конференций, в том числе 2 рецензируемых журналах ВАК, 2 международных журналах, 16 тезисах докладов на научно-технических конференциях, 2 патентах РФ
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованных источников из 145 наименований и приложения Полный объем диссертации составляет 128 стр , включая 27 рисунков и 19 таблиц
