Композиционные триботехнические материалы на основе олигомеров сшивающихся смол

Изменение амплитуды колебаний зонда детектируется оптической системой, в

которой пучок света от ЛИ проходя по ОВ, отражается, во-первых, от его

скола на краю волокна подведенном с помощью регулируемого кронштейна на

расстояние 10мкм к ?пятке’ зонда и , во-вторых, от полированного участка на

поверхности балки. Разность отраженных оптических сигналов регистрируется и

обрабатывается блоком электроники (БЭ). По изменениям разницы сигналов

судят об изменении амплитуды колебаний зонда и , следовательно, об

изменении расстояния между сканирующим острием и исследуемой поверхностью.

С помощью системы обратной связи на базе управляющего компьютера (ПК) и

блока электроники (БЭ) подаются соответствующие управляющие напряжения на Z-

участок, пьезоэлементы двигателя (ПД). ПД, удлиняясь или укорачиваясь,

совершают перемещение острия (или образца) вдоль оси Z и тем самым

поддерживают постоянным расстояние между острием зонда и поверхностью

образца во время сканирования.

Системы детектирования и перемещений обеспечивают чувствительность по оси

Z 0,1-0,2 нм, в плоскости ХОУ- разрешение до 5-10 нм.

Сканирование острия зонда над измеряемой поверхностью осуществляется

пьезодержателем ПД1. Для этого соответствующие квантовые напряжения на ХУ-

участки трубчатого элемента подают, что приводит к их изгибу относительно

осей ОХ и ОУ и, следовательно, к сканированию в плоскости ХОУ. В

зависимости от состояния системы цифровой процессор управляет положением

зонда. Компьютер реализует растровую разветку пьезодвигателя. В заданных

узлах растровой сетки производятся измерения положений. Данные

накапливаются в ОЗУ компьтера.

Сканирование.

Подготовленный для исследований на САМ образец закрепляют на платформе

держателя в аналитическом узле таким образом, что предполагаемый участок

сканирования располагается под острием зонда. Платформа устанавливается на

направляющие. После чего, осуществляется подвод образца, выбор режима и

производится сканирование.

Обработка данных.

В результате экспериментальных исследований были получены САМ-

изображения, обработка производится на компьютере с использованием

оригинальных программ.

Первичная обработка включает вычисление общей плоскости наклона

изображения и фильтрацию шумовых компонентов. Затем методом многократной

повторной фильтрации находят длинноволновые составляющие рельефа.

Для полученных изображений производится статистический анализ высот

топографии, углов наклона рельефа и ориентационных углов. Кроме того,

выполняются профильные сочетания изображений, которые затем обрабатываются

по специальной программе для определения параметров шероховатости.

2.4. Определение ударной вязкости

Ударная вязкость в данной работе определялась на маятниковом копре RM-

201.Маятниковый копер предназначен для испытания пластмасс на сопротивление

изгибу при ударе, на их долговечность и вязкость.

Маятниковый копер работает по принципу Шарпи. Маятник качается на оси,

вращающийся в подшипниках, закрепленных на вилкообразной чугунной стойке. В

нижней части стойки имеются опоры для закрепления образца. Расстояние между

опорами можно регулировать соответственно размерам образца. На полукруглой

шкале, расположенной центрично с осью маятника, имеются два деления в

соответствии с работой удара разных маятников. В поднятом положении маятник

фиксируют собачкой. Вытянув собачку и освободив этим маятник, накопившаяся

в нем кинетическая энергия освобождается и маятник в своем самом нижнем

положении ударяет на установленный на опорах образец и ломает его. Часть

энергии израсходуется на разрушение образца; оставшаяся в маятнике

кинетическая энергия заставляет маятник взлетать в противоположную сторону.

Выходящий за пределы самого нижнего положения маятник, сломав образец при

помощи ручки, насаженной на его ось, перемещает из своего исходного

положения фрикционную стрелку, которая показывает величину взлета маятника.

Шкала отградуирована с таким расчетом, что позволяет непосредственный

отсчет энергии, израсходованной на излом.

