МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ТРЕХКОМПОНЕНТНЫХ ТВЕРДОСМАЗОЧНЫХ КОМПОЗИТОВ
НА МАТРИЦЕ СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА

С.В. Панин^1,2, Л.А. Корниенко¹, Н.Н. Валентюкевич², В.О. Алексенко^1,2, Л.Р. Иванова¹

¹Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS, 634055, Tomsk, Russia
²National Research Tomsk Polytechnic University, 634050, Tomsk, Russia

^a)Corresponding author: svp@ispms.tsc.ru

Abstract. Исследованы трехкомпонентные композиты на сверхвысокомолекулярной матрице СВМПЭ, армированные короткими углеродными волокнами (КУВ) и наполненные твердосмазочными частицами мелкодисперсного политетрафторэтилена. Показано, что при умеренных скорости скольжения (P=60 Н) и нагрузке (V=0,3 м/с) оптимальным составом композита для обеспечения максимального сопротивления изнашиванию при сухом трении скольжения является «СВМПЭ+5 вес.% флуралита+5 вес. % КУВ» (износостойкость повышается вдвое). В жестких условиях трибоиспытаний (P=140 Н×V=0,5 м/с) двукратное увеличение износостойкости показывает композит «СВМПЭ+5 вес. % флуралита+10 вес. % КУВ». С учетом данных о формировании структуры, а также температуре в трибоконтакте, изменении коэффициента трения и топографии дорожек трения обсуждаются механизмы изнашивания трехкомпонентных композитов на основе СВМПЭ.

INTRODUCTION

Антифрикционные полимерные композиционные материалы широко применяются в составе узлов трения, а также в качестве уплотнительных элементов в различных видах современной техники и медицине, определяя их надежность и долговечность. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) занимает особое место среди полимерных смол благодаря хорошим деформационно-прочностным показателям, низкому коэффициенту трения и высокой износостойкости, химической стойкости к агрессивным средам, широкому температурному интервалу формостабильности. Этот комплекс свойств позволяет применять СВМПЭ в изделиях, обладающих стойкостью к удару, растрескиванию и истиранию. Выбором наполнителей можно целенаправленно изменять функциональные свойства и расширять область использования СВМПЭ в машиностроении, химических технологиях, сельском хозяйстве и других областях техники. При разработке композиционных материалов на основе СВМПЭ, как правило, ориентируются на преимущественные условия их эксплуатации: сухое трение, трение в граничной смазке либо жидкой среде, абразивный износ и др. Поэтому разработка трех- и более компонентных композитов на СВМПЭ-матрице позволяет одновременно повысить прочностные свойства композитов и износостойкость, в частности за счет введения армирующих волокон и твердосмазочных наполнителей. Так, углеродные микроволокна позволяют повысить модуль упругости и предел текучести, а мелкодисперсный политетрафторэтилен обеспечить твердосмазочные свойства композита [1-3].

В настоящей работе исследованы механические и триботехнические характеристики двух- и трехкомпонентных композитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, наполненного короткими углеродными (микро)волокнами и мелкодисперсным политетрафторэтиленом в условиях различных нагрузок и скоростей скольжения (60 Н×0,3 м/с, 60 Н×0,5 м/с, 140 Н×0,3 м/с, 140 Н×0,5 м/с).

EXPERIMENTAL

В работе использовали порошок СВМПЭ фирмы Ticоnа (GUR-2122) молекулярной массой 4,0 млн. и размером частиц 5÷15 мкм, порошок ПТФЭ марки «Флуралит» (ООО ʺФлуралит синтезʺ), размером менее 3 мкм, короткие углеродные микроволокна средней длиной ~65 мкм (ø 7,5 мкм).

