ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА, ПОЛУЧЕННОГО РАЗЛИЧНЫМИ СПОСОБАМИ

Ф.П. Дерлугян, А.А. Кужаров, П.Д. Дерлугян, Г.А. Данюшина

Введение

Отрицательными факторами, ограничиваю­щими области применения полимерных мате­риалов, являются низкая теплопроводность и высокий коэффициент линейного расширения. Низкая теплопроводность затрудняет отвод теп­ла, образующегося при трении поверхностей, особенно если при больших скоростях в зоне трения происходит локальный разогрев поли­мера до температуры деструкции. Улучшение этих характеристик становится одной из глав­ных задач перед материаловедами.

Одним из путей решения этой задачи являет­ся создание композиционных материалов на ос­нове существующих полимеров с использова­нием различного рода наполнителей (металли­ческие порошки, твердые смазки, масла, различные соединения металлов и др.) Разра­ботка композиционных материалов на поли­мерной матрице — одно из перспективных на­правлений в материаловедении.

Важной особенностью современных компо­зиционных материалов является то, что приме­нение нанотехнологий при создании компози­ции позволяет получать материалы с улучшен­ными эксплуатационными свойствами.

На основе ряда работ, была разработана серия антифрикци­онных самосмазывающихся полимерных мате­риалов типа “Маслянит”, предназначенных для работы в различных узлах трения. В качестве полимерной матрицы данная группа материа­лов содержит полиамид.

Широкое применение полиамидов в конст­рукционных материалах обусловлено их высо­кой прочностью, стойкостью к ударным нагруз­кам, высокой износостойкостью. Полиамиды обладают наименьшей скоростью износа из всех испытанных полимеров, что объясняется оптимальным сочетанием упругости, пластич­ности и высокой усталостной стойкости по сравнению с другими полимерами.

Износостойкость полимеров увеличивается при введении в них наполнителей. Особая роль при выборе наполнителей отводится твердым смазкам. Широкое применение твердых смазок объясняется их специфическими способностя­ми: высокими смазочной способностью и хи­мической стойкостью, работоспособностью в широком интервале температур. К твердым смазкам относят и слоистые смазки (графит, дисульфид молибдена, нитрид бора, фталоцианин меди).

Материалы типа “Маслянит” обладают самосмазывающим действием трущихся поверхно­стей. Все они образуют на поверхности трения пленку, обладающую всеми необходимыми свой­ствами смазочной антифрикционной пленки.

В качестве матрицы будущего материала принят полиамид ПА 610, обладающий относи­тельно высокой термостойкостью и наилучши­ми антифрикционными свойствами.

Получение полимерных материалов, обла­дающих свойствами самосмазывания, преду­сматривает высокую пластификацию полимер­ной матрицы, изменяющую вязкость системы, увеличивающую гибкость молекул и подвиж­ность надмолекулярных структур. Процесс пла­стификации состоит во введении в полимер в процессе его переработки жидкостей, облегчаю­щих переработку полимера и меняющих его свойства. Используя в качестве пластификатора смазочное вещество можно добиться образова­ния на поверхностях трения граничных смазоч­ных слоев, препятствующих схватыванию. Ав­торы в качестве пластификатора выбрали авто­мобильную смазку № 158, изготовленную на основе авиационного масла МС-20 и обладаю­щую рядом требующих свойств.

Введение смазочного материала в полимер в свободном состоянии в большом количестве (до 30 %) технологически невозможно. Поэтому был использован прием предварительного ад­сорбирования смазочного материала на поверх­ности мелкодисперсного твердого наполнителя, в качестве которого была использована смесь графита и дисульфида молибдена, обладающая слоистой структурой и высокими антифрикци­онными свойствами. Применение данного ком­плексного наполнителя улучшило смазочные свойства пластификатора на 40 %.

Полученная шихта соответствует классу ан­тифрикционных самосмазывающихся компози­ционных полимерных материалов типа “Маслянит” и может быть использована для переработ­ки в изделия известными методами литья под давлением в пресс-формы, в том числе с ис­пользованием автоклава.

Следует отметить, что важная роль в созда­нии композиционных материалов отводится как наполнителям и способам введения их в по­лимер, так и методам переработки разрабаты­ваемых композиционных материалов.

Большое влияние на физико-механические, антифрикционные свойства композиционных материалов на основе полиамидов оказывает структура отлитого изделия, часто определяемая методом его формирования.

В данной статье представлены материалы ис­следований по изменению структуры компози­тов, сформированных различными способами, а также их физико-механические характеристи­ки. Для исследований были выбраны материалы состава:

• “Маслянит”: полиамид ПА 610, автомо­бильная смазка 158, графит, а также дисульфид молибдена в соотношении 4:1;
• КПТМ, имеющий тот же состав, что и “Маслянит”, но с добавлением углеграфитовой ткани.

Формирование образцов из исследуемых ма­териалов осуществляли двумя различными спо­собами:

• автоклавного прессования;
• дополнительным армированием компози­ционного материала углеграфитовой тканью с дальнейшей раскаткой.

