Триботехнические свойства композиционных покрытий на основе полигетероарилена «ДАИ» с наполнителями из наночастиц дихалькогенидов вольфрама

УДК 621.2.082.18

ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ПОЛИГЕТЕРОАРИЛЕНА «ДАИ» С НАПОЛНИТЕЛЯМИ ИЗ НАНОЧАСТИЦ ДИХАЛЬКОГЕНИДОВ

ВОЛЬФРАМА

А. Д. Бреки, Ю.А. Фадин, А. Л. Диденко, В.В. Кудрявцев, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, А.А. Калинин,

Д.А. Провоторов

Представлены результаты исследования триботехнических свойств композиционных покрытий с матрицей из полигетероарилена ДАИ и наполнителями из нано-частиц дихалькогенидов вольфрама. Для создания композиционного материала были использованы полученные методом газофазного синтеза наночастицы дисульфида вольфрама размером 40 нм и диселенида вольфрама размером 60х5 нм.

Ключевые слова: полигетероарилены, композиционные покрытия, дихалькоге-ниды вольфрама, наночастицы, газофазный синтез, сухое трение, износ.

Известно, что полимерные материалы широко применяются в узлах трения современных машин и механизмов [1]. Их применение позволяет увеличить надежность и ресурс машин, улучшить их эксплуатационные, технико-экономические характеристики и технологичность, отказаться от дефицитных сплавов цветных металлов и снизить стоимость машин. Полимеры отличаются от других материалов относительно быстрым разрушением поверхностного слоя при трении, причем разрушение протекает тем интенсивнее, чем выше температура материала, поэтому чаще для изготовления деталей, работающих в узлах трения, используют полимерные композиционные материалы, в состав которых введены специальные наполнители, обладающие способностью снижать коэффициент трения, а соответственно и тепловыделение при трении.

Хорошими добавками для уменьшения энергетических потерь на трение, имеющими слоистую структуру, являются такие вещества, как графит, дисульфид молибдена, тетраборат натрия, хлорид кадмия, нитрид бора, иодид свинца, хлорид кобальта, сульфат серебра и стеарат цинка. В присутствии влаги воздуха иодид снижает трение. Широкое использование имеют также сульфиды тяжёлых металлов, селениды и теллуриды [2]: MoS2, WSe2, WS2, NbS2, NbSe2, TaS2, TaSe2. В большинстве случаев они имеют слоистую гексагональную структуру, хорошие антиокислительную и химическую стабильность и электропроводимость и применяются в виде порошков, суспензий, золей и антифрикционных лаковых покрытий. Данные высокоанизотропные материалы обладают различной прочностью на срез в разных направлениях кристаллической решётки. Частицы твёрдых смазочных материалов взаимодействуют с поверхностями деталей и в про-

цессе трения ориентируются базовыми плоскостями кристаллитов почти параллельно направлению скольжения, что обеспечивает срез частиц вдоль плоскостей спайности под воздействием тангенциальных сил. Именно в этом направлении сопротивление срезу незначительно, что и объясняет механизм смазочного действия твёрдых смазочных веществ. Известно, что коллоидные дисперсии твёрдых смазочных материалов проявляют проти-возадирные, противоизносные, антифрикционные и антипиттинговые свойства [3].

Наибольшее распространение получили вводимые в различные матрицы наполнители из частиц графита (рис.1, а) и дисульфида молибдена, постепенно в трибологию входит и графен (рис.1, б) [4, 5].

Рис. 1. Слоистые модификаторы трения: а - гексагональная решетка графена с подрешетками А и В [4]; б - представление гексагональной слоистой структуры графита, показывающее три слоя в шахматном порядке [5]

Большое значение для трибологии имеют также аналогичные графиту и дисульфиду молибдена по структуре диселенид и дисульфид вольфрама, особенно в процессе развития нанотехнологий.

Целью настоящей работы является оценка триботехнических свойств композиционных покрытий с матрицей из полигетероарилена -полиимида «ДАИ» и наполнителями из полученных методом газофазного синтеза наночастиц дисульфида вольфрама со средним размером частиц 40нм и диселенида вольфрама со средним размером частиц 60х5 нм.