Механические характеристики определяли при разрывных испытаниях на электромеханической испытательной машине Instron 5582 при растяжении образцов в форме двойной лопатки при количестве образцов одного типа не менее 4 (ГОСТ 11262-80). Испытания на износостойкость проводили на машине трения 2070 СМТ-1 по схеме «вал-колодка». Для исследования топографии и шероховатости поверхностей трения испытанных образцов использовали оптический профилометр New View 6200 (Zygo). Структуру композитов исследовали с помощью растрового электронного микроскопа LEO EVO 50 (Carl Zeiss) при ускоряющем напряжении 20 кВ на поверхностях скола образцов с надрезом, механически разрушенных после выдержки в жидком азоте. 

RESULTS AND DISSCUSSION

Исследованы механические свойства и надмолекулярная структура двухкомпонентных композитов на основе СВМПЭ с различным содержанием мелкодисперсного политетрафторэтилена (флуралита) с целью определения оптимального его содержания в композиции в условиях сохранения сферолитной надмолекулярной структуры и минимального снижения прочностных свойств сверхвысокомолекулярной матрицы. В таблице 1 приведены механические характеристики композитов «СВМПЭ+ n вес. % Флуралит». Из таблицы следует, что механические характеристики снижаются по мере увеличения содержания флуралита. Исходя из этих соображений, оптимальным содержанием указанного наполнителя следует выбрать 5 вес. %. Коэффициент трения также минимален при данной степени наполнения флуралитом (табл. 1).

TABLE 1, Механические характеристики СВМПЭ и композитов «СВМПЭ+ n вес. % Флуралит».

При исследовании надмолекулярной структуры композитов с флуралитом было показано, что при содержании 5 вес.% наполнителя сферолитный характер надмолекулярной структуры композита сохраняется, а в силу его мелкодисперсной природы удается наполнитель равномерно распределить в СВМПЭ–матрице (рис. 1). Тем не менее, наличие мелкодисперных частиц Флуралита, имеющего температуру плавления, значительно превосходящую температуру, использованную при горячем прессовании СВМПЭ, сопровождается уменьшением до нескольких раз характерного размера сферолитов (рис. 1b).

(c)

Figure 1. РЭМ-фотографии надмолекулярной структуры СВМПЭ (а) и композитов
«СВМПЭ + 5 вес. % Флуралит» (b), «СВМПЭ + 5 вес. % Флуралит + 10 вес. % КУВ» (c).

На рис. 2,а приведены данные испытаний на изнашивание композитов на основе СВМПЭ с различным содержанием флуралита в условиях различных нагрузок и скоростей скольжения. Из рисунка видно, что при при умеренной нагрузке 60 Н и скоростях 0,3 м/с и 0,5 м/с (P*V=16 и 30 Н*м/с) достаточно введния 5 вес. % флуралита для получения минимального значения износа композиции (износ уменьшается в два раза по сравнению с исходным СВМПЭ: ~0.5 mm³/час). При этом поверхность трения такого композита выглядит более гладкой нежели для ненаполненного СВМПЭ (рис. 3a, b). В наиболее жестких использованных условиях испытаний (P=140 Н и V=0,5 м/с) лишь добавление 20 вес. % флуралита обеспечивают двукратное снижение износа; однако при этом механические свойства значительно снижаются (табл. 1). По этой причине только трехкомпонентные смеси могуг обеспечить достижение необходимого уровня прочности и износостойкости композитов на основе СВМПЭ, когда армирующие короткие углеродные волокна придадут прочность, а флуралит – износостойкость [4-6].

Далее исследовали механические и триботехнические свойства трехкомпонентных композиций на основе СВМПЭ, содержащие определенное выше оптимальное количество (5 вес. %) флуралита, а также различное количество углеродных микроволокон (в диапазоне 5-20 вес. %).

