Трибологические свойства полимерных нанокомпозитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и полисульфона
Использование полимер-матричных композитов в современной технике в качестве подшипников скольжения. Распространенные материалы для подшипников (сверхвысокомолекулярный полиэтилен), шестерней автомобилей (полисульфон). Трибологические свойства материалов.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 24.05.2018 |
| Размер файла | 2,6 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Институт Государственного управления, Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов права и инновационных технологий (ИГУПИТ) тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800)
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» №4 2013 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
Размещено на http://www.allbest.ru/
http://naukovedenie.ru 13ТВН413
Институт Государственного управления, Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов права и инновационных технологий (ИГУПИТ) тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800)
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» №4 2013 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
1
http://naukovedenie.ru 13ТВН413
Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Трибологические свойства полимерных нанокомпозитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и полисульфона
Чердынцев Виктор Викторович,
Старший научный сотрудник
кафедры физической химии
доктор физико-математических наук
Бойков Андрей Анатольевич,
инженер 1-й категории, аспирант
Аннотация
Полимер-матричные композиты широко используются в современной технике в качестве механизмов, таких как подшипники скольжения. Распространенным материалом для подшипников является сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), а для шестерней в автомобилях используется полисульфон (ПСФ). Важной характеристикой для таких материалов являются трибологические свойства. В данной статье изучаются трибологические свойства полимер-матричных композитов на основе СВМПЭ и полисульфона с использованием в качестве наполнителя нанопорошок вольфрама и промышленный порошок карбида бора.
Ключевые слова: СВМПЭ, термическая устойчивость, полисульфон, композит, полимер, трение.
The polymer matrix composites are widely used in modern technology as tools, such as bearings.common material for bearings is the ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE), and for the gear in the car used polysulfone (PSF). An important characteristic of such materials are tribological properties. This article examines the tribological properties of polymer-matrix composites based on polysulfone and UHMWPE using a tungsten nanopowder as filler and industrial boron carbide powder.
Keywords: UHMWPE, thermal stability, polysulfone, composite, polymer, friction.
Введение
Композиты на основе полимерной матрицы являются перспективными материалами для использования в различных областях техники. Благодаря низкому коэффициенту трения и высокой химической стойкости их применяют в качестве упорных элементов фрикционных пар в подшипниках скольжения, насосах, экструдерах, компрессорах и др. Существует значительное количество публикаций, посвященных разработке износостойких композитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и полисульфона. Многообразие упрочняющих и матричных материалов позволяет направленно регулировать прочность, жесткость, уровень рабочих температур и другие свойства путем подбора состава, изменения соотношения компонентов и макроструктуры композита [1].
Методика
Для определения трибологических характеристик использовались цилиндрические образцы, параметры которых приведены на рисунке 1.
Рис.1. Образцы-цилиндры для проведения трибологических испытаний
Трибологические испытания проводились на специальном испытательном стенде и с использованием универсального трибологического центра марки UMT-3MT в режиме сухого трения при комнатной температуре со скоростью скольжения 2,62 м/с, нормальная нагрузка в контакте составила 2,554 кг. Износостойкость образцов композиционных материалов оценивалась по площади пятна износа S образца, при достижении пути трения в 3,35 км. При проведении испытаний реализована следующая схема нагружения: вращающийся диск из исследуемого материала + контртело в виде неподвижного цилиндра, изготовленного из стали марки ШХ15. Перед началом трибологических испытаний проводилась приработка поверхности трения в течение 30 минут.
Результаты трибологических испытаний экспериментальных образцов представлены в таблице 1. Результаты испытаний показывают, что коэффициент трения образцов снижается при увеличении степени наполнения вольфрама и карбида бора. На рисунке 2 представлена зависимость коэффициента трения от содержания вольфрама для образцов на основе СВМПЭ. Минимальное значение, равное 0,075, достигается для композитов, содержащих максимальное количество карбида бора (20% B4С и 30 масс. % W соответственно). Дальнейшее увеличение степени наполнения приводит к ухудшению трибологических свойств и отрицательно сказывается на величине коэффициента трения. Сходный характер поведения был выявлен и для величины износа композитов, постепенное снижение которого при увеличении степени наполнения говорит о том, что выбранные наполнители увеличивают износостойкость композитов. С ростом содержания наполнителей происходит и увеличение величины износа ответной детали.
