Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВЗРЫВНОЙ ОБРАБОТКИ НА ТЕРМИЧЕСКОЕ РАСШИРЕНИЕ БРОНЗОФТОРОПЛАСТОВЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Сергеев И.В. 1
1 Волгоградский государственный технический университет
Использование энергии взрыва для прессования порошковых смесей полимеров с наполнителем является перспективным и актуальным направлением развития способов получения полимерных композиционных материалов, обеспечивающих одновременно формование, термодинамическую активацию и консолидацию порошков адгезионноинертных трудноперерабатываемых полимеров и металлов. В работе исследовано влияние интенсивности взрывной обработки на термическое расширение антифрикционных композиционных материалов на основе фторопласта-4, содержащих 10-30 % дисперсной бронзы. Объемное термическое расширение композиционных материалов на основе фторопласта-4 определялось по оригинальной методике, основанной на простой форме дилатометрического анализа. Установлено, что интенсификация взрывной обработки обеспечивает понижение термического коэффициента объемного расширения композиционных материалов за счет усиления адгезионного взаимодействия в системе полимер–металл и модификации структуры полимера.
фторопласт-4
порошок бронзы
взрывная обработка
ударное давление
композиционный материал
термическое расширение
адгезионное взаимодействие.
1. Адаменко Н. А., Казуров А. В., Фам А. Х. Термомеханические свойства меднофторопластовых композитов // Пластические массы. - 2006. - № 12. - С. 13-16.
2. Адаменко Н. А., Трыков Ю. П., Казуров А. В. Свойства железофторопластового композита, полученного взрывным прессованием в ампулах // Перспективные материалы. - 2003. - № 4. - С. 83-86.
3. Адаменко Н. А., Фетисов А. В., Казуров А. В. Взрывная обработка металлополимерных композиций. - Волгоград, 2007. - 240 с.
4. Белый В. А. Металлополимерные материалы и изделия. - М.: Химия, 1979. - 135 с.
5. Бузник В. М. Новые наноразмерные и микроразмерные объекты на основе политетрафторэтилена // Российские нанотехнологии. - 2009. - Т.4. - № 11-12. - С 35-41.
6. Испытания металлофторопластовых листовых антифрикционных материалов при скоростях скольжения до 3 м/с / В. Н. Корнопольцев, Н. В. Корнопольцев, Д. М. Могнонов // Трение и износ. - Т. 30. - 2009. - № 4. - С. 385-389.
7. Исследование влияния модификаторов и наполнителей фторопласта на основные триботехнические характеристики бронзофторопластовых подшипников / Герцык М. А. и др. //Вопросы материаловедения. - 2001. - № 2. - С. 148-156.
8. Охлопкова А. А., Виноградов А. В., Пинчук Л. С. Пластики, наполненные ультрадисперсными неорганическими соединениями. - Гомель: ИММС НАНБ, 1999. - 164 с.
9. Промышленные полимерные композиционные материалы. Пер. с англ. / Под ред. П. Г. Бабаевского. - М.: Химия, 1980. - 472 с.
10. Рогозин В. Д., Казуров А. В., Адаменко Н. А. Анализ параметров взрывного прессования металлополимерной смеси в цилиндрической ампуле // Известия Волгоградского гос. технического университета. Сер. Проблемы материаловедения, сварки, прочности в машиностроении. - 2008. - № 10 (48). - Вып. 2. - С. 42-44.
В узлах трения машиностроительного оборудования широко применяются материалы на основе фторопласта (Ф-4, политетрафторэтилена), обладающего высокими антифрикционными свойствами, химической инертностью и термостойкостью, что ставит его в ряд перспективных полимеров для создания самосмазывающихся композиций. Однако низкие прочностные свойства и износостойкость, высокая хладотекучесть Ф-4 ограничивают эксплуатационные свойства антифрикционных изделий на его основе [5, 8]. Создание композиционных материалов (КМ) введением в Ф-4 до 30 % об. различных порошкообразных неорганических материалов позволяет увеличить износостойкость в 250-1000 раз, прочность при сжатии в 1,5-2,0 раза, а также снизить хладотекучесть. Однако из-за низкого адгезионного взаимодействия между Ф-4 и наполнителем происходит снижение прочности при растяжении, относительного удлинения и ударной вязкости, что не позволяет в полной мере решить проблему повышения эксплуатационных свойств антифрикционных изделий. При этом введение во Ф-4 большего количества упрочняющей фазы (более 30 % об.) приводит к резкому падению физико-механических свойств КМ на основе Ф-4 [8]. Повысить эксплуатационные свойства КМ на основе Ф-4 можно путем усиления адгезионного взаимодействия между матрицей и наполнителем [7, 8]. Наиболее перспективно использование в антифрикционных деталях в качестве наполнителей Ф-4 бронзы, которая значительно улучшает их триботехнические характеристики [6, 7], а также активна при создании адгезионных контактов с полимером.