В таблице 2 приведены триботехнические и механические свойства трехкомпонентных композитов на основе СВМПЭ с различным содержанием КУВ. Из таблицы 2 следует, что по мере увеличения содержания волокон возрастают все прочностные характеристики композитов (плотность, твердость, модуль упругости, предел текучести). При этом пластичность остается высокой вплоть до степени наполнения 20 вес. %. Рис. 1,с иллюстрирует надмолекулярную структуру трехкомпонентного композита «СВМПЭ+5 вес. % флуралита+10 вес. % УВ»: сферолитная структура композита сохраняется, флуралит и углеродное волокно достаточно равномерно распределены по объему образца. Также следует отметить факт снижения характерного размера сферолитов при одновременном введении обоих наполнителей. При дальнейшем наполнении композиции углеродным волокном надмолекулярная структура перестает носить сферолитный характер, представляя скорее механическую смесь компонентов. Согласно данным РЭМ адгезия между углеволокном и матрицей отсутствует.

(b)

Figure 2. Величина объемного износа (мм³) после трибоиспытаний в течение 1 часа: (а) – СВМПЭ (1), «СВМПЭ+5 вес. % Флур» (2), «СВМПЭ+10 вес. % Флур» (3), «СВМПЭ+20 вес. % Флур» (4); (b) – СВМПЭ (1), «СВМПЭ+5 вес. % Флур +5 вес. % КУВ» (2), «СВМПЭ+5 вес. % Флур +10 вес. % КУВ» (3), «СВМПЭ+5 вес. % Флур +20 вес. % КУВ» (4).

TABLE 2, Механические характеристики СВМПЭ и композитов «СВМПЭ+ 5 вес. % Флуралит + n вес. % УВ»

На рис. 2,b приведены результаты триботехнических испытаний композитов «СВМПЭ+5 вес. % Флур +n вес. % УВ» в различных условиях трибонагружения (60 Н×0,3 м/с, 60 Н×0,5 м/с, 140 Н×0,3 м/с, 140 Н×0,5 м/с). Из рис. 2, а и b следует, что при умеренной нагрузке 60 Н и скоростях скольжения 0,3 и 0,5 м/с трехкомпонентные смеси с 5,10 и 20 вес. % углеволокна показывают интенсивность изнашивания близкую к таковой для двухкомпонентной смеси «СВМПЭ+5 вес. % Флур». Это подтверждает положительную роль флуралита как твердой смазки в трехкомпонентной композиции. В наиболее жестких условиях трибоиспытаний (P=140 Н и V=0,5 м/с) интенсивность износа возрастает. Причиной этого, по мнению авторов, является неспособность флуралита обеспечить формирование и длительное сохранение постоянной равномерной пленки переноса на контртеле [5, 6]. Подтверждением «жесткости» условий трибоиспытаний яляется температура на поверхности контртела, измеренная сразу после окончания испытаний (Табл. 3). Видно что при соотношении P*V=70 Н*м/с температура значительно повышается.

TABLE 3, Температура контртела после окончания трибоиспытаний СВМПЭ
и композитов на его основе в различных условиях трибонагружения

(c)

Figure 3. Оптические фотографии поверхностей износа СВМПЭ (а) и композитов «СВМПЭ + 5 вес. % Флур» (b), «СВМПЭ + 5 вес.% Флур + 10 вес. % КУВ» (c) при нагрузке 60 Н и скорости скольжения 0,5 м/с.

Иллюстрацией выше сказанного является данные, приведенные на рис. 3, где показаны фотографии поверхности изнашивания образцов исходного СВМПЭ (а), а также двух- (b) и трехкомпонентных (с) композитов при умеренных (P*V=30 Н*м/с) условиях трибонагружения. Из рис. 3 следует, что при наполнении композита КУВ в количестве до 10 вес.% и мелкодисперсным флуралитом в содержании до 5 вес.% обеспечивается формирование равномерной (однородной) пленки переноса на контртеле. В результате поверхность трения является гладкой, чем заметно отличается от ненаполненного СВМПЭ. Кроме того, короткие углеродные волокна не только способствуют повышению прочностных характеристик трехкомпонентного композита, но принимают на себя действие сжимающей (P) и сдвигающей (V) нагрузки от контртела, «предохраняя» поверхность трибосопряжения от интенсивного изнашивания.