Экспериментальная часть

Экспериментальные исследования по опре­делению коэффициента трения проводили на машине торцевого трения при скорости 0,07 м/с и нагрузках от 1…14 МПа, диапазон из­менения нагрузки составлял 1 МПа. Испытание проводили без дополнительной смазки. Опре­деляли массовый и линейный износы.

Структурное состояние поверхностных об­разцов, сформированных различными способа­ми, а также изменение поверхности образцов после испытания осуществляли с применением атомно-силовой микроскопии (ACM).

Цель использования ACM— получение се­рии изображений участка поверхностей образ­цов, полученных различными способами, что позволяет проследить изменение структуры на микро- и наноуровнях. Кроме того, примене­ние ACM позволяет измерить шероховатость поверхности и рассчитать модуль Юнга.

Результаты исследований и их обсуждение

Для установления пределов работоспособно­сти разработанных материалов были определены такие характеристики, как коэффициент трения, теплопроводность, водопоглощение, коэффици­ент линейного расширения. Установлена зависимость коэффициента трения от нагрузки для образцов, полученных различными способами.

Рис. 1. Зависимость коэффициента трения f от нагрузки Р (трение без смазки):

1 — полиамид ПА 610; 2 — “Маслянит”; 3 — КПТМ

В результате исследований триботехнических свойств КГТТМ и “Маслянита” установлено, что характер зависимости коэффициента тре­ния от нагрузки (2… 14 МПа) носит прямоли­нейный характер и в 1,5—2 раза ниже у иссле­дуемых материалов по сравнению с исходным ПА 610 (рис. 1). Ориентация материала, проис­ходящая при раскатке, приводит к снижению коэффициента трения.

Кроме того, рассматривали изменение теп­лопроводности в зависимости от способа полу­чения образцов, а также линейный и массовый износы. Водопоглощение образцов из исследуе­мых материалов определяли по стандартным методикам. Результаты всех испытаний пред­ставлены в табл. 1.

Результаты испытаний показали, что у разра­ботанных материалов все показатели в несколь­ко раз выше, чем у исходного полиамида ПА 610, который является основным состав­ляющим компонентом композиции, что спо­собствует повышению срока службы изделий из исследуемых материалов.

Таблица 1. Технические характеристики материалов

Техническая характеристика	ПА610	“Маслянит”	КПТМ
Коэффициент трения *	9,26…0,32	0,10…0,60	0,06…0,12
Коэффициент теплопроводности	0,20…0,25	6,0…6,5	10…12
Коэффициент линейного расширения	100…115	51…62	40…45
Водопоглощение, %	1,5…2,2	0,6…0,8	0,24
Линейный износ, мкм**	0,03…0,04	0,020…0,025	0,018…0,020
Массовый износ, г**	0,006	0,003	0,003
* Испытания проводили без дополнительной смазки.
** Линейный и массовый износы определяли после 8-часо­вых испытаний.

Один из существенных недостатков поли­амидов, ограничивающий области их примене­ния, — высокое водопоглощение. Это связано с тем, что полярная группа —CONH, входящая в состав полиамида, способна образовывать водо­родную связь за счет сильно отрицательного атома азота, который оттягивает электрон от атома водорода. Причем чем меньше соотно­шение СН2: CONH в макромолекуле полиами­да, тем больше полярных групп.

Как видно из представленных данных, водо­поглощение “Маслянита” и материала КПТМ в7—9 раз ниже, в сравнении с чистым полиами­дом ПА 610.

Известно, что процесс водопоглощения поли­амида носит диффузионный характер. Смаз­ки, добавляемые в полиамид, служат пластифи­каторами. Молекулы пластификатора блокируют полярные группы макромолекул, уменьшая тем самым их способность к водопоглощению. Этим и объясняется пониженное водопоглощение ис­следуемых материалов. Величина энергии акти­вации водопоглощения (28,9 кДж/моль), по-ви­димому, соответствует величине энергии водо­родной связи (20…40 кДж/моль) между груп­пой —CONH и полярной молекулой Н₂О.

Таким образом, водопоглощение полиамида­ми происходит путем образования водородной связи —CONH полимера. Введение пластифи­катора уменьшает водопоглощение за счет ло­кализации полярной связи молекулой пласти­фикатора. Механизм водопоглощения не изме­няется. Полученные данные позволили вырабо­тать правила выбора компонентов для анти­фрикционных материалов, работающих в кон­такте с водой и требующих использования по­лимеров с минимальным, а пластификаторов — с наибольшим количеством полярных групп.

Как уже отмечалось ранее, формирование композитов осуществлялось различными мето­дами. Метод автоклавного формирования был применен для материала “Маслянит”. Так как КПТМ представляет собой полимерную компо­зицию, армированную углеграфитовой тканью, то был применен метод прокатывания раскат­ным роликом до внедрения ткани в подложку и образования на поверхности тонко­го ориентированного антифрикци­онного слоя.

Предложенный способ форми­рования полимерной композиции позволяет путем принудительного внедрения материала в поры ткани создать надежную механическую связь между ними и под воздейст­вием внешних условий, возникаю­щих при перекатывании раскатного ролика, ориентировать макромоле­кулы поверхностного слоя компо­зита в заданном направлении. Этим методом можно регулировать сте­пень ориентации макромолекул.