Таблица 1
Результаты трибологических испытаний
|
№ |
Композция |
Содержание наполнит елей, %масс. |
1 |
2 |
3 |
4 |
среднее |
СКО |
|
|
- |
СВМП Э |
0 |
0,105 |
0,099 |
0,096 |
0,10 |
0,004 |
||
|
1 |
СВМП Э/W/B4 C |
10/8 |
0,087 |
0,095 |
0,086 |
0,09 |
0,004 |
||
|
2 |
СВМП Э/W/B4 C |
18/12 |
0,084 |
0,075 |
0,08 |
0,08 |
0,004 |
||
|
3 |
СВМП Э/W/B4 C |
30/20 |
0,086 |
0,089 |
0,096 |
0,09 |
0,004 |
||
|
4 |
СВМП Э/W/B4 C |
60/6 |
0,093 |
0,096 |
0,081 |
0,09 |
0,006 |
||
|
- |
ПСФ |
0 |
0,275 |
0,281 |
0,284 |
0,28 |
0,004 |
||
|
1 |
ПСФ /W/B4C |
10/8 |
0,178 |
0,186 |
0,175 |
0,18 |
0,005 |
||
|
2 |
ПСФ /W/B4C |
18/12 |
0, 204 |
0,21 |
0,185 |
0,20 |
0,011 |
||
|
3 |
ПСФ /W/B4C |
30/20 |
0,234 |
0,24 |
0,217 |
0,23 |
0,010 |
||
|
4 |
ПСФ /W/B4C |
60/6 |
0,276 |
0,264 |
0,271 |
0,27 |
0,005 |
Рис. 2. Зависимость коэффициента трения композита на основе СВМПЭ в зависимости от содержания карбида бора и нановольфрама
Временные зависимости коэффициента трения для образцов на основе СВМПЭ приведены на рисунке 3. Для чистого СВМПЭ (рисунок 3 а) на начальном участке наблюдается существенное снижение коэффициента трения. Этот участок отвечает этапу приработки контактирующих поверхностей, на нем происходит сглаживание механических неоднородностей поверхности экспериментального образца, залечивание существующих на его поверхности дефектов. На последующем этапе эксперимента значение коэффициента трения стабилизируется, наблюдается его незначительный рост. Характер кривой указывает на стабильный характер работы трибосопряжения.
Для композиционных образцов зависимости носят иной характер. На этапе приработки, в отличие от чистого СВМПЭ, здесь наблюдается рост коэффициента трения, что связано с особенностями формирования контактной поверхности в присутствии твердых неорганических включений. На последующем этапе коэффициент трения стабилизируется, работа сопряжения носит достаточно стабильный характер (рисунок 3 б, в). Следует отметить, что в отличие от чистого СВМПЭ, коэффициент трения при длительной продолжительности работы остается неизменным, возможно, это связано с тем, что для композитов адгезионная составляющая работы трибосопряжения не так сильно проявляет себя, как для чистого полимера. Для образца с высоким содержанием наполнителей на временной зависимости появляется значительное количество выбросов (рисунок 3 г), которые свидетельствуют об эрозийном износе поверхности, следует отметить, что режим работы трибосопряжения для этого образца не очень стабилен.
При всех испытаниях были изношены только образцы. Пятно износа для всех образцов на основе СВМПЭ по форме близко к эллипсу (рисунок 4), что свидетельствует о незначительности абразивного износа. На контртеле после испытания заметны продукты износа в виде легко удаляемого тонкого поглощающего свет порошка.
