Теплофизические и триботехнические свойства фторполимерных молекулярных композитов

УДК 620.2-022.532

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФТОРПОЛИМЕРНЫХ МОЛЕКУЛЯРНЫХ КОМПОЗИТОВ

© В.В. Худяков, Ю.В. Мещерякова, Г.С. Баронин

Ключевые слова: триботехнические и теплофизические свойства; нанокомпозиты на основе фторполимера; газофазное смешение; наночастицы металлические и керамические.

Исследованы теплофизические и триботехнические свойства фторполимерных молекулярных композитов. Проанализированы экспериментальные зависимости, из которых следует, что наибольший эффект наблюдается в области малых добавок (до 1 мас. ч. на 100 мас. ч. ПТФЭ), экспериментальные результаты объясняются переходом системы из однофазной в многофазную, а сама точка экстремума указывает на метастабильное состояние системы, где отмечается наивысшая гомогенность системы.

При создании конструкционных полимерных материалов, а также для изготовления изделий с заданными функциональными свойствами часто возникает задача регулирования теплофизических и триботехнических свойств, таких как тепло- и температуропроводность, удельная теплоемкость и износостойкость. Приведенные свойства полимеров имеют большое значение, т. к. от них зависят технологические и эксплуатационные характеристики разрабатываемых композиционных материалов.

Настоящая работа посвящена изучению теплофизических свойств полимеров и композитов на их основе с использованием модернизированного прибора ББС-2 производства фирмы «Регкіп-ЕІтег», работающего по методу дифференциальной сканирующей калориметрии и информационно-измерительной системы неразрушающего контроля твердых материалов (ИИС НК ТФСМ), а также исследованию триботехнических характеристик на машине трения.

Объектом исследования является политетрафторэтилен (ПТФЭ). Модифицирующими добавками служат кобальто-фторорганический порошок (КоФП), крем-ний-фторорганический порошок (КФП) и титано-фторорганический порошок (ТФП), полученные по новой технологии [1].

С ипальэованием дифференциально-сканирующего калориметра определяется удельная скорость поглощения энергии образцами при различной температуре. Информационно-измерительная система неразрушающего контроля позволяет определять теплопроводность и температуропроводность исследуемых материалов зондовым методом.

На рис. 1 (а, б, в) приведена зависимость максимальной скорости поглощения энергии образцов полимерной системы в области плавления политетрафторэтилена с модифицирующими добавками - КоФП, КФП и ТФП от концентрации модификаторов (0,05; 0,1; 0,5; 1; 5 мас. частей на 100 мас. частей ПТФЭ).

Теплофизические исследования показали, что для ПТФЭ с модифицирующими добавками характерно увеличение удельной скорости поглощения энергии образцом + по сравнению с исходным ПТФЭ.

12

10

\ \’шг їх, к; Дж/

" С, масс. част. КоФ —I 1 1 1

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

а)

б)

10

9

1 Ушах, к Дж,

I

1

\ С, масс.част. Т‘] 1 1 1

в)

Рис. 1. Графики зависимости максимальной скорости поглощения энергии образцов полимерных систем Ф4 + КоФП (а), Ф4 + КФП (б), Ф4 + ТФП (в) от массовой части этих модификаторов

1922

Рис. 2 (а, б) представляет собой зависимости тепло-и температуропроводности для тех же материалов, что были использованы и при исследованиях на ББС-2.

Экспериментально установлено, что наибольший эффект во всех используемых теплофизических методах исследования дают малые доли вносимых модификаторов, а именно, 0,05 и 0,1 мас. ч. на 100 мас. ч. ПТФЭ.

Исследование триботехнических характеристик проводилось на машине трения определением весового и размерного износа. Образцы цилиндрической формы диаметром 50 мм, высотой 14 мм закреплялись винтом в центре. В качестве контртела использовалась шлифовальная сетка зернистостью К 150. Весовой износ определялся изменением массы образца до и после испытания на аналитических весах. Размерный износ рассчитывался как разница в высоте исследуемого объекта микрометром по трем точкам под углом 120°.

Длительность эксперимента составила 60 мин., усилие прижима 0,5 кгс, частота вращения контртела 12 об./мин.

В ходе проведения эксперимента на машине трения были выявлены методические особенности, которые необходимо выполнять во время испытаний:

- поддержание постоянного усилия прижима контртела к образцу во время эксперимента;

- направление векторов скорости движения контртела по исследуемому образцу и его расстояние от центра контртела.

На рис. 3 (а, б, в) представлены экспериментальные зависимости весового износа полимерного композита от концентрации модификаторов КоФП, КФП, ТФП.

Рис. 2. График зависимости тепло-

Для выполнения приведенных методических факторов целесообразна разработка информационноизмерительной системы для сбора, обработки и хранения получаемых результатов, в частности, разработка алгоритма определения коэффициента трения; а также автоматизации, например, реализация программного управления усилием прижима.

