научная статья по теме ВЛИЯНИЕ КВАЗИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО НАПОЛНИТЕЛЯ НА ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ КВАЗИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО НАПОЛНИТЕЛЯ НА ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА»

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

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»