Временные зависимости коэффициента трения для образцов на основе ПСФ приведены на рисунке 5. Для чистого ПСФ (рисунок 5 а) зависимость аналогична наблюдаемой для СВМПЭ, вместе с тем, тенденции к повышению коэффициента трения со временем работы трибосопряжения не наблюдается, что говорит о том, что адгезия ПСФ к стали меньше, чем для СВМПЭ. На начальном участке наблюдается существенное снижение коэффициента трения. Для композиционных образцов на основе ПСФ (рисунок 5, б - г) этап приработки менее выражен, чем для композитов на основе СВМПЭ. Основной особенностью трибоповедения композиционных материалов на основе ПСФ является заметная нестабильность работы. Присутствие на кривых изломов и выбросов может свидетельствовать о протекающем в них процессе эрозионного износа. Бесформенный характер пятна износа (рисунок 6) указывает на то, что для композитов на основе ПСФ характерен абразивный износ, обусловленный попаданием в зону контакта твердых частиц неорганических наполнителей в результате их выкрашивания из полимерной матрицы.
Рис.3. Временные зависимости коэффициента трения для образцов на основе СВМПЭ, содержащих 10 и 12 (а), 18 и 12 (б), 30 и 12 (в), 60 и 6 (г) масс. % W и B4C, соответственно
трибологическое свойство полимерный нанокомпозит
Рис.4. Микрофотографии пятен износа для образов на основе СВМПЭ
Рис.5. Временные зависимости коэффициента трения для образцов на основе ПСФ, содержащих 10 и 12 (а), 18 и 12 (б), 30 и 12 (в), 60 и 6 (г) масс. % W и B4C, соответственно
Рис.6. Микрофотографии пятен износа для образов на основе ПСФ
Выводы
На основе результатов трибологических испытаний композиционных материалов на основе СВМПЭ, показано, что наилучшие значения коэффициента трения наблюдаются для композитов, содержащих максимальное количество карбида бора, введение же в композит наночастиц вольфрама приводит к ухудшению трибологических свойств и отрицательно сказывается на величине коэффициента трения. Установлено, что с увеличением содержания наполнителей происходит увеличение величины износа ответной детали. Показано, что наблюдаемый характер изменения коэффициента трения является результатом влияния наполнителей на твердость поверхностного слоя образцов.
Отличие трибологических свойств композитов на основе ПСФ состоит в том, что для композиционных материалов на основе ПСФ характерен абразивный износ.
Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2013 годы", ГК 16.513.11.3148 от 15.06.2012.
Литература
1) С.Л. Баженов, А.А. Берлин, А.А. Кульков, В.Г. Ошмян. Полимерные композиционные материалы. // Прочность и технология. Долгопрудный: Издательский дом "Интеллект", 2010. - 352 с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Назначение и принцип работы подшипников скольжения. Свойства политетрафторэтилена. Технология сборки подшипников скольжения. Определение зависимости предела прочности композита от амплитуды колебаний. Прочностные характеристики от амплитуды колебаний.
дипломная работа [2,2 M], добавлен 17.05.2015Нанокомпозиты на основе природных слоистых силикатов и на основе монтмориллонита. Анализ методов синтеза полимерных нанокомпозитов. Перспективы производства полимерных нанокомпозитов. Свойства нанокомпозитов кремния. Структура слоистого силиката.
курсовая работа [847,7 K], добавлен 12.12.2013Свойства и получение резинопластов. Механические свойства резинопластов. Свойства и структура термопластов, наполненных жесткими дисперсными наполнителями. Применение в качестве гидроизоляционных, кровельных материалов. Введение в полимер наполнителя.
реферат [31,1 K], добавлен 15.05.2015Обмен веществам между сервовитной пленкой и смазочным материалом. Эксплуатационные свойства смазочных масел. Окисление масла кислородом воздуха. Основные причины обводнения масла в смазочных системах. Антифрикционные свойства подшипников скольжения.
реферат [310,4 K], добавлен 03.11.2017Анализ влияния технологических режимов формирования на структуру, физико-механические свойства композиционных гальванических покрытий. Разработка технологического процесса восстановления вкладышей подшипников скольжения коленчатого вала дизеля Д100.
дипломная работа [3,4 M], добавлен 08.12.2012Влияние графитовых наполнителей на радиофизические характеристики композиционных материалов на основе полиэтилена. Разработка на базе системы полиэтилен-графит композиционного материала с наилучшими радиопоглощающими и механическими показателями.