2.5. Рентгеноструктурный анализ

Рентгеновские дифрактометры- приборы, использующие ионизационные или

инсциляторные методы регистрации дифракционных максимумов.[14]

Современный дифрактометр является сложной установкой, в которой

осуществляется фокусировка рентгеновских лучей, отраженных от образца, и

измеряется интенсивность дифракционных максимумов с помощью счетчиков.

Установка снабжена электронной и интегрирующей схемами и автоматической

записью кривых интенсивностей.

В СНГ серийно выпускаются дифрактометры семейства ДРОН (дифрактометр

рентгеновский общего назначения) в основе которых используется одна и та же

схема фокусировки рентгеновских лучей, названная в честь авторов -

фокусировка по Брэггу-Брентано.

Дифракционная картина регистрируется последовательно по мере вращения

образца и счетчика. Поэтому необходимо, чтобы интенсивность излучения

рентгеновской трубки была постоянной, а геометрическая съемка должна быть

фокусирующей при сравнительно больших размерах образца.

Дифрактометры семейства ДРОН состоят из источника высокого напряжения, на

котором обычно располагается оперативный стол с реализацией той или иной

схемы фокусировки, которая включает рентгеновскую трубку, счетчик

рентгеновских квантов. В отдельных стойках (или стойке, в зависимости от

модели) размещаются блоки линейного усилителя, дифференциального

дискриминатора, пересчетного устройства, его секундомера, устройство вывода

информации, дифропечатающего устройства, самопишущего прибора, которые

обеспечивают функционирование и возможность реализации той или иной задачи.

РТ- рентгеновская трубка,

Д- детектор,

РГ- регестрирующее устройство,

БФИ- блок формирования импульса,

ПС- пересчетная схема,

ИСПИ- измеритель скорости подачи импульсов,

ЭПП- электронный пишущий потенциометр,

ВУ- высоковольтное устройство,

О- образец.

Рис.3 Принципиальная схема дифрактометра

Глава III. Исследование структуры и свойств полимерных материалов,

модифицированных кремнийсодержащими добавками

3.1. Результаты рентгеноструктурного анализа

3.1.1.Рентгеноструктурный анализ кремня

Анализу подвергался кремний до термообработки, после термообработки

при 1000С, 2000С, 3000С в течении одного часа.

Результаты расчета рентгенограмм приведены в таблице №2. За основу

составления этих таблиц приняты значения межплоскостных расстояний, которые

рассчитывались по формуле

d/n=(/2sin( (4)

где ( -длина волны рентгеновского излучения, Е;

(-угол скольжения,0.

Таблица №2 Результаты расчета рентгенограмм кремния

|Реф-л|Кремень до |После |После |После |

|екс |Термообработ-ки|термо-обработки |термо-обработки |термо-обработки |

|№ | |при 1000С |при 2000С |при 2000С |

|Температура начала |900С |850С |950С |900С |900С |

|плавления | | | | | |

|Температура max плавления |1300С |1200С |1300С |1200С |1200С |

|Температура окончания |1600С |1600С |1500С |1550С |1700С |

|плавления | | | | | |

|Температура начала |1800С |1850С |1900С |1900С |2000С |

|окисления | | | | | |

|Температура max окисления |2100С |2050С |2200С |2100С |2200С |

|Температура окончания |2600С |2400С |2700С |2600С |2550С |

|окисления | | | | | |

|Температура начала |2900С |3400С |3050С |3000С |3250С |

|деструкции | | | | | |

|Температура конца |4600С |4600С |4700С |4600С |4600С |

|деструкции | | | | | |

[pic]Рис.7.

3.3. Ударная вязкость полимера

Ударная вязкость образцов определялась на маятниковом копре.

