Влияние параметров ультразвукового прессования на свойства полимерного композита

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Омский государственный технический университет

Влияние параметров ультразвукового прессования на свойства полимерного композита

Д.А. Негров, В.Ю. Путинцев

Е.Н. Еремин, А.Р. Мулюкова

Омск, РФ

Аннотация

В статье рассматривается воздействие параметров ультразвукового прессования на механические и триботехнические свойства композиционного материала на основе политетрафторэтилена. Для проведения эксперимента была разработана установка на базе гидравлического пресса с ультразвуковым преобразователем. После ряда испытаний было доказано, что применение метода ультразвукового прессования приводит к значительному увеличению предела прочности, снижению скорости изнашивания и коэффициента трения исследуемых образцов.

Ключевые слова: структурно-модифицированный ПТФЭ, предел прочности, интенсивность изнашивания, ультразвук, коэффициент трения.

Введение

Новейшие разработки в машиностроении, наноинженерии, авиастроении, энергетики и других отраслях промышленности порождают необходимость разработки и усовершенствования новых материалов. Так, на сегодняшний день узлы трения, изготовленные из всевозможных металлов и сплавов, заменяются полимерными и полимерными композиционными материалами на основе политетрафторэтилена [1]. Это дает возможность снизить затраты на изготовление изделий, повысить их долговечность и надежность. Однако область применения таких материалов ограничена из-за низкого предела прочности и как следствие, склонности к деформации поверхностного слоя при трении.

Постановка задачи

Одним из решений является создание и внедрение новых методов и технологий исследования влияния параметров ультразвукового прессования на механические и триботехнические свойства структурно-модифицированного политетрафторэтилена, расширяя область их применения в производстве.

Теория

Основной технологией производства изделий из полимерных композиционных материалов, является прессование с последующим спеканием порошков. На стадии прессования определяются свойства изделий такие как прочность, плотность, упругость, износостойкость и равномерное распределение этих характеристик по всему объему изделия [2].

С целью повышения качества прессования применяют метод уплотнения порошков с наложением вибрации [3]. Под действием вибрационных колебаний разрушаются арочные структуры, уменьшаются силы трения и сцепления частиц, а равномерность укладки и текучесть порошков увеличивается.

Наложение ультразвуковых колебаний на прессуемый материал - наиболее эффективный способ вибрационного воздействия. Применение ультразвука при прессовании, способствует уменьшению возникновения пластической деформации частиц порошка, что благоприятно сказывается на изменение сил трения от давления прессования и дает возможность формовать изделия сложной формы.

Целью данной работы является исследование влияния параметров ультразвукового прессования на свойства полимерного композита на основе ПТФЭ.

Объектом исследования служит композиционный материал модифицированный 8% - скрытокристаллическим графитом, 6% - углеродном волокном, 2% - МоS₂ на основе политетрафторэтилена.

Результаты экспериментов

Методика эксперимента включала следующие этапы:

1. Определение основных технологических параметров ультразвукового прессования (амплитуда колебаний волновода-пуансона, время и усилие прессования), и влияние этих параметров на предел прочности модифицированного ПТФЭ. Механические свойства образцов при растяжении определяется на разрывной машине Р0.5 со скоростью деформации 20 мм/мин.

2. Исследование влияния режимов ультразвукового прессования на триботехнические характеристики образцов.

Для проведения эксперимента, была разработана установка ультразвукового прессования на базе гидравлического пресса МТ-50 (рис. 1). В качестве источника питания был применен ультразвуковой генератор УЗГ3-4 (входная мощность 5 кВт, частотный диапазон 17,2-22,8 КГц). Источником ультразвуковых колебаний был магнитострикционный преобразователь ПМС 15-А-18, с резонансной частотой колебаний 17800 Гц.

Рис. 1. Схема установки для ультразвукового прессования

1 - основание; 2 - шаровая опора; 3 - пресс-форма; 4 - ультразвуковой инструмент; 5 - траверса; 6 - магнитострикционный преобразователь; 7 - направляющая колонна; 8 - рукоятка; 9 - гидроцилиндр; 10 - гидравлическая система

Порошок, помещенный в пресс-форму, прессуется с одновременным наложением ультразвука. Во время воздействия ультразвука, вибрация передается пресс-форме и ПКМ. Под действием ультразвука частицы порошка движутся, вследствие чего происходит их равномерное распределение по всему объему пресс-формы. Мелкие частицы фиксируются между крупными, что способствует уплотнению контактов между ними.

После ультразвукового прессования заготовку подвергают спеканию при T 360^оС со скоростью 1.5^о-2.0^оС/мин, выдержкой при этой температуре, охлаждению до 327^оС со скоростью 0.3^о-0.4^оС/мин. и дальнейшим охлаждением до комнатной температуры в печи.

Те же режимы спекания использовали для образцов, спрессованных без ультразвуковой обработки.

Обсуждение результатов

Аналитические данные эксперимента показали, что амплитуда колебаний ультразвукового инструмента влияет на предел прочности композиционного материала и носит экстремальный характер (рис. 2). Время затраченное на прессование составило 90 секунд, а усилие 65 МПа.

Рис. 2. Зависимость предела прочности полимерного композиционного материала от амплитуды колебания ультразвукового инструмента

Выводы и заключение

Зависимости предела прочности от времени прессования показывает, что оптимальное время прессования, подтвержденное экспериментом составляет 90 секунд (рис. 3). При использовании метода ультразвукового прессования предел прочности у исследуемых образцов увеличился на 15%, по сравнению с образцами, изготовленными обычным методом. Увеличение длительности прессования более 90 секунд, не изменяет прочностных характеристик.

Рис. 3. Зависимость предела прочности от времени прессования

ультразвуковой гидравлический механический триботехнический

На графике зависимости предела прочности от усилия прессования видно, что полученные результаты имеют пиковый характер с максимумом при усилии 65 МПа (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость предела прочности от усилия прессования

Изделия, полученные методом ультразвукового прессования, были подвержены испытаниям для определения триботехнических свойств. Для проведения испытаний был использован специальный стенд МДС - 2 [4], скорость скольжения составляла 0,75 м/с, при давлении 2 МПа без смазки (рис. 5).

Рис. 5. Характеристики триботехнических свойств ПКМ

1 - скорость изнашивания, I; 2 - момент трения, М_тр; 3 - коэффициент трения, f_тр

Выводы и заключение

В результате проведенных исследований было выявлено, что при производстве подшипников скольжения из структурно-модифицированного политетрафторэтилена ультразвуковым прессованием увеличивается коэффициент трения и предел прочности на 15%, а скорость изнашивания снижается на 23%.

Список литературы

1. Негров Д.А., Еремин Е.Н. Новая технология изготовления подшипников скольжения из композиционного материала на основе политетрафторэтилена // Вестник машиностроения, 2012. №1. С. 49-51.

2. Негров Д.А., Еремин Е.Н., Путинцев В.Ю., Передельская О.А., Маталасова А.Е. Влияние ультразвукового воздействия на механические свойства политетрафторэтилена, модифицированного нитридом бора // Омский научный вестник, 2014. №1. С. 110-113.

3. Машков Ю.К., Суриков В.И., Колистратова Л.Ф., Мамаев О.А. Модификация структуры и свойств композиционных материалов на основе политетрафторэтилена. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2005. 256 с.

Размещено на allbest.ru