Файл: Углеродные наноматериалы, производство, свойства, применение (Мищенко), 2008, c.172.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 25.03.2024
Просмотров: 119
Скачиваний: 4
Что же касается температуры стеклования, то она незначительно возрастает во всем диапазоне наполнения фенилона углеродными нанотрубками.
Учитывая то, что одной из основных отраслей использования разработанных материалов является машиностроение, в частности детали подвижных сочленений – особое внимание при изучении их физикомеханических свойств было уделено прочности при сжатии, так как этот показатель дает возможность предсказать грузоподъемность узла трения.
Ударную вязкость аn определяли на маятниковом копре КМ-0,4 при температуре 23 ± 2 °С и относительной влажности 50 ± 5 %, предел текучести σт и относительную деформацию при сжатии εсж, % – на испытательной машине FP-100.
Анализ результатов исследований показал (рис. 6.11, 6.12), что концентрационная зависимость свойств композитов проходит через максимум при содержании УНМ 5 %. При данном содержании УНМ "Таунит" прочность ПКМ превышает модуль упругости Е чистого фенилона в 1,5, а предел теку-
|
чести при сжатии σт. сж |
– |
в 1,2 раза. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
В то же время, как показали результаты исследований, ударная вязкость аn нанокомпозитов снижа- |
||||||||||||||||||
|
ется по сравнению с исходным фе- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
аn , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
σт. сж , |
εсж , |
|
|||||||||
кДж/м2 |
|
Е, МПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
МПа |
|
% |
|
|||||||
|
45 |
|
3000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
280 |
|
30 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
28 |
|
|
40 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2800 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
260 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
26 |
|
||
|
35 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2600 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
24 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
30 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
240 |
|
|
||
|
|
|
2400 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
22 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
25 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2200 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
220 |
|
18 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
15 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
16 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1800 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
200 |
|
|
|||
|
10 |
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
|
14 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
10 |
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
Содержание УНМ, %
Рис. 6.11. Влияние содержания УНМ "Таунит":
■ – на ударную вязкость аn ; ● – модуль упругости E; ▲ – предел текучести σт ; ♦ – относительную деформацию при сжатии εсж композитов на основе фенилона С-2
I,
мг/мм |
|
|
f |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Kн |
|
||||||
100 |
|
0,4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,5 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
90 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,45 |
||
|
80 |
|
0,3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
70 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,4 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
60 |
|
0,2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,35 |
||
|
50 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
40 |
|
0,1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
30 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,25 |
|||
|
20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
1 |
|
2 |
|
3 |
|
4 |
|
5 |
|
6 |
|
7 |
|
8 |
|
9 |
|
10 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Содержание УНМ, %
Рис. 6.12. Влияние содержания УНМ "Таунит":
● – на коэффициент трения f ; ■ – абразивную износостойкость Kн ; ♦ – весовой износ I композитов на основе фенилона С-2
нилоном, но остается достаточно высокой по сравнению с известными аналогами [7].
Результаты исследований триботехнических свойств исследуемого ПКМ, которые проводили на машине трения СМЦ-2, показали, что коэффициент трения f у нанокомпозитов с разным процентным содержанием нанотрубок снижается по сравнению с фенилоном в 1,5 – 1,8 раза. Причем минимальные значения коэффициента трения и весового износа наблюдаются у композита при содержании 5 мас. % УНМ.
Таким образом, в результате данной работы предложена технология получения нанокомпозитов состава: фенилон С-2 – УНМ "Тау-
нит".
Установлено, что наполнение ароматического полиамида фенилон С-2 УНМ (3…10 мас. %) позволяет улучшить эксплуатационные характеристики исходного полимера:
− термостойкость возрастает на 150…187 К;
−температурный коэффициент линейного расширения снижается в 1,2 раза;
−предел текучести при сжатии и модуль упругости возрастают в 1,2 – 1,5 раза, соответственно;
−коэффициент трения композитов меньше по сравнению с фенилоном в 1,5 – 1,8 раза;
−износостойкость повышается в 1,2 – 3 раза во всем исследованном диапазоне наполнения.