В границах данного исследования в качестве полимера для связующего наночастиц дихалькогенидов вольфрама, исходя из анализа литературных данных [6], нами был выбран полигетероарилен - полиимид «ДАИ», разработанный в ИВС РАН.

Для оценки трения и изнашивания при отсутствии смазочного слоя между стальной поверхностью и исследуемыми полимерными покрытиями была использована универсальная машина трения 2070 СМТ-1 (аналог машины трения ИИ5018). Для реализации данного исследования в условиях скольжения поверхностей использовалась схема испытаний «прямоугольный образец - ролик» удобная для осуществления экспресс оценки трения и износа полимерных покрытий. Подвижный образец состоял из стали Р6АМ5, неподвижный (прямоугольный брусок) - из стали У8А с нанесённым на него полимерным покрытием, которое контактировало с подвижным образцом. Трущиеся образцы приводились в контактное взаимодействие в процессе вращения подвижного образца. Контактное взаимодействие подвижного и неподвижного образцов реализовывалось с нормальной силой W=25H=const. Частота вращения подвижного образца составляла n = 500 об/мин = const. Диаметр ролика составлял dp = 50 мм. Размеры прямоугольного контр тела с покрытием 20х10х5. Время одного испытания в условиях выбранных параметров составляло t^ = 30 с.

Зависимости трения и износа от концентрации наноструктур из частиц дисульфида вольфрама в полиимиде ДАИ, нанесённом на стальной подложке, в режиме сухого трения скольжения по стальной поверхности приведены на рис. 2.

Зг 3

Ql pi------

0 0 1 2 3 А 5

Концентрация наполнителя, по массе, "Л

Рис. 2. Зависимости фрикционных характеристик композита на основе ДАИ от концентрации WS2 (сухое трение): 1 - зависимость ширины лунки износа; 2 - зависимость момента трения от концентрации; 3, 4 - ширина лунки износа и момент трения

для стальной подложки

Полученные данные показывают приращение энергетических потерь на трение и износа при увеличении концентрации наноструктур из частиц дисульфида вольфрама в полиимиде ДАИ. При этом относительно свойств подложки установлено следующее:

-итоговый износ образца с чистым полигетероариленным покрытием на 94 % меньше, чем износ подложки. При этом за указанное время изнашивания, момент трения в паре «сталь - покрытие» ДАИ был на 71,4 % меньше, чем в паре «сталь - подложка»;

-итоговый износ образца с покрытием ДАИ+1 %WS2 на 90 % меньше, чем износ подложки. При этом за указанное время изнашивания, момент трения в паре «сталь - покрытие» ДАИ+1 %WS2 был на 52,4 % меньше, чем в паре «сталь - подложка»;

-итоговый износ образца с покрытием ДАИ+5 %WS2 на 56 % меньше, чем износ подложки. При этом за указанное время изнашивания, момент трения в паре «сталь - покрытие» ДАИ+5 %WS2 был на 38 % меньше, чем в паре «сталь - подложка».

Данные покрытия можно относить как к противоизносным, так и к антифрикционным.

Зависимости трения и износа от концентрации наноструктур из частиц диселенида вольфрама в полигетероарилене - полиимиде ДАИ, нанесённом на стальной подложке, в режиме сухого трения скольжения по стальной поверхности приведены на рис. 3.

3

2А

3 И

к 1.3 я

ш &

^

£ Ш 2

0.6

Клнцеятрвция наполнителя, п<5 массе. %

Рис. 3. Зависимости фрикционных характеристик композита на основе ДАИ от концентрации WSe2 (сухое трение): 1 - зависимость ширины

лунки износа; 2 - момента трения от концентрации; 3, 4 - ширина лунки износа и момент трения для стальной подложки

151

Полученные данные также показывают приращение энергетических потерь на трение и износа при увеличении концентрации наноструктур из частиц диселенида вольфрама в полигетероарилене марки ДАИ. При этом относительно свойств подложки установлено следующее:

-итоговый износ образца с чистым полигетероариленным покрытием на 94 % меньше, чем износ подложки. При этом за указанное время изнашивания момент трения в паре «сталь - покрытие» ДАИ был на 71,4 % меньше, чем в паре «сталь - подложка»;

-итоговый износ образца с покрытием ДАИ+1 %WSe2 на 64 % меньше, чем износ подложки. При этом за указанное время изнашивания, момент трения в паре «сталь - покрытие» ДАИ+1 %WSe2 был на 52,4 % меньше, чем в паре «сталь - подложка»;

-итоговый износ образца с покрытием ДАИ+5 %WSe2 на 56 % меньше износа подложки. При этом за указанное время изнашивания, момент трения в паре «сталь - покрытие» ДАИ+5 %WSe2 был на 52,4 % меньше, чем в паре «сталь - подложка».

На основе полученных результатов лабораторных исследований триботехнических свойств композиционных покрытий с полигетероари-ленной матрицей «ДАИ» и наполнителями из наночастиц дисульфида и диселенида вольфрама в режиме сухого трения скольжения можно сделать следующие основные выводы.

1. В результате проведённых исследований получен массив экспериментальных данных, подтверждающих эффективность используемого базового полигетероариленного покрытия «ДАИ» без наполнителей: в жестких условиях испытаний момент трения у покрытия меньше, чем у подложки на 71,4 %, ширина лунки износа у базового покрытия на 94 % меньше, чем у подложки.

2. Чистое полигетероариленное покрытие «ДАИ» показало хорошие результаты по износу и трению, причём с увеличением концентрации наноструктур данные показатели на определенном интервале либо не улучшают свойства, либо приводят к их некоторому ухудшению, однако в данных условиях лабораторных триботехнических испытаний сохранялись исходные свойства полимера и не происходила его деструкция за короткие интервалы испытаний, которая происходит в процессе длительной эксплуатации. Можно полагать, что действие наноструктур будет проявляться более существенно по мере интенсификации деструкции полимера и постепенного ухудшения изначально заложенных в него свойств. Кроме того, композиты с наноструктурами показали на определённых интервалах лучшие триботехнические свойства, чем выбранный материал подложки.

Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований» научного проекта: "Формирование беспористых покрытий из нанокомпозиционных материалов типа «износостойкая матрица - наночастицы дисульфида молибдена (вольфрама)», обладающих низким коэффициентом трения, методом химического осаждения из газовой фазы" № 15-13-00045.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 13-08-00553 в рамках государственного задания при финансовой поддержке Минобрнау-ки России. Коды проектов: № 933-2014, № 1972-2014.

Список литературы

1. Трибология. Физические основы, механика и технические приложения: учебник для вузов / И.И. Беркович, Д.Г. Громаковский; под ред. Д.Г. Громаковского; Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2000. 268 с.

2. Кламанн Д. Смазки и родственные продукты. Синтез. Свойства. Применение. Международные стандарты / пер. с англ.; под ред. Ю.С. Заславского. М.: Химия, 1988. 488 с.

3. Смазочные материалы; антифрикционные и противоизносные свойства; методы испытаний: справочник / под ред. Р.М. Матвеевский, В.Л. Лашхи, И.А. Буяновский и др. М.: Машиностроение, 1989. 224 с.

4. Mikhail L. Katsnelson. Graphene - Carbon in two dimensions. Cambridge: Cambridge University, 2012. P. 6.

5. Bharat Bhushan. Introduction to tribology. New York: John Wiley & Sons, 2002. P. 252 - 267.

6. Светличный В.М., Кудрявцев В.В. Полиимиды и проблема создания современных конструкционных и композиционных материалов / Высокомолекулярные соединения. 2003. Сер. А. Т. 45. №6. С. 1 - 52.

