Наполненных композиций

В книге приведены характеристики самосмазывающихся химически стойких антифрикционных материалов (графита, гра-фитопластов, ЭТС-52, двусернистого молибдена, фторопласта-4 и др). Наиболее подробно рассмотрены физико-механические свойства новых фторопластовых материалов с различными наполнителями. Описаны методы получения этих материалов и переработки их в изделия, приведены результаты исследований наполненных фторопластовых материалов на износ и трение при работе в агрессивных средах, в условиях сухого трения и при высокой температуре.

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАПОЛНЕННЫХ ФТОРОПЛАСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЯ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

2. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАПОЛНЕННЫХ ФТОРОПЛАСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Знание физико-механических свойств наполненных фторопластовых материалов позволяет определить их практическую ценность как конструкционных материалов и применить последние в различных узлах трения.

В зависимости от вида и количества наполнителя в значительной степени меняются физико-механические свойства наполненных фторопластовых материалов. Проведенные исследования позволили выбрать наиболее ценные наполнители для создания износостойких и антифрикционных материалов и определить наиболее оптимальные соотношения между фторопластом-4 и наполнителями. Ниже приведены результаты этих исследований.

Для ускоренного определения хладотекуч-ести наполненных фторопластовых материалов был изготовлен прибор, схема которого показана на рис. 9.

Получив зависимость относительной деформации от коэффициентов Л и я и величины т [уравнение (8)], а также зависимость коэффициента Л от В, значения т и а [уравнение (9)] и зависимость коэффициента В от С, Kz и Р [уравнение (10)], можно установить общую зависимость относительной деформации наполненных фторопластовых материалов от а, т и Р:

Усадка наполненных фторопластовых изделий

Таблица 23 Усадка наполненных фторопластовых изделий с использованием оправок

Из рис. 20 видно, что при температуре 18—20° С происходит резкое снижение коэффициентов линейного расширения всех наполненных фторопластовых материалов. По данным Л. В. Че-решкевича и других при этой же температуре происходит резкое изменение коэффициента трения фторопласта-4. На основании этих фактов можно утверждать, что при температуре 18—20° С происходит изменение кристаллической решетки фторопластовых материалов, приводящих к изменению его физических свойств.

Низкая теплопроводность полимеров создает значительные трудности при применении их в качестве антифрикционных материалов, особенно в тяжелонагруженных узлах трения. Ввиду низкой теплопроводности температура в узлах трения резко повышается, что влечет за собой быстрый износ полимерных материалов и выход из строя узла трения. Поэтому знание теплопроводности наполненных фторопластовых материалов является важнейшим условием их практического применения.

Металлические наполнители применяются в виде тонких сыпучих порошков с размером частиц от 10 до 150 мкм. Частицы металлических порошков имеют различную форму: дендритную — медь, сферическую — свинец, осколочную — никель. Форма и размеры частиц металлического наполнителя определяют качество наполненных композиций. Фторопласт, наполненный порошком меди с частицами дендритной формы, имеет высокие прочностные характеристики, а — металлическим порошком с частицами сферической фирмы—высокую износостойкость. Кроме того, металлические порошки при введении во фторолласт повышают теплопроводность композиций, уменьшают ползучесть, значительно увеличивают твердость и прочность при сжатии.

Так же прессуются прямоугольные пластины из наполненных композиций, необходимые для изготовления образцов, прокладок, пластин ротационных компрессоров и т. д. В некоторых случаях для повышения механической прочности материала его армируют алюминием, сталью и др. Пластины ротационных компрессоров размером 170 X 55 X 5 мм из наполненных фторопластов изготовляют армированными перфорированными алюминиевыми листами толщиной 1 мм. Эти пластины прессуют следующим образом.

По мере накопления экспериментального материала предпринимались попытки описать теплопроводность наполненных композиций в виде простейших эмпирических зависимостей типа

Изменение адгезионной связи между наполнителем и матрицей оказывает очень сильное влияние на поверхностную энергию разрушения наполненных композиций, хотя получаемые результаты часто противоречивы. В работе [35] исследовали влияние на поверхностную энергию разрушения поверхностной обработки стек-лосфер для регулирования адгезионной связи их с эпоксидной матрицей, в том числе обработки антиадгезивом для создания очень плохого сцепления и двумя аппретами, повышающими прочность сцепления, а также без обработки, обеспечивающей промежуточное значение адгезионной прочности. Полученные результаты, приведенные на рис. 2.16, четко показывают, что материал со стекло-сферами, обработанными антиадгезивом, обладающий наименьшей адгезионной прочностью сцепления матрицы с наполнителем, имеет наибольшую вязкость разрушения, тогда как материал со стеклосферами, обработанными аппретами — наименьшую. Небольшая разница в вязкости разрушения наблюдается для материалов с необработанными стеклосферами и обработанными аппретами. Аналогичные результаты получены этими же авторами для полиэфирных смол, наполненных стеклосферами, причем при обработке микросфер аппретами получаются материалы с меньшей энергией разрушения, чем в случае необработанных стекло-сфер [35].

Для хрупких, наполненных дисперсными частицами композиций, модель Лэнга объясняет начальное возрастание поверхностной энергии разрушения с увеличением объемной доли наполнителя, уменьшением расстояния между частицами. Лэнг и Рэдфорд также показали, что эффективность задержки распространения трещины дисперсными частицами зависит от накладывания полей напряжений, обусловленных фронтом трещины и его движением между частицами и вокруг них, и следовательно, от размеров частиц. Они пришли к выводу, что меньшие по размеру частицы наполнителя менее эффективны, чем крупные и что при постоянном расстоянии между частицами энергия разрушения композиций, наполненных более крупными частицами, выше. Эванс подтвердил эти предположения математическими расчетами. Эксперименты также показали, что энергия разрушения композиций возрастает при увеличении размера частиц наполнителя. На рис. 2.23 показаны данные Лэнга и Рэдфорда, приведенные Эвансом совместно с его теоретическими расчетами зависимости энергии разрушения наполненных композиций от размера частиц и расстояния между ними, ранее показанными на рис. 2.22. Хорошее соответствие экспериментальных и расчетных данных получено вплоть до объемных долей наполнителя, при которых достигается максимальная поверхностная энергия разрушения.