6.3. ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ АНТИФРИКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ СКОРОСТИ СКОЛЬЖЕНИЯ 1 М/С
|
Материал |
|
Износ, мкм/км, при удельной нагрузке, кгс/см2 |
||
|
20 |
|
40 |
100 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
Фенилон + УНМ |
0,51 |
|
1,5 |
3,24 |
|
|
|
|
|
|
|
Бронза ОЦС-555 |
13,6 |
|
510 |
Не работает |
|
Баббит Б-8З |
3,4 |
|
64 |
Не работает |
|
|
|
|
|
|
6.4. ИЗНОС ГЛАЗКОВ ПАЛЬЧИКОВОГО МЕХАНИЗМА ШНЕКА ЖАТКИ ЗЕРНОУБОРОЧНОГО КОМБАЙНА Дон-1500, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ИЗ
РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Сопоставляемый материал |
ГОСТ, ОСТ, ТУ |
Средняя величина износа за 600 ч |
|
работы, мм |
|||
|
|
||
|
|
|
|
Капрон первичный марки Б |
ОСТ 6-06-14–70 |
0,95 |
|
|
|
|
|
Капролон В |
ТУ 6-052988–75 |
1,6 |
|
|
|
|
|
САМ |
ТУ 88 БССР 22–79 |
0,73 |
|
|
|
|
|
Металлокерамика ЖГрЗ |
ТУ 14-1-1099–74 |
0,77…1,85 |
|
|
|
|
|
Металлокерамика ЖГр2Д2.5 |
ТУ 14-1-1099-74 |
2,0 (за 420 ч) |
|
|
|
|
|
Алюминиевый сплав АК-7 |
ГОСТ 2685–75 |
2,0 ( за 180 ч) |
|
Сополимер формальдегида с диоксаланом |
– |
2,9 |
|
|
|
|
|
Маслянит Д-12 |
ТУ 100–80 ОКБ "Орион" |
0,85 |
|
|
|
|
|
Материал комбайна "Бизон" |
– |
2,0 ( за 420 ч) |
|
|
|
|
|
Материал комбайна "Джон Дир" |
– |
1,8…2,0 ( за 400 ч) |
|
Углепластик на основе полиамида 6 |
ТУ У 00493675.002–98 |
0,49 |
|
(ДГАУ) |
|||
|
|
||
Композит на основе фенилона С-2 и УНМ |
– |
0,27 |
|
|
|
|
|
Углепластик на основе фенилона С-2 |
ТУ 0493679-21–86 |
0,35 |
|
|
|
|
Представляют интерес проведенный сравнительный анализ износостойкости полученного ПКМ, модифицированного УНМ "Таунит" с традиционно используемыми материалами узлов трения (табл. 6.3), а также результаты испытания этого материала в пальчиковом механизме зерноуборочного комбайна Дон-1500 (табл. 6.4).
Результаты свидетельствуют о несомненных перспективах применения нового композита в практике конструирования узлов трения машин различного назначения.
С использованием в качестве полимерной матрицы того же полиамида (фенилон) были проведены исследования фторсодержащих твердых смазочных покрытий (ТСП). Данный композит был разработан для обеспечения работоспособности трущихся деталей в узлах механизмов и машин без применения жидких и пластичных смазочных материалов. На рис. 6.13 приведена диаграмма, иллюстрирующая значения коэффициента трения fтр с различными антифрикционными добавками.
Установлено, что наименьшее значение fтр = 0,06…0,07 получено при внесении УНМ и смеси квазикристаллов Al65Cu23F13 с полиэтиленом низкого давления ПЭНД. Несмотря на примерно одинаковый эффект этих добавок, применение УНМ можно считать предпочтительным, так как использование полиэтилена неизбежно вызывает уменьшение механической прочности покрытия и, как следствие, снижение несущей способности.
0,2
0,15
0,1
0,05
00
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
|
|
Рис. 6.13. Коэффициенты трения покрытий с добавками: |
|||
|
|
|
1 – |
металлокомплекс меди и основания Шиффа (подложка Ст3); |
||
2 – |
квазикристалл Al65Cu23F13 (подложка Ст3); 3 – MoS 2 (подложка графит); 4 – квазикристалл Al65Cu23F13 (подложка графит); |
|||||
|
|
|
5 – |
квазикристалл Al65Cu23F13 + полиэтилен (подложка графит); |
||
|
|
|
6 – металлокомплекс меди и основания Шиффа (подложка графит); |
|||
|
|
|
|
|
7 – |
УНМ (подложка Ст3) |
Наряду с достижением аномально низкого fтр были зафиксированы уменьшение давления страгивания (≈ в 2 раза), увеличение до 1 000 000 циклов наработки испытанных пневмоцилиндров, а также выглаживание до Ra = 1,27…1,7 мкм их рабочей поверхности (начальное значение Ra = 3,0 мкм) в зоне трибоконтакта [8].