Бреки Александр Джалюльевич, канд. техн. наук, доц., зам., зав., кафедрой, зав. лабораторией по основам трения и смазки, alhrekiayandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,

Фадин Юрий Александрович, д-р техн. наук, проф., зав. лабораторией трения и износа ИПМаш РАН, fadinsphayandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Институт проблем машиноведения РАН,

Диденко Андрей Леонидович, канд. хим. наук, доц., старший научный сотрудник лаборатории синтеза новых высокотермостойких полимеров ИВС РАН, vanilin72@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Институт высокомолекулярных соединений РАН,

Кудрявцев Владислав Владимирович, д-р хим. наук, проф., заведующий лабораторией синтеза новых высокотермостойких полимеров ИВС РАН, vanttm72@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Институт высокомолекулярных соединений РАН,

Толочко Олег Викторович, д-р техн. наук, проф., директор научно-технологического комплекса «Материалы и технологии», plast-ftim@,mattru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,

Васильева Екатерина Сергеевна, канд. техн. наук, доц., katrinfr@inbox.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,

Гвоздев Александр Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., technology@,tspu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,

Стариков Николай Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., зам., зав., кафедрой, sta-rikov taii@,matt.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Калинин Антон Алексеевич, зам. директора Издательства ТулГУ, anto-ny_ak@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Провоторов Дмитрий Алексеевич, канд. техн. наук, ведущий инженер-конструктор, prodmyt@rambler.ru, Россия, Тула, ООО Научно-производственное предприятие «Вулкан-ТМ».

TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF COMPOSITE COA TINGS ON THE BASIS OF POLYHETEROARYLENES "DAI" WITH AGGREGATES OF NANOPARTICLES OF

TUNGSTEN DICHALCOGENIDES

A.D. Breki, Yu.A. Fadin, A.L. Didenko, V. V. Kudryavtsev, O. V. Tolochko, E.S. Vasilyeva, A.E. Gvozdev, N.E. Starikov, D.A. Provotorov

The paper presents the results of studies of tribological properties of composite coatings with a matrix of polyheteroarylenes DAI and fillers from nanoparticles of tungsten di-chalcogenides. To create a composite material used were obtained by gas-phase synthesis of nanoparticles of tungsten disulfide size 40nm and tungsten diselenide size 60х5nm.

Key words: polyheteroarylenes, composite coating, the tungsten dichalcogenides, nanoparticles, gas-phase synthesis, dry friction, wear.

Breki Alexander Dzhalyulevich, candidate of technical sciences, docent, Deputy., Head., of the Department, Head. Laboratory on the basics of friction and lubrication, albre-ki@yandex.ru, Russia, Saint-Petersburg, St. Petersburg Polytechnic University of Peter the Great,

Fadin Yuri Alexandrovich, doctor of technical sciences, professor, head. the laboratory of friction and wear IPMash RAS, fadinspb@yandex.ru, Russia, St. Petersburg, Russia, Institute ofproblems of mechanical engineering RAS,

Didenko Andrey Leonidovich, candidate of chemical sciences, docent, senior researcher of the laboratory of synthesis of new high-heat-resistant polymers IVS RAS, vani-lin72@yandex.ru Russia, Saint-Petersburg, Institute of macromolecular compounds RAS,

Kudryavtsev Vladislav Vladimirovich, doctor of chemical sciences, professor, head of the laboratory of synthesis of new high-heat-resistant polymers IVS RAS, vani-lin72@yandex.ru, Russia, Saint-Petersburg, Institute of macromolecular compounds RAS,

Tolochko Oleg Viktorovich, doctor of technical sciences, professor, director of scientific-technological complex "Materials and technologies", plast-ftim@,mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Polytechnic University Peter the Great,

Vasil'eva Ekaterina Sergeevna, candidate of technical sciences, docent, ka-trinfr@,inbox.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Polytechnic University Peter the Great,

Gvozdev Alexander Evgenyevich, doctor of technical sciences, professor, technolo-gy@tspu.tula.ru, Russia, Tula, Tula L.N. Tolstoy State Pedagogical University,

Starikov Nikolay Evgenyevich, doctor of technical sciences, professor, deputy head of chair, starikov taii@,mail.ru, Russia, Tula, Tula state University,

Kalinin Anton Alekseevich, deputy director of Publishing House, antony_ak@mail.ru, Russia, Tula, Tula state University,

Provotorov Dmitriy Alekseevich, candidate of technical sciences, Leading Design-Engineer, prodmyt arambler.ru, Russia, Tula, Scientific-Manufacturing Enterprise «Vulkan-TM»