При высокой степени наполнения короткими углеродными волокнами (в количестве 20 вес. %) механические характеристики трехкомпонентного композита возрастают (табл. 2), однако износостойкость снижается. По мнению авторов это связано с тем, что фрагменты твердых углеродных волокон, отделяющиеся из зоны трибоконтакта, начинают играть роль абразива. Это в том числе, способствует удалению пленки переноса политетрафторэтилена с поверхности контртела. В пользу этого свидетельствует и изменения коэффициента трения (табл. 2). Это также согласуется с фактом постепенного повышения коэффициент трения с увеличением содержания углеволокна. Дополнительным подтверждением этого предположения является постепенное повышение температуры на поверхности контртела, измерявшееся сразу после окончания трибоиспытаний (Табл. 3).

CONCLUSIONS

Одновременное введение двух микронаполнителей (твердосмазочного и армирующего) в сверхвысокомолекулярную матрицу позволяет одновременно обеспечить повышение механических характеристик (модуль упругости, предел текучести, твердость) и износостойкости трехкомпонентных композитов на основе СВМПЭ в различных условиях (трибо)нагружения.

При умеренных скорости и нагрузке (P=60 Н×V=0,3 м/с) оптимальным составом композита для антифрикционных приложений следует считать «СВМПЭ+5 вес.% флуралита+5 вес. % КУВ», поскольку сформированная структура и отклик поверхности изнашивания на триботехническое нагружение (за счет формирования пленки переноса( позволяют повысить сопротивление изнашиванию вдвое. В наиболее жестких условиях трибоиспытаний (P=140 Н×V=0,5 м/с) двукратное увеличение износостойкости показывает композит «СВМПЭ+ 5 вес. % флуралита + 10 вес. % КУВ». Это обусловлено армирующим действием коротких углеродных микроволокон, которые в условиях повышенных температур, вызванных фрикционным нагревом, стимулирующих подплавление и пластификацию поверхностного слоя трибоконтакта, позволяют лучше защитить поверхность трения от комбинированного воздействия сжимающих и сдвигающих нагрузок, передаваемых от стального контртела.

ACKNOWLEDGMENTS

Работа выполнена в рамках Программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» Министерства образования и науки РФ; Соглашение № 14.604.21.0154, идентификатор проекта RFMEFI60417X0154.

REFERENCES

1. Zoo V.S., An J.-W., Lim D.-Ph., Lim D.-S. Effect of carbon nanotube addition on tribological behavior of UHMWPE // Tribology Letters. – 2004. – Vol. 16, N 4. – P. 305-309.
2. Z. Wei, Ya-Pu Zhao, S.L. Ruan, P. Gao. A study of the tribological behavior of carbon-nanotube-reinforced ultrahigh molecular weight polyethylene composites// Surface and Interface Analisis.-2006, Vol. 38, 883-886.
3. Myshkin N.K., Petrokovets M.I., Kovalev A.V. Tribology of polymers: Adhesion, friction, wear and mass-transfer // Tribology International. – 2005. – Vol. 38. – P. 910-921.
4. S.V. Panin, L.A. Kornienko, V.O. Alexenko et. al. Comparison on efficiency of carbon nano- and microfibers in formation physical-mechanical and tribotechnical properties of polymer composites based on highmoluculat weight matrix //Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2016, V. 59, N. 9, P.99-105 (in Russian).
5. Panin SV, Shilko SV, Kornienko LA, Chernous DA, Aleksenko VO, et al. (2017) Biomechanical Properties of Dispersep Article Reinforced Polymer Composites on Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE). MOJ App Bio Biomech, 2017, 1(5): 00030. DOI: 10.15406/mojabb.2017.01.00030.
6. Панин С.В., Корниенко Л.А., Нгуен Суан Т. и др. Износостойкость композитов на гибридной матрице СВМПЭ-ПТФЭ: механические и триботехнические свойства матрицы // Трение и износ. – 2015. – Т. 36, №3. – С. 244-251. (нужен английский вариант)