Использование энергии взрыва для прессования порошковых смесей полимеров с наполнителем является перспективным и актуальным направлением развития способов получения полимерных КМ высокоэнергетическим воздействием, обеспечивающим одновременно формование, термодинамическую активацию и консолидацию порошков адгезионноинертных трудноперерабатываемых полимеров и металлов [2, 3].

Целью работы являлось изучение влияния режимов взрывной обработки на термический коэффициент объемного расширения (ТКОР, b) КМ на основе Ф-4, содержащих от 10 % до 30 %  об.  порошкообразной бронзы ПБрО5Ц5С5, с размером частиц 14-150 мкм.

Получение КМ осуществлялось взрывной обработкой (ВО) бронзофторопластовых смесей в стальных ампулах. Смеси приготавливались сухим смешиванием порошков Ф-4 и бронзы, которые перед ВО статически подпрессовывались в ампулах для достижения оптимальной пористости смеси (20-25 %) [2, 3]. Изменение интенсивности режимов ВО осуществлялось вариацией скорости детонации инициируемого заряда взрывчатого вещества, что позволяло изменять давление в ударном фронте (Р) от 0,1 до 0,8 ГПа [2, 10]. Спекание полученных прессовок проводилось в ампулах при температуре 380 ºС с выдержкой 15 минут на 1 мм толщины образца.

Объемное термическое расширение КМ на основе Ф-4 определялось на установке термомеханического анализа ТМИ-1 по оригинальной методике, основанной на простой форме дилатометрического анализа [1]. ТКОР определяли по следующей формуле:

,

где Dh - приращение высоты образца в заданном интервале температур; Δt = t2-t1 - разность температур в заданном интервале; h0 - начальная высота образца при 22 оС. При анализе термического поведения композита удобнее пользоваться средними значениями ТКОР в интервале температур, где t1 - const, поэтому температура t1 = 22 оС, а t2 соответствовала температуре нагрева (от 23 до 415 оС).

На кривых термического расширения КМ Ф-4+бронза, микроструктуры которых представлены на рис. 1, наблюдаются характерные участки (рис. 2), соответствующие определенным фазовым (аморфное и кристаллическое) и физическим состояниям (высокоэластическое и вязкотекучее) Ф-4, интервал которых определяется температурами перехода t1, t2 и t3 (415 оС - температура термоокислительной деструкции Ф-4), значения которых и соответствующие им ТКОР указаны в таблице 1. В температурном интервале до t1 происходит небольшое увеличение ТКОР (до 9-37·10-5 1/оС), связанное со стабильной высококристаллической структурой Ф-4. В интервале t1-t2 наблюдается резкий скачок ТКОР (до 56-100·10-5 1/оС), обусловленный плавлением кристаллической фазы Ф-4 (tпл = 327 оС), так как упорядоченная структура разориентируется, в результате чего удельный объем полимера возрастает на 20-30 % [9]. В интервале t2-t3 оС происходит равномерный рост ТКОР до 63-185·10-5 1/оС, связанный с дальнейшим расширением аморфной фазы Ф-4 в результате снижения адгезионного и межмолекулярного взаимодействия. При температурах, близких к 415 оС, у образцов, полученных на слабых режимах ВО, наблюдается резкий скачок ТКОР, что очевидно связано с полной потерей кристаллической фазы Ф-4.

Существенные различия в значениях ТКОР КМ, полученных при различных режимах ВО, обнаруживаются только при плавлении кристаллической фазы Ф-4. Как следует из экспериментально полученных зависимостей (рис. 2, а) максимальное термическое расширение (при t2-t3) КМ с 10 % содержанием бронзы после ВО при высоких ударных давлениях  (Р = 0,6-0,8 ГПа) (без спекания) в 1,3-2,0 раза меньше (b415оС = 75-94·10-5 1/оС), чем после ВО при низких ударных давлениях (Р = 0,1 - 0,3 ГПа) - b415оС = 100-185·10-5 1/оС. С увеличением концентрации бронзы с 10 % до 30 % ТКОР в интервале t2-t3 наиболее интенсивно снижается у КМ, полученных ВО при низких ударных давлениях (на 13-45·10-5 1/оС), а у КМ, полученных при высоких ударных давлениях, на 12-23·10-5 1/оС.

 

а

 

б

Рис. 1. Микроструктуры композитов фторопласт-4 + 10 % (а) и 30 % (б) бронзы (увеличение х200) после ВО: темное-Ф-4, светлое-бронза

Рис. 2. Зависимость термического коэффициента объемного расширения КМ Ф-4 + 10 % (а) и 30 % (б) бронзы от температуры, после ВО при Р = 0,1-0,3 ГПа (кривые 1 и 2) и Р = 0,6-0,8 ГПа (кривые 3 и 4): 1, 3 - образцы до спекания; 2, 4 - образцы после спекания

После спекания максимальные значения ТКОР ниже на 1-8·10-5 1/оС у КМ, полученных при более интенсивной ВО. Причем, если в КМ, полученных ВО при Р = 0,6-0,8, ГПа после спекания ТКОР не изменяется (при 10 % бронзы) или изменяется не существенно (на 8·10-5 1/оС) при 30 % содержании бронзы (рис. 2, б), то в КМ после ВО при Р = 0,1-0,3 ГПа наблюдается существенное снижение ТКОР: при 10 % наполнении в 1,5 раза (со 100-185·10-5 1/оС до 65-120·10-5 1/оС) (рис. 2, а), при 30 % наполнении в 1,0-1,2 раза (с 87-140·10-5 1/оС до 70-136·10-5 1/оС) (рис. 2, б).