Наибольшей ударной вязкостью, как выяснилось, обладает полиэтилен с

добавкой 1% кремния. Образцы для опытов применялись прямоугольного профиля

площадью 7(5 мм2. Результаты опыта приведены на рис.№9

[pic]Рис.№9

3.4. Триботехнические характеристики

Триботехнические испытания проводились на трибометре ПД-!А. Как

выяснилось из результатов исследования, наибольшим коэффициентом трения

обладает образец с содержанием 3% кремния, наименьшим – с содержанием 0,1%

и 0,5%[18,19,20].

Установлено также, что с увеличением скорости скольжения образцов

увеличивается коэффициент трения и удельный износ.

Результаты исследований приведены на рис№10, №11.

Рис.10.

[pic]

Рис.11

[pic]

Глава IY. Технология изготовления триботехнических материалов на основе

полимеров

4.1. Принципы создания композиционных материалов на основе полимеров

Эксплуатационная долговечность машин и механизмов в ряде случаев

определяется надежностью работы узлов трения. Применение фрикционных

деталей из цветных и специальных подшипниковых сплавов требует выполнения

ряда условий для их надежной работы – смазки, специальных устройств,

защищающих узлы трения от воздействия абразивных частиц, загрязнений,

агрессивных сред, механических повреждений. Для малонагруженных и

низкоскоростных узлов трения техники различного назначения использование

подшипников скольжения из металлических сплавов конструктивно не обосновано

и экономически нецелесообразно. Современные композиционные материалы на

основе полимеров позволяют решить задачу повышения эксплуатационного

ресурса и надежности машин, обеспечив при этом значительные материальные

выгоды и экономический эффект.

Полимерные материалы в чистом виде нашли ограниченное применение при

изготовлении деталей узлов трения вследствие их относительно невысоких

эксплуатационных характеристик – высокого коэффициента трения,

недостаточной термо- и теплостойкости, низкой износостойкости. Для

повышения служебных характеристик полимера используют различные

направления: разработку новых связующих с требуемыми характеристиками,

модифицирование многотоннажно выпускаемых материалов функциональными

добавками, обработку специальными методами.

Выбор направления создания полимерного композита обусловлен

конкретными требованиями: экономическими, конструктивными,

технологическими, эксплуатационными и др. Например, применение полимерных

подшипников скольжения в автомобилях, сельскохозяйственных машинах,

выпускаемых большими сериями, выдвигают на первый план экономические

(стоимость, доступность сырья) и технологические (методы переработки в

изделия, возможность регенерации технологического брака) аспекты. При

использовании полимерных конструкций в единичных образцах техники, особенно

эксплуатирующейся в экстремальных условиях, естественно, более важное

значение имеют эксплуатационные и конструктивные требования – заданные

физико-механические свойства, термо- и теплостойкость и т.п. Очевидно, что

и эти методы модифицирования полимерных материалов выбираются, исходя из

анализа технико-экономических требований к конструкции.

Обобщение отечественного и зарубежного опыта создания

металлополимерных узлов трения позволило выявить основные тенденции в этой

области: разработку методов создания материалов с заданными фрикционными

свойствами и разработку методов управления поверхностными свойствами

материалов непосредственно в процессе фрикционного взаимодействия.

Исследование механизма трения и изнашивания полимеров по металлам

позволяет утверждать, что наиболее существенное влияние на фрикционные

характеристики оказывают: природа контактирующих материалов, нагрузочно-

скоростные и тепловые режимы трения, условия смазки, топография

поверхностей трения. Работа узла трения, в частности, во многом зависит от

температуры и состава окружающей среды, наличия абразива, воздействия

агрессивных и коррозионно-активных сред.

Для снижения коэффициента трения и повышения износостойкости материала

в состав связующего обычно вводят от 0,1 до 40% мас. сухих смазок –

графита, сульфидов металлов, солей высших кислот, талька, слюды и др. Такие

вещества обладают способностью образовывать на поверхностях трения

легкоподвижные слои. Данный метод модифицирования нашел наибольшее

применение для сшивающихся связующих – фенолформальдегидных, эпоксидных,

полиэфирных смол.

