АНТИФРИКЦИОННЫЙ ПОЛИМЕРНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
ANTI-FRICTION POLYMER COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к области материаловедения, в частности к антифрикционным полимерным композиционным материалам, предназначенным для изготовления деталей смазываемых и несмазываемых узлов трения машин и агрегатов.
Известны антифрикционные полимерные композиционные материалы на основе политетрафторэтилена, например, антифрикционный композиционный материал (А.С. №1812190 МПК C08J 5/16). Он содержит политетрафторэтилен (ПТФЭ), порошки дисульфида молибдена, оловянно-свинцовой бронзы и углеродный наполнитель в виде углеродного волокна с длиной волокон 0,05-0,5 мм. Углеродные волокна получают из выдержанного в течение 48 часов в жидком фреоне карбонизированного углеволокнистого материала, высушенного и измельченного в присутствии порошка ПТФЭ до волокон указанной длины.
Известным композиционным материалам присущи недостатки, ограничивающие область их применения и снижающие надежность и долговечность узлов трения машин. Основным недостатком является недостаточная износостойкость известных композиционных материалов. Кроме того, технология подготовки углеродного материала и порошка бронзы достаточно сложна и малопроизводительна (длительная обработка углеродного материала в жидком фреоне и последующая сушка, длительная обработка порошка бронзы в водородной среде для восстановления окисленных частиц бронзы), но необходима для усиления адгезионного взаимодействия компонентов материала с полимерной матрицей.
Известен также полимерный антифрикционный композиционный материал (Патент на изобретение №2307130 С1), который содержит компоненты в следующем соотношении, масс. %: политетрафторэтилен - 81,5-87,0; дисульфид молибдена - 1,5-2,0; скрытокристаллический графит - 6,0-10,0; углеродное волокно - 4,0-7,0 с длиной волокон 0,05-0,5 мм. Этот материал наиболее близок по своей физической сущности к предлагаемому композиционному материалу, однако этому известному материалу также присущи недостатки, снижающие технический уровень, надежность и долговечность узлов трения и в целом машин, где применяются детали узлов трения, изготовленные с использованием этого материала, поскольку его износостойкость остается недостаточной и не удовлетворяет современным требованиям к надежности и долговечности узлов трения и машин в целом. Кроме того, технология подготовки углеродного волокна и контроля длины волокон достаточно сложна и трудоемка.
Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости и снижение трудоемкости изготовления композиционного материала.
2
Указанный технический результат достигается тем, что в антифрикционном полимерном композиционном материале, включающем политетрафторэтилен, дисульфид молибдена и два углеродных наполнителя, один из которых представляет собой ультрадисперсный порошок скрытокристаллического графита с удельной поверхностью 50-75 м/г, согласно заявленному изобретению вторым углеродным наполнителем служат углеродные нанотрубки, причем компоненты взяты в следующем соотношении масс: политетрафторэтилен 86-95%; дисульфид молибдена 1,0-2,3%; скрытокристаллический графит 1,5-6%; углеродные нанотрубки 1,0-3,8%. Данное техническое решение позволяет исключить длительную и трудоемкую операцию подготовки и измельчения углеродного волокна. Повышение износостойкости композиционного материала достигается благодаря чрезвычайно высокой структурно-энергетической активности нового наноразмерного компонента - углеродных нанотрубок (УНТ), выполняющего роль структурно-активного модификатора полимерной матрицы. Он оказывает существенное влияние на адгезионное взаимодействие компонентов, эффективность структурообразующих процессов и способствует формированию аморфно-кристаллической плотноупакованной структуры полимерного нанокомпозита с повышенными триботехническими свойствами.
-1
Пример. Для изготовления композиционного материала берут политетрафторэтилен - фторопласт-4 марки ПН в количестве 90 мас.% от массы образца, дисульфид молибдена 1,5 мас.%, скрытокристаллический графит - 6 мас.% и углеродные нанотрубки - 2,5 мас.% и смешивают в смесителе с частотой вращения ротора не менее 7000 мин в течение 2,0-2,5 мин. Композиционную смесь равномерно засыпают в пресс-форму и прессуют при давлении 90-100 МПа. Отпрессованную заготовку спекают в печи при температуре 360±5°С с выдержкой при названной температуре из расчета 8-9 мин на 1 мм толщины стенки заготовки. Нагрев заготовок до температуры спекания производят со скоростью 1,5-2,0 град/мин, охлаждение от температуры спекания до 327°С - со скоростью 0,3-0,4 град/мин и от 327°С до 20-25°С охлаждают вместе с печью.
Оценку степени повышения триботехнических свойств предлагаемого композиционного материала и определение оптимального содержания компонентов производили путем изготовления образцов предлагаемого материала по технологии, описанной в примере, и последующего испытания. В таблице 1 приведены составы четырех композиций и показатели триботехнических свойств (скорость изнашивания, коэффициент трения) материалов.
Таблица 1
Состав композиционных материалов
Свойства материалов
Композиция
Содержание, масс.%
Скорость изнашивания, г/ч·10<sup>-4</sup>
Коэффициент трения
ПТФЭ
СКГ
MoS<sub>2</sub>
УНТ
1
90,0
6
1,5
2,5
10,2
0,09
2
94,2
1,5
1,2
3,1
11,4
0,08
3
91,7
4,5
1,9
1,9
8,2
0,07
4
91
3
2,3
3,7
13,4
0,08
-4
-4
Приведенные в таблице результаты показывают, что заявленный полимерный композиционный материал имеет среднее значение скорости изнашивания 10,8·10 г/ч и коэффициент трения 0,08. В то же время прототип имеет средние показатели триботехнических свойств - 20,2·10 г/ч и 0,078 (см. Патент на изобретение №2307130). Таким образом, заявленный антифрикционный полимерный композиционный материал имеет меньшую в 1,9 раза среднюю скорость изнашивания при почти одинаковом с прототипом коэффициенте трения.
Следовательно, применение заявленного материала, обладающего более высокой износостойкостью, обеспечит повышение надежности и долговечности соответствующих узлов трения машин в 1,9 раза без увеличения потерь мощности на трение при прочих равных условиях.