ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 10, с. 77-84
УДК 691.175.2
ВЛИЯНИЕ КВАЗИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО НАПОЛНИТЕЛЯ НА ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА
© 2015 г. М. Б. Цетлин*, А. А. Теплов, С. И. Белоусов, С. Н. Чвалун, Е. А. Головкова, С. В. Крашенинников, Е. К. Голубев, М. Ю. Пресняков, А. С. Орехов, А. Л. Васильев
НИЦ "Курчатовский институт", 123098Москва, Россия *Е-таИ: mbtsetlin@mail.ru Поступила в редакцию 12.01.2015 г.
Приготовлены композиты, в которых в качестве матрицы использовался сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМП), а в качестве наполнителя — порошок квазикристалла А1—Си—Бе с концентрацией 1, 10, 30 и 50 об. %. Проведены измерения механических и трибологических свойств образцов и электронно-микроскопические исследования областей разрыва. Показано, что с увеличением концентрации наполнителя меняется характер разрыва образцов. Минимальное значение коэффициента трения составляет 0.07. Предполагается, что сдерживающим фактором в улучшении трибологических свойств композитов СВМП/квазикристалл является выкрашивание частиц наполнителя из полимерной матрицы.
Ключевые слова: композит, сверхвысокомолекулярный полиэтилен, квазикристалл, трибологиче-ские свойства, коэффициент трения, износостойкость.
БО1: 10.7868/80207352815100200
ВВЕДЕНИЕ
Преимущество композитных материалов состоит в том, что по своим полезным свойствам они могут превосходить составляющие их компоненты. Композиты, в которых в качестве матрицы используются полимеры, привлекательны благодаря высокой химической стойкости, хорошим прочностным характеристикам, легкости, низкому коэффициенту трения и высокой износостойкости, свойственным полимерам [1].
Известно, что практически любой твердый дисперсный наполнитель повышает стойкость полимера к абразивному износу, например мел, каолин, асбест. Однако большинство высокодисперсных наполнителей повышают коэффициент трения полимера. Поэтому для антифрикционных применений целесообразно использовать дисперсные наполнители с низким коэффициентом трения. К ним относятся порошки графита, дисульфида молибдена, бронзы, некоторых селенидов и йодидов металлов. В последнее время появились работы, в которых в качестве наполнителей антифрикционных полимеров используются порошки квазикристаллических сплавов на основе алюминия. К числу их интересных для применения свойств относятся низкие значения поверхностной энергии, смачиваемости и коэффициента трения [2]. Высокая хрупкость, сохраняющаяся до нескольких сотен градусов Цельсия, препятствует широкому применению квазикристаллов в виде компактного материала.
Перспективность применения квазикристаллов связывается с покрытиями и пленками, преципита-ционным упрочнением сталей и приготовлением композитов с дисперсными квазикристаллическими наполнителями [3, 4]. Введение порошка квазикристаллического сплава А1—Си—Бе в различные полимеры, как термопласты, так и реактопласты, значительно повышает их износостойкость при более низкой абразивности по сравнению с другими наполнителями (пластичными металлами или керамикой) [5, 6], а в случае матрицы из полиамида-12 значительно снижается и коэффициент трения [7].
Между тем, одним из наиболее перспективных материалов для использования в качестве матрицы полимерных композитов является сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМП), обладающий уникальным сочетанием высоких физико-химических и механических характеристик [8, 9]. В частности, этот полимер имеет очень низкий коэффициент трения, сравнимый с коэффициентом трения для политетрафторэтилена (фто-ропласта-4). В связи с этим композиты на основе СВМП представляют значительный интерес для триботехнических применений. К тому же СВМП относится к термопластичным полимерам, которые перерабатываются в изделия высокопроизводительными способами литья под давлением и экструзии, что важно для массового крупносерийного производства. Свойства композитов квазикристалл/СВМП мало исследова-
20
30
40
60
70
50 29, град
Рис. 1. Дифрактограмма исходного порошка. Указано положение линий квазикристаллической фазы.
80
ны [10, 11]. Найдено, что износостойкость и прочность повышаются с введением квазикристалла без увеличения абразивного действия на контртело [10]. Результаты [11] показывают, что квазикристаллический наполнитель увеличивает жесткость, термостойкость композита и степень кристалличности матрицы. В связи с этим мы продолжили изучение влияния квазикристаллического наполнителя Al—Cu—Fe на трибологиче-ские и другие свойства полимерного композита на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, начатое ранее [12]. Проведены эксперименты с более высоким содержанием наполнителя — до 50 об. % и более длительным трибологическим воздействием — до 14400 с.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Приготовление квазикристаллических порошков и их диагностика. Квазикристалл состава Al65Cu22Fe13, полученный по способу [13], подвергался помолу в шаровой планетарной мельнице МП/05 производства ООО Техно-Центр (г. Рыбинск, Россия). Фазовый состав исходного материала и порошков, полученных при различных режимах помола, проверялся с помощью рентгеновского дифрактометра D8 Adavance фирмы Braker (Германия). Распределение частиц порошка по размерам исследовалось с помощью лазерного измерителя размера частиц Analysette 22 Microtec Plus фирмы Fritch (Германия). Исследования части образцов проводились в растровом электронно-ионном микроскопе (РЭИМ) Helios 600 (FEI, США) при ускоряющем напряжении 2—30 кВ, оборудованном системой энергодисперсионного рентгеновского микроанализа
(ЭДРМА) (EDАХ, США) с использованием детекторов вторичных электронов.