В последние годы широкое распространение получил метод повышения

фрикционных свойств полимерных материалов путем введения в их состав

жидкофазных смазок и смазочных масел. При введении жидких компонентов в

пределах, превышающих их совместимость с полимерным связующим, создается

возможность выделения избытка жидкости из матрицы. Наличие в зоне трения

градиента температур способствует миграции смазочной жидкости с повышенной

температурой. Таким образом, на поверхностях трения непрерывно генерируется

смазочная пленка. При снижении температуры в зоне трения скорость миграции

смазки замедляется, что способствует обеспечению эффекта самосмазывания в

течение длительного времени.

Недостатком антифрикционных материалов, содержащих жидкие смазки,

является ограниченность ресурса работы узла трения. Это связано с

относительно небольшим количеством жидкой смазки, которую можно ввести в

полимерный материал без существенного усложнения технологии изготовления и

переработки, а также без снижения и сходных физико-механических

характеристик полимерного связующего. Частично данные недостатки

устраняются при использовании специальных поглотителей жидкой смазки,

которые могут адсорбировать значительные объемы жидкости при небольших

собственных объемах. Таким образом, появляется возможность перерабатывать

композиции, содержащие до 40-50% об. жидкой смазки, на стандартном

технологическом оборудовании. В качестве поглотителей (адсорбентов) смазки

используют порошки металлов, оксидов, графита, полимеров, силикатов и др.

веществ.

Эксплуатационный диапазон применения полимерных антифрикционных

материалов часто определяется теплостойкостью полимерного связующего,

теплопроводностью композиции. Так, при скачкообразном изменении нагрузочно-

скоростных режимов эксплуатации, вызванном экстремальными ситуациями,

основной причиной отказа металлополимерного узла трения является тепловое

разрушение подшипника.

Интересен метод повышения износостойкости узлов трения, заключающийся

во введении в полимерное связующее добавок, способных к полимеризации,--

трибополимеров. Образование трибополимерной пленки в зоне трения

обеспечивает снижение износа узла. Дефицитность трибополимеризующих

присадок и ограниченный диапазон проявления этого эффекта сдерживают

развитие этого направления.

Перспективным направлением повышения износостойкости полимерных

материалов и композитов на их основе является диффузионное насыщение

поверхностных слоев деталей трения целевыми добавками. Это позволяет

достичь значительного эксплуатационного эффекта при относительно небольших

экономических затратах на модификацию изделий.

В последние годы активное развитие получил трибохимический принцип

создания металлополимерных узлов трения. Суть развиваемого принципа состоит

в направленном использовании физико-химических процессов в зоне трения с

целью обеспечения благоприятного режима эксплуатации узла.

Продукты трибохимических реакций в некоторых случаях могут выполнять

роль противоизносных добавок, так называемых ингибиторов изнашивания.

Поэтому важнейшей задачей триботехнического материаловедения является

создание трибосистем, в которых развиваются физико-химические процессы

образования ингибиторов изнашивания. В связи с этим еще на стадии

проектирования узла трения необходимо учесть трибохимические аспекты его

эксплуатации. Это будет способствовать повышению надежности и

долговечности, обеспечению требуемого ресурса работы техники. Реализация

трибохимического принципа создания металлополимерных узлов трения позволила

разработать группу самосмазывающихся материалов и методов повышения

износостойкости узлов трения.

4.2. Изготовление изделий методом контактного формования

Метод контактного формования не требует сложного оборудования, и

поэтому он широко применяется при изготовлении объемных и плоских деталей

из стеклопластиков в строительстве, машино-, приборо-, автомобиле- и

судостроении. При контактном формовании отверждение материала происходит,

как правило, при комнатной температуре, однако для ускорения процесса можно

применять обогреваемые формы или проводить отверждение при повышенных

температурах (60-1000С).

Контактное формование изделий из стеклопластика осуществляют в формах,

изготавливаемых из дерева, гипса, стеклопластика, металла и т.д. Рабочую

поверхность шаблона или формы обезжиривают обычно бензином или ацетоном,

контролируя чистоту, гладкость, отсутствие задиров и других дефектов

поверхности.