а)

0,7

0,2

3

2

1

С. м.ч. КФІI

б)

в)

Рис. 3. Графики весового износа 1в (г) полимерных композитов ПТФЭ от содержания модификаторов КоФП (а), КФП (б), ТФП (в). Время абразивного износа 20 мин. (1), 40 мин. (2), 60 мин. (3); частота вращения контртела 12 об./мин.; усилие прижима 0,5 кгс

Анализируя полученные зависимости теплопроводности и триботехнических свойств исследуемых композитных материалов, можно сделать вывод, что нанокомпозиты, полученные молекулярным смешением имеют как однофазное, так и многофазное строение. Экстремумы в области малых добавок (до 1 мас. ч.), как керамических (КФП), так и металлических (КоФП, ТФП), подтверждают переход системы из однофазной структуры в многофазную, а сама точка экстремума указывает на метастабильное состояние системы, где отмечается наивысшая гомогенность системы [2, 3].

ЛИТЕРАТУРА

1. Худяков В.В., Мещерякова Ю.В., Юрков Г.Ю., Баронин Г.С. Теплофизический анализ образцов политетрафторэтилена и композитов на его основе // Современные твердофазные технологии: теория, практика, инновационный менеджмент: материалы IV Меж-дунар. науч.-инновац. молодежной конф. / под общ. ред. Д. О. Зав-ражина. Тамбов: Изд-во ИП Чеснокова А.В., 2012.

2. Кулезнев В.Н. Смеси полимеров. М.: Химия, 1980. 304 с.

3. Баронин Г.С., Кербер М.Л., Минкин Е.В., Радько Ю.М. Переработка полимеров в твердой фазе: физико-химические основы. М.: Машиностроение-1, 2002. 320 с.

1923

БЛAГOДAPНOСTИ: Работа поддержана грантом президента РФ для государственной поддержки ведущих научных школ РФ, код проекта НШ-3550 2012 3

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Khudyakov V.V., Meshcheryakova Y.V., Baronin G.S. THERMAL AND TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF FLUO-ROPOLYMER MOLECULAR COMPOSITES

Thermo-physical and tribological properties of fluoropolymer molecular composites are studied. The experimental dependence, from which it follows that the greatest effect is observed in the area of small additions (up to 1 m h to 100 m h PTFE), the experimental results are explained by the transition from a single-phase system in a multi-phase, and points to the extreme point of the metastable state system where the system has the highest homogeneity.

Key words: tribological and thermal properties; nanocomposites based on fluoropolymer; gas phase mixing; metal and ceramic nanoparticles.

УДК 539.3

ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЧЕСКОГО ДВОЙНИКОВАНИЯ И ЛОКАЛЬНОГО РАЗРУШЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СПЛАВА №2МпОа ПРИ ИНДЕНТИРОВАНИИ ЕГО ПОВЕРХНОСТИ

© О.М. Остриков, Е.В. Шматок

Ключевые слова: двойникование; мартенсит; магнитный сплав с памятью формы.

Методом индентирования поверхности пирамидой Виккерса изучено двойникование и локальное разрушение сплавов Гейслера №2МпОа. В аустенитной фазе данного сплава впервые обнаружен процесс образования каналов Розе и дендритных трещин. Установлено, что в мартенситной фазе у отпечатка индентора на поверхности (100) монокристалла №2МпОа образуются группы параллельных двойников линзовидной формы.

Металлические монокристаллы на основе №2МпОа являются перспективными в плане практического использования магнитными материалами с памятью формы. Данные сплавы были открыты в 1903 г. немецким химиком и металлургом Фридрихом Гейслером, который обнаружил, что сплав бронзы с химическими элементами типа 8п, А1, 8Ъ, В или может кристаллизоваться в ферромагнитные сплавы, хотя сами составляющие элементы не являлись ферромагнитными [1].

Огромный интерес к экспериментальным и теоретическим исследованиям семейства сплавов Гейслера непосредственно связан с рядом их уникальных свойств, которые проявляются в области структурного перехода при изменении внешних факторов, таких как температура, магнитное поле, давление. К данным свойствам можно отнести следующие: эффект памяти формы, магнитный эффект памяти формы, сверхупругость, сверхпластичность, гигантские обратимые маг-нитодеформации [2-6]. Данные свойства позволяют применять сплавы Гейслера в качестве различных функциональных материалов, таких как термочувствительные силовые элементы, различного рода фиксаторы в медицине, а также в качестве рабочего тела в технологиях магнитного охлаждения [2, 4].

Целью данной работы стало изучение особенностей пластической деформации, формирования каналов Розе и разрушения монокристаллов №2МпОа при микроинден-тировании поверхности алмазной пирамидой Виккерса.

Источником напряжений в данной работе выступал индентор Виккерса, у отпечатка которого на поверхности (100) мартенситной фазы монокристалла №2МпОа возникал ансамбль тонких линзовидных двойников, увеличенное изображение которых представлено на

рис. 1. Видно, что двойники не имеют равную длину и расположены на разном расстоянии друг от друга.

После тысячи циклов нагрузки-разгрузки в аустенитной фазе монокристалла №2МпОа наблюдается изменение деформационной картины у отпечатка ин-дентора, которое проявилось в образовании трещин и каналов Розе [7], представленных на рис. 2, и которых в недеформированном циклической нагрузкой монокристалле не наблюдалось. В данном процессе зарождения трещин у отпечатка индентора можно выделить следующие этапы: 1) скольжение, способствующее зарождению каналов Розе; 2) образование каналов Розе; 3) перерождение каналов Розе в микротрещины.

Рис. 1. Группы параллельных тонких линзовидных двойников у отпечатка пирамиды Виккерса на поверхности

1924