Исходный квазикристалл представлял собой порошок грубого помола с размером частиц порядка 20 мкм. На рис. 1 представлена его рентгенограмма, а на рис. 2а — результаты гранулометрии. В результате помола получен порошок, характеризующийся кривой распределения частиц по размерам с максимумом, сдвинутым в сторону меньших размеров при средней величине ~6 мкм. Появилась заметная доля субмикронных частиц, размер частиц имеет разброс от долей микрона до десятков микрон. На рис. 2б приведена гранулометрическая кривая выходного продукта, а на рис. 3 — изображение частиц, полученных в РЭМ. Дифрактограмма порошка после сухого помола совпадала с дифрактограммой исходного материала.
Получение композиционных образцов полимер-квазикристалл и исследование их механических свойств. Процесс получения полимерных композитов состоял из двух операций.
Сначала порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена смешивался в определенной пропорции с порошком квазикристалла А1—Си—Ре в шне-ковом смесителе при комнатной температуре и скорости вращения шнеков 50 об./мин в течение 10 мин.
На втором этапе смесь подвергалась прессованию на гидравлическом прессе при температуре выше температуры плавления СВМП, и затем пресс-форма охлаждалась без снятия давления. Условия прессования были следующими: температура 180°С, давление 200 кгс/см2, время охлаждения пластин под давлением 30 мин. Образцы изготавливались в форме дисков диаметром 50 мм
«
s я
[с
tí IS
о
св «
Я Я
1) ч
(а)
а и
о ч о л Я о
а л
я
0.01
й 6
s „ я<
5
0.1 1
Размер частиц, мкм (б)
10
£ «
а
я
л ч
а
и ц
я
е р
е и
ц
ñ4
§3 ч
2
0.01
0.1 1
Размер частиц, мкм
10
Рис. 2. Распределение частиц по размерам в исходном порошке (а) и выходном продукте, полученном при сухом помоле, (б).
и толщиной 2 мм. Были изготовлены образцы композита, содержащего 1, 10, 30 и 50 об. % квазикристалла. В качестве наполнителя использовался порошок, полученный методом сухого помола (рис. 2б и рис. 3).
Механические свойства, в частности модуль упругости, предел текучести и прочность на разрыв, являются важнейшими характеристиками материала, определяющими возможность его практического использования [14—16]. При получении композиционного материала существует опасность деградации механических свойств, поэтому необходимо знать зависимость этих свойств от количества наполнителя. Механические испытания проводились с помощью разрывной машины 1пз1гоп 5965. Для испытаний из дисков были вырублены образцы в форме двухсторонних лопаток с длиной рабочей части 10 мм. Испытания проводили в режиме постоянной скорости движения зажимов (1 мм/мин) при непрерывной фиксации деформации и нагрузки на образце вплоть до разрыва. Обработка полученных результатов выполнена согласно ГОСТ 11262-80. Вид образцов с содержанием наполнителя 0, 1 и 10 об. % после испытаний представлен на рис. 4. Образцы с 30 и 50 об. % Qc ^с — квазикристалл) имели такой же вид, как и образец с 10 об. % Qc.
Измерения энтальпии плавления композитов.
Для определения энтальпии плавления использо-
Рис. 3. РЭМ-изображение частиц порошка после сухого помола.
вался дифференциальный сканирующий калориметр Perkin Elmer 8500. При проведении измерений соблюдались следующие условия: нагрев до 160°С, охлаждение до 50°С, нагревание в интервале 50—160°С со скоростью 10°С/мин, охлаждение в интервале 160—50°С со скоростью 5°С/мин. Среда — азот, скорость продувки 50 мл/мин.
Растровая электронная микроскопия (РЭМ). Исследования морфологии всех образцов проводились в растровом электронно-ионном микроскопе Helios 600.
Трибологические измерения. Коэффициент трения измерялся с помощью прибора Т-01М (Institute for Sustainable Technologies, Poland) для определения коэффициента трения и износостойкости материалов по схеме pin-on-disk, когда образец в форме диска диаметром 5 мм и толщиной 2 мм прижимался к стальному вращающемуся диску диаметром 70 мм. Образцы для измерения коэффициента трения вырубались из той же пластины, которая использовалась для механических испытаний. Диаметр дорожки трения составлял 50 мм. До и после измерений коэффициента трения образец взвешивался, и потеря веса служила мерой износа.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Механические свойства. При представлении результатов исследования механических свойств нами использовалась общепринятая терминология и обозначения, как, например, в [16], где приведена типичная к
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.