На подготовленную оснастку (форму, шаблон) наносится плоской кистью,

тампоном или распылителем разделительный слой -- адгезионная смазка,

которую необходимо просушить при температуре 18 -- 20 0С до исчезновения

липкости.

К антиадгезионному средству предъявляется ряд специфических

требований: обеспечение легкого съема отвержденного изделия с формы,

быстрое высыхание, нетоксичность, неприлипание к изделию, а также

возможность получения изделий с глянцевой или матовой поверхностью.

В качестве антиадгезионных средств используют полимерные

пленкообразующие материалы, в том числе водные и водно-спиртовые растворы

поливинилового спирта, раствор ацетата целлюлозы в ацетоне, каучуке. Их

наносят на поверхность форм плоскими кистями или распылением.

Наиболее широко применяют водно-спиртовые растворы поливинилового

спирта, скорость высыхания которых регулируется изменением соотношения воды

и этилового спирта.

Для повышения стабильности раствора поливинилового спирта в состав

раствора вводится мыло[5,6].

В промышленности при переработке полиэфирных стеклопластиков с

использованием деревянных шаблонов и форм применяют смазку следующего

состава.

Таблица №5

Состав смазки при переработке полиэфирных стеклопластиков

|Уайт-спирит |100 мас. ч. |

|Церезин М-80 | 17,1 мас. ч. |

|Воск буроугольный | 17,1 мас. ч. |

|Полиэтиленовый воск ПВ-300 | 4,29 мас. ч. |

|Полиэтиленовый воск окисленный |4,29 мас. ч. |

Смазка обеспечивает до 15-25 съемов изделий. Ее готовят путем

растворения смеси сухих компонентов в уайт-спирите в течении 3-4 часов при

80-90 0С на водяной бане. Для повышения эффективности смазки рекомендуется

в состав ее вводить ускорители отверждения.

После высыхания разделительного слоя рабочую поверхность оснастки

покрывают равномерным слоем формовочного состава, включающего полиэфирную

смолу, красители, загустители, добавки, снижающие ингибирующее действие

кислорода воздуха, и т.д. Затем укладывают стеклоткань по длине (ширине)

стола, шаблона. Стыки полотнищ стеклоткани шириной не менее 20 мм,

необходимо равномерно смещать по длине (ширине) формовочной оснастки во

избежание утолщений готовых изделий.

Выклейку заготовки из слоев стеклоткани можно производить различными

способами, при этом ткань иногда пропитывают заранее в пропиточных машинах

или кистью вручную на специальных рамках, которые могут быть смонтированы в

установке кассетного типа.

При изготовлении деталей со сложными контурами применять заранее

пропитанную стеклоткань неудобно. Поэтому сухую стеклоткань прикрепляют к

столу, первый слой пропитывают формовочным составом, после чего покрывают

стеклоткань следующим слоем сухой стеклоткани и приглаживают кистью без

связующего до его появления на поверхности ткани. Уплотнение слоев

производят валиками. Затем на стеклоткань дополнительно наносят связующее

до полной ее пропитки, после чего укладывают последующий слой ткани.

Процесс повторяют до получения нужной толщины изделия. Как правило, при

изготовлении изделий из стеклопластиков используют несколько видов

стеклоткани для повышения прочностных характеристик.

Для получения определенного количества связующего в стеклопластике

необходимо контролировать его расход при пропитке. Он зависит от типа

стеклоткани.

Пропитанная стеклоткань отверждается непосредственно на оснастке при

температуре не ниже 180 С и влажности не более 65% в течении 30-60 мин с

последующим доотверждением при 60-700. С в течение 2-3 часов. Готовые

стеклопластиковые изделия снимают с оснастки через 72-96 часов и обрезают

до необходимого размера алмазными кругами. Такой метод широко используется

при изготовлении корпусов судов, лодок, кузовных частей автомобилей,

резервуаров и других крупногабаритных деталей[10].

4.3. Изготовление изделий методами свободного и центробежного литья

Страницы: 1, 2, 3, 4