Введение частиц жесткого наполнителя приводит к повышению модуля упругости наполненной композиции по сравнению с модулем исходного полимера. Так на рис. 2.24 показано возрастание модуля упругости с увеличением объемной доли жесткого наполнителя и прочности связи его с матрицей. Более подробно этот вопрос рассматривается в следующей главе. Так как и поверхностная энергия разрушения, и модуль упругости хрупких полимеров возрастают при введении дисперсных частиц наполнителя, следовало ожидать увеличения прочности наполненных композиций. Одна-

ко при этом, очевидно, решающую роль играют размер начального дефекта, инициирующего разрушение, и его отношение к расстоянию между частицами. Это отношение определяет вклад линейного натяжения фронта трещины в прочность при растяжении наполненных композиций. Для лучшего понимания этого вопроса рассмот- 2 — ^^nS^b \ \ \ \ \

Разрушение твердого тела включает три стадии — инициирование субкритической трещины, ее медленный стабильный рост до критических размеров и, наконец, ее быстрое нестабильное распространение. Необязательно, что при разрушении проявляются все стадии. Например, общепризнано, что при разрушении стекол критические дефекты уже существуют в виде поверхностных трещин, и кратковременная прочность стекол определяется только третьей стадией. В пластичных металлах, в которых трещины инициируются накоплением дислокаций, разрушение проходит через все три стадии. Хрупкие густосетчатые полимеры, такие как отвержденные эпоксидные и полиэфирные смолы, по характеру разрушения ближе к минеральным стеклам, чем к пластичным металлам. Поэтому вероятно, хотя и не на все сто процентов, что их прочность определяется, как и прочность минеральных стекол, напряжением, необходимым для распространения уже существующих дефектов. Размеры этих дефектов можно грубо оценить по уравнению Гриффита. Типичные значения разрушающего напряжения для этих полимеров составляют примерно 100 МН/м2, модуля Юнга — 3 гН/м2, поверхностной энергии 150 Дж/м2. Расчеты по уравнению 2.1 дают размеры дефектов порядка 30—40 мкм. В наполненных полимерах существуют три возможных типа этих дефектов — дефекты, присущие структуре матрицы, размером с0, частицы наполнителя размером р и расстояние между частицами а. Если частицы наполнителя по размерам превосходят структурные дефекты матрицы и, особенно, если частицы имеют нерегулярную форму, то они могут стать наиболее опасными дефектами наполненных композиций. Если наибольшие значения Со и р меньше расстояния между частицами, то трещина может расти в матрице, преодолевая толыш ее поверхностную энергию разрушения, до величины, равной Тя, а затем трещина должна расти, преодолевая и

Если наибольшие значения р и Со значительно превышают расстояние между частицами, вклад линейного натяжения фронта трещины в поверхностную энергию разрушения начинает в решающей степени определять прочность наполненных композиций, которую можно рассчитать, используя уравнение Гриффита. Однако это предположение не доказано экспериментально. Для доказательства необходимо независимо измерить энергию разрушения,

модуль Юнга, размер начального дефекта и прочность наполненной композиции, а таких данных в настоящее время нет. Лэнг и Рэдфорд опубликовали обширные данные, полученные без измерения размера начального дефекта [34, 44, 46, 47]. По их данным можно рассчитать ожидаемый размер дефекта для частиц различного диаметра. Некоторые результаты такого расчета приведены в табл. 2.2. Измеренная прочность всегда уменьшается при введении наполнителя, хотя поверхностная энергия разрушения увеличивается. Средние размеры частиц были значительно меньше размеров структурных дефектов матрицы (50 мкм) и, следовательно, можно было ожидать, что размеры начального дефекта в наполненных композициях должны лежать в области 50 мкм. Однако рассчитанные значения размеров начальных дефектов составили несколько сот мкм. Очевидно, что такими дефектами, вызывающими разрушение наполненных композиций, могут оказаться пузырьки воздуха, попадаемые в композиции в процессе их приготовления, что невозможно избежать [44, 47].

Наибольшее количество пластиков, армированных короткими волокнами и выпускаемых промышленностью, содержат стеклянные волокна. Основными достоинствами этих волокон являются низкая стоимость, простота получения и переработки, а также высокая прочность при условии осторожного обращения с ними после вытяжки, хотя, конечно, процессы рубки волокон и формирования изделий из наполненных композиций сопровождаются частичным разрушением волокон. Асбестовое волокно является ближайшим конкурентом стеклянного волокна, поскольку оно также дешево и помимо высокой прочности обладает более высоким, чем стеклянные волокна, модулем упругости. Асбестовые волокна значительно тоньше и короче, чем стеклянные, и поэтому с ними труднее работать, хотя разработаны специальные методы их переработки и промышленностью выпускаются полимеры, армированные асбестовыми волокнами — асбопластики. Рубленые углеродные и борные волокна хотя и обеспечивают потенциально более высокую прочность и жесткость материала на их основе, достигается это за счет более высокой стоимости, и поэтому они пока не могут составить серьезную конкуренцию стеклянным и асбестовым волокнам. Нитевидные монокристаллы (усы), например из А1203, Si3N4, SiC, обладают наибольшей прочностью, однако они слишком дороги и с ними слишком трудно работать, чтобы их можно было использовать в промышленных масштабах.