Реализация механохимического метода модифицирования КПТМ базируется на обоснованном подборе подложки и наполнителей, пра­вильной организации переработки пластмасс, а также на механических явлениях, протекающих при перекатывании раскатного ролика. Изуче­ние этих явлений позволит оптимизировать процесс деформирования, внедрения и упроч­нения композиционного материала. По своей физико-химической природе насыщение пор подложки расплавом полимерного композита сопоставимо с процессом уплотнения материа­ла под действием нагрузки. В ходе проведенных исследований была практически определена ме­ханическая модель взаимодействия раскатного ролика с деформированным расплавом поли­мерной композиции. Такжe определена зависи­мость глубины внедрения раскатного ролика в расплав от удельной нагрузки:

Глубина погружения Раскатного ролика, мм ……	0,01	0,02	0,18	0,52	0,67	0,70	0,72
Удельная нагрузка, Руд, Н·мм2 ………………….	0,24	0,55	1,46	2,40	3,00	4,04	6,36

Методом атомно-силовой микроскопии было исследовано влияние технологии получе­ния композиционных материалов на микро­рельеф поверхностного слоя. Результаты иссле­дований поверхности изделий из “Маслянита” и КПТМ представлены на рис. 1—4 и существен­но отличаются друг от друга, так как получены различными способами.

Рис. 2. Поверхность образца из “Маслянита”(метод автоклавного прессования)

Рис. 3. Профиллограмма поверхности образца из “Маслянита”

Как видно из представленных рисунков, по­верхность изделий из “Маслянита” имеет слож­ную топографию (рис. 2), имеющую резкие впадины и подъемы, которые хорошо согласуются с профилем сечения (рис. 3). Поверхность материала, полученного раскаткой, более ровная и не имеет выступов и впадин (рис. 4, рис. 5).

Рис. 4. Поверхность образца из КПТМ

Рис. 5. Программа поверхности материала КПТМ

Методом электронной микроскопии была ис­следована структура поверхностного слоя иссле­дуемых образцов. Рассмотрим микрофотографии образцов, полученных методом раскатки (рис. 6) и методом автоклавного формирования (рис. 7).

Как видно из микрофотографий, структура образцов, полученных раскаткой, более мелко­кристаллическая и плотная, а при автоклавном методе структура более рыхлая и крупнокри­сталлическая, можно увидеть крупные образо­вания агломератов.

Следует отметить, что при прокалывании иг­лой образцов, полученных раскаткой, места прокола после снятия нагрузки исчезают, что хорошо согласуется с данными, которые были получены при расчете модуля Юнга.

Рис. 6.   Поверхность КПТМ методом раскатки

Рис. 7. Поверхность “Маслянита”, полученного методом автоклавного формирования

Исследование образцов, полученных раскат­кой методом наноиндентифицирования позво­лило получить данные о механических характеристиках образцов (табл. 2). Как видно из представленных данных, разброс результатов достаточно велик, так как поверхность образца имеет очень развитый рельеф, что подтверждается данными ACM и электронной микроскопией и связано с боль­шим количеством нано- и микрошероховато­стей и неровностей на поверхности образцов.

Таблица 2. Характеристики модуля Юнга, ГПа

Материал	Номер опыта
	1	2	3	4	5
Лента	0,13334	0,12898	0,08684	0,11366	0,10949
Композиция	1,6
Резина	0,01
Алюминий	70

Уменьшение механических характеристик, таких как твердость с 0,15 ГПа для полиамида до 1,6 ГПа для композиции материалов, оказы­вает положительное влияние на триботехниче­ские характеристики материала, что видно из представленных ранее результатов трибологиче­ских исследований, и уменьшает коэффициент трения.

Выводы

1. Разработан способ формирования поли­мерной композиции путем раскатки расплава разработанного композита на ткане­вую подложку, служащую армирую­щим элементом тонколистового материала. Данный способ позволил существенно расширить область при­менения композиционных материа­лов на основе полиамидов за счет снижения водопоглощения в 7-9 раз.
2. Применен комплексный твердо­смазочный наполнитель, состоящий из смеси графита и дисульфида мо­либдена, обеспечивающий КПТМ высокие антифрикционные характе­ристики и износостойкость в широ­ком интервале скоростей.
3. Приведены сравнительные ха­рактеристики физико-механических свойств материалов, ПА 610, “Маслянит” и КПТМ (ко­эффициент трения, водопоглощение, линей­ный и массовый износы), перерабатываемых различными способами. Показано, что метод раскатки способствует улучшению эксплуата­ционных свойств.
4. Методом ACM исследована структура по­верхностного слоя материалов, полученных раз­личными способами. Показано, что материалы, полученные методом раскатки, имеют более плотную мелкокристаллическую структуру.
5. Исследования механических характери­стик материала дают дополнительную инфор­мацию о свойствах полученных композиций и оказывают положительное влияние на трибо­технические характеристики материала.