диссертация [795,6 K], добавлен 28.05.2019Основные способы производства полиэтилена. Получение полиэтилена при высоком давлении. Способ полимеризации в массе. Характеристические свойства полиэтилена. Технологический процесс разложения и отмывки катализатора. Оценка показателя текучести.
реферат [630,7 K], добавлен 02.06.2012Классификация композиционных материалов, их геометрические признаки и свойства. Использование металлов и их сплавов, полимеров, керамических материалов в качестве матриц. Особенности порошковой металлургии, свойства и применение магнитодиэлектриков.
презентация [29,9 K], добавлен 14.10.2013Многослойные и комбинированные пленочные материалы. Адгезионная прочность композиционного материала. Характеристика и общее описание полимеров, их свойства и отличительные признаки от большинства материалов. Методы и этапы испытаний полимерных пленок.
дипломная работа [1,7 M], добавлен 21.11.2010Способы получения полимерных композитов, тип наполнителя и агрегатное состояние полимера. Физико-химические аспекты упрочнения и регулирования свойства полимеров, корреляция между адгезией и усилением. Исследование взаимодействия наполнитель-связующее.
реферат [21,9 K], добавлен 30.05.2010Классификация подшипников по виду трения и воспринимаемой нагрузке. Устройство и область применения подшипников скольжения, их достоинства и недостатки. Назначение и виды фрикционных муфт, материал для их изготовления. Конструкция фрикционного диска.
контрольная работа [2,2 M], добавлен 28.12.2013Понятие и функциональные особенности подшипников качения, их отличительные признаки от подшипников скольжения. Основные типы подшипников качения: шарикоподшипники радиальные однорядные, с одной и двумя защитными шайбами, с канавкой на наружном кольце.
реферат [22,9 K], добавлен 15.05.2012Классификация, маркировка, состав, структура, свойства и применение алюминия, меди и их сплавов. Диаграммы состояния конструкционных материалов. Физико-механические свойства и применение пластических масс, сравнение металлических и полимерных материалов.
учебное пособие [4,8 M], добавлен 13.11.2013Подшипник как техническое устройство, являющееся частью опоры. Производство в соответствии с требованиями подшипников качения, а именно шарикоподшипников радиальных однорядных. Трение скольжения подшипников качения. Структура однорядного шарикоподшипника.
курсовая работа [2,0 M], добавлен 26.11.2010Виды теплоизоляционных материалов, которые предназначены для тепловой изоляции конструкций зданий и сооружений, а также различных технических применений. Классификация, свойства. Органические материалы. Материалы на основе природного органического сырья.
презентация [5,0 M], добавлен 23.04.2016Современные клеи, свойства, виды и области применения клеящих материалов. Лакокрасочные материалы и их основные компоненты, классификация по виду, химическому составу, основному назначению. Основные свойства и использование лакокрасочных материалов.
контрольная работа [31,3 K], добавлен 25.11.2011Общие свойства полимерных пленок. Технологический процесс производства рукавной пленки из полиэтилена низкой плотности. Расчет коэффициента геометрической формы головки и производительности одношнекового однозаходного экструдера для производства пленки.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 04.06.2014Технологические операции, используемые в процессе производства полимерных труб. Базовые марки полиэтилена и полипропилена, рецептуры добавок, печатных красок, лаков для производства полимерных труб. Типы труб и их размеры. Основные формы горлышка трубы.
контрольная работа [71,3 K], добавлен 09.10.2010Горение полимеров и полимерных материалов, методы снижения горючести в них. Применение, механизм действия и рынок антипиренов. Наполнители, их применение, распределение по группам. Классификация веществ, замедляющих горение полимерных материалов.
реферат [951,6 K], добавлен 17.05.2011Общие закономерности строения композитных наноматериалов, их виды: на основе керамической, слоистой, металлической и полимерной матрицы. Механические, электрические, термические, оптические, электрохимические, каталитические свойства нанокомпозитов.
реферат [377,0 K], добавлен 19.05.2015