6.3. КОНСТРУКЦИОННЫЕ КОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ ЭПОКСИДНО-ДИАНОВЫХ СМОЛ
Эпоксидные смолы являются одним из лучших видов связующего для большого числа волокнистых КМ. Основные причины этого заключаются в следующем:
−эпоксидные смолы обладают хорошей адгезией к большому числу наполнителей и армирующих компонентов;
−известно большое количество разновидностей доступных эпоксидных смол и отверждающих компонентов, что позволяет получать материалы с широким сочетанием свойств;
−реакция отверждения не сопровождается выделением воды или каких-либо летучих веществ, при этом усадка смол ниже, чем во многих других случаях;
−отвержденные смолы обладают высокой химической стойкостью и хорошими электроизоляционными свойствами.
Вместе с тем создание эпоксидных компонентов, модифицированных УНМ, вызывает существенные трудности, связанные с достижением их однородного распределения в матрице из-за высокой энергетической активности, склонности к агрегатированию и седиментации в менее плотной олигомерной среде.
Эффективным способом преодоления указанных проблем является использование УЗ обработки. Проведенные исследования, в которых использовали в качестве основы эпоксидно-диановую смолу
ЭД-20, позволили установить оптимальные соотношения компонентов композита и технологические параметры его получения.
Установлено, что наилучшее распределение УНМ "Таунит" достигается в смеси растворителей
ацетон : спирт = 9 : 1 при температуре ≈ 50 °C и времени воздействия УЗ 10 мин.
Изготовленные таким образом образцы (d = 10 нм, l = 40 нм) с различным (до 6 % мас.) содержанием УНМ были испытаны на прочность по стандартной методике с целью установления необходимого количества модификатора (УНМ).
Нагрузка, МПа
3500 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
0,04 % |
|||||
2500 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
0,01 % |
|||||
2000 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1500 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|||
|
|||||||
1000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
500 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Нагрузка, МПа
0 1 2 3 4 5 6 7
Содержание УНМ, %
а)
150
140
|
|
|
|
2 |
130 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
120 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
110 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
100 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
90 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
80
70
60
0 |
|
1 |
|
2 |
|
3 |
|
4 |
|
5 |
|
6 |
|
7 |
Содержание УНМ, %
б)
Рис. 6.14. Результаты испытания образцов:
а – на сжатие; б – на изгиб; 1 – ЭД-20 + УНМ; 2 – ЭД-20 + УНМ + УЗ
На рис. 6.14 представлены результаты испытаний, из которых следует, что:
− |
создание композитов, модифицированных УНМ, требует их обязательного предварительного ак- |
тивирования (УЗ) в смеси с органическими растворителями; |
|
− |
область оптимальных концентраций УНМ в композите лежит в диапазоне 0,4…0,8 % мас.; |
−увеличение объема содержания УНМ выше 1 % мас. ведет к существенному снижению прочности композита;
−применение в качестве наполнителя УНТ в композитах на основе ЭД-20 позволяет существенно
в1,5 – 2,0 раза увеличить их прочностные характеристики.
Следует отметить, что приведенные результаты носят предварительный оценочный характер и требуют дальнейшей проработки с использованием других средств активирования составляющих данных компонентов, а также целевой функционализации самих наноуглеродных модификаторов.
Процесс отверждения изделий из полимерных композиционных материалов на основе термореактивных связующих сопровождается, как правило, экзотермической реакцией. Вследствие низкой теплопроводности композитов при отверждении возникает существенная неоднородность температурноконверсионного поля, которая возрастает с увеличением толщины изделия. Это приводит к существенному перегреву внутренних слоев изделия, деструкции связующего и накоплению внутренних напряжений, вызывающих коробление готового изделия. Поэтому качество изделий из ПКМ во многом определяется оптимальностью процессов тепломассопереноса на стадии отверждения. Устранить указанные недостатки процесса и тем самым повысить качественные показатели изделий можно путем задания некоторого температурно-временного режима специального вида на поверхности изделия [9, 10].
Эмпирические методы выбора режимов отверждения ПКМ отработаны лишь на изделиях малой толщины и основаны на длительном и дорогостоящем экспериментальном подборе температурновременного режима. Наиболее полно проблема выбора режимов отверждения изделий любой толщины, особенно толстостенных, может быть решена путем комплексного применения методов математического моделирования, идентификации, автоматизированного проектирования и оптимизации [9, 10].