Таблица 1.  Характерные температуры и ТКОР КМ на основе Ф-4

Концент-рация бронзы, %

Давление в ударном фронте (Р), ГПа

спека-ние, 380 ºС

t1, ºС

b1, ·10-5 1/оС

t2, ºС

b2, ·10-5 1/оС

b415  (при 415 ºС), ·10-5 1/оС 

10

0,1-0,3

-

278

21

315

100

185

+

278

37

305

65

120

0,6-0,8

-

300

9

340

75

94

+

265

42

315

74

93

30

0,1-0,3

-

283

10

321

87

140

+

277

14

295

70

136

0,6-0,8

-

308

27

326

63

71

+

292

35

297

56

63

Выявленные особенности изменения термического расширения связаны как с количественными смесевыми закономерностями, так и с качественными структурными изменениями в КМ, а также возможным влиянием остаточных напряжений, что в совокупности обеспечивает более низкий ТКОР у композитов после ВО при Р = 0,6-0,8 ГПа, чем после ВО при 0,1-0,3 ГПа.

Более интенсивная взрывная обработка композиций на основе Ф-4 обеспечивает более сильное адгезионное взаимодействие между полимером и металлом, что является результатом быстротечного действия более высоких энергий взрыва [3, 4]. В результате при передаче тепла упрочняющая фаза выполняет функцию узлов сетки, препятствующих тепловому перемещению макромолекул и их сегментов, что проявляется в снижении термического расширения КМ после более интенсивной ВО. За счет усиления взаимодействия между Ф-4 и бронзой также увеличивается доля межфазной зоны, которая, имея более аморфную структуру, вносит меньший вклад в общее термическое расширение КМ. При этом с увеличением концентрации металла до 30 %, одновременно с ростом объема межфазной зоны, усиливается эффект самоармирования полимера, что еще больше снижает термическое расширение КМ.

Близкие деформации до и после спекания образцов, полученных на более интенсивных режимах ВО, подтверждают участие большего объема полимера в адгезионном взаимодействии и усилении межмолекулярного взаимодействия в межфазном слое, в отличие от слабых режимов ВО, где полимер спекается, как в малонаполненных композициях. Более высокая деформация при нагреве образцов с 30 % содержанием бронзы после низких давлений ВО и спекания подтверждает недостаточную реализацию адгезионной прочности полимера с металлическим наполнителем, который играет роль дефектов и способствует разрыхлению композиционной смеси в отличие от малонаполненных (10 % бронзы) и обладающих высокой адгезионной прочностью после ВО. Вероятно, что при спекании образцов после ВО при Р = 0,1-0,3 ГПа происходит резкое изменение напряженно-деформированного состояния полимера, в результате чего происходит разрыв слабых адгезионных связей полимер-металл и после охлаждения по границам металлических частиц могут образовываться поры. Это еще раз подтверждает хорошее взаимодействие Ф-4 с бронзой при интенсивной взрывной обработке и монолитизации полимера с меньшими объемными изменениями, а, следовательно, с малой усадкой при спекании, что особенно важно при производстве металлополимерных изделий.

Таким образом, установлено, что с ростом ударных давлений ВО происходит усиление адгезионного взаимодействия между Ф-4 и металлом в КМ, с увеличением межфазного слоя. В результате упрочняющая фаза выполняет функцию узлов сетки, препятствующих перемещению сегментов макромолекул, что сопровождается снижением коэффициента термического расширения и, следовательно, повышается эксплуатационная термостабильность антифрикционных изделий на основе Ф-4.

Автор выражает благодарность Адаменко Н. А. и Казурову А. В. за участие в проведении экспериментов и обсуждение статьи.

Работа выполнена при финансовой поддержке Гранта Президента РФ МК-2425.2011.8., гранта РФФИ № 10-03-97016, проекта 2.1.2/3082 целевой программы Рособразования.

Рецензенты:

  • Запороцкова И. В., д.ф.-м.н., профессор кафедры, зав. кафедрой «Судебной экспертизы и физического материаловедения» ВолГУ, Волгоградский государственный университет, г. Волгоград.
  • Каунов А. М., д.т.н., профессор кафедры «Теория и методика трудового обучения и воспитания» ВГСПУ, Волгоградский государственный социально-педагогический университет,  г. Волгоград.

Библиографическая ссылка

Сергеев И.В. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВЗРЫВНОЙ ОБРАБОТКИ НА ТЕРМИЧЕСКОЕ РАСШИРЕНИЕ БРОНЗОФТОРОПЛАСТОВЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 2.;
URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=5774 (дата обращения: 15.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074