Композиционные триботехнические материалы на основе олигомеров сшивающихся смол

-тиристорный блок управления регулировки программ;

-тиристорного блока питания регулирования программ.

Одной из сложных задач кинетики химических процессов является

расчет энергии активации, то есть определение избыточного количества

энергии, которым должна обладать молекула в момент столкновения, чтобы

началась химическая реакция.

Для расчета энергии активации реакции используют методы ДТА, ТG, ДТG.

Энергия активации по кривой ДТА может быть рассчитана из уравнения:

Ln?t = c – E/(RT) ; (1)

где ?t- изменение температуры, соответствующее глубине пика ДТА при

заданной температуре выраженного в мм;

Е- энергия активации кДж/моль, то есть энергия которую нужно сообщить

молекуле, чтобы она вступила в реакцию;

R- универсальная газовая постоянная Дж/мольК;

с- константа.

По кривой ТG-анализа энергию активации расчитывают:

Lnm-2LnT=А-Е/RT; (2)

где m- уменьшение массы вещества, определяется по ТG-кривой, в % или

мг;

А-постоянная величина.

Исходя из кривой ДТG-анализа энергию можно вычислить из уравнения:

cV=B-E/RT; (3)

где V- скорость уменьшения массы вещества, мг/мин или мг/ С;

В- константа;

Т- абсолютная температура, К.

Рис.1. Принципиальная схема дериватографа Q-1500

1- керамическая трубка;

2- держатель проб;

3- печь;

4- включатель;

5,10,12- усилители;

6- электромагнит;

7- катушка;

8- весы;

9- дифференциальный преобразователь сигнала;

11- регестрирующее устройство.

2.2.Определение коэффициента трения и удельного износа

Опыты проводились на трибометре ПД-1А.

Он предназначен для испытания различных материалов (металлов, сплавов,

жестких полимеров и керамики) на трение и износ.

Принцип действия устройства заключается в истирании пары трения,

состоящей из неподвижного цилиндрического образца – пальца, прижимаемого

торцевой поверхностью к плоскости вращающегося диска.

Устройство трибометра.

Структурная схема трибометра содержит испытательный блок и пульт

управления, обеспечивающие возможность оценки фрикционных свойств блочных

образцов и покрытий в широком диапазоне нагрузок и скоростей.

Испытательный блок включает в себя следующие функциональные узлы:

1. Держатели образцов;

2. Блок датчиков измерения характеристик и параметров трения;

3. Привод вращения нижнего образца;

4. Механизм нагружения образцов.

Указанные узлы монтируются на общей станине. Конструкция

испытательного блока обеспечивает надежную виброизоляцию машины при работе

в условиях интенсивных динамических нагрузок.

Испытательный блок электрически связан с пультом управления,

содержащим :

1. Блок управления скоростью вращения двигателя.

2. Измеритель числа оборотов и скорости вращения вала.

3. Систему измерения силы трения.

4. Систему измерения линейного износа.

5. Аналого-цифровой преобразователь.

6. Блок защиты от перегрузок.

2.3. Атомно-силовая микроскопия (АСМ)

Метод АСМ применяется для измерения топографии поверхности твердых тел в

нанометровом диапазоне и анализа особенностей ее строения.

Изображение поверхности в АСМ получают при помощи сканирования образца в

горизонтальной плоскости с использованием иглы с радиусом кривизны острия

порядка десятков-сотен нанометров, укрепленной на консоли (колеблющейся) с

известной жесткостью. При сканировании измеряется отклонение (сдвиг

резонансной частоты колебаний) консоли под действием сил между иглой и

поверхностью. Таким образом, при регистрации сил взаимодействия (градиента

сил) проводят картографирование поверхности.[15]

Аналитический узел сканирования АСМ представляет собой открытую

конструкцию для работы на воздухе с хорошим доступом при установке образца

и смене сканирующего зонда. Обзор места подвода острия зонда к исследуемой

поверхности может обеспечиваться использованием длиннофокусного оптического

микроскопа.

Аналитический зонд АСМ представляет собой ‘Г’-образную консольно

закрепленную балку с острием (радиус закругления –0,1мкм) на свободном

конце, изготовленную из вольфрамовой проволоки методом электро-химического

травления и полирования. Вторым, более длинным концом, бапка связана с

биморфным пьезокерамическим элементом (БД), который при подаче

осциллирующих напряжений от генератора частот (ГЧ) приводит ее в колебания

с собственной частотой (30-100кГц). При приближении зонда к поверхности

образца (О) на расстояние порядка нескольких нанометров, амплитуда

колебаний балки изменяется под влиянием молекулярных сил (отталкивания)

возникающих между острием и поверхностью образца.

Рис.2. Принципиальная схема АСМ

З- зонд;

БМ- биморфный элемент;

ГЧ- генератор частот;

О- образец;

ЛИ- люминисцентный источник;

ОВ- оптическое волокно;

БЭ- блок электроники;

ПК- персональный компьютер;

ПД1,2,3,4- пьезоэлементы двигателя.

Изменение амплитуды колебаний зонда детектируется оптической системой, в

которой пучок света от ЛИ проходя по ОВ, отражается, во-первых, от его

скола на краю волокна подведенном с помощью регулируемого кронштейна на

расстояние 10мкм к ?пятке’ зонда и , во-вторых, от полированного участка на

поверхности балки. Разность отраженных оптических сигналов регистрируется и

обрабатывается блоком электроники (БЭ). По изменениям разницы сигналов

судят об изменении амплитуды колебаний зонда и , следовательно, об

изменении расстояния между сканирующим острием и исследуемой поверхностью.

С помощью системы обратной связи на базе управляющего компьютера (ПК) и

блока электроники (БЭ) подаются соответствующие управляющие напряжения на Z-

участок, пьезоэлементы двигателя (ПД). ПД, удлиняясь или укорачиваясь,

совершают перемещение острия (или образца) вдоль оси Z и тем самым

поддерживают постоянным расстояние между острием зонда и поверхностью

образца во время сканирования.

Системы детектирования и перемещений обеспечивают чувствительность по оси

Z 0,1-0,2 нм, в плоскости ХОУ- разрешение до 5-10 нм.

Сканирование острия зонда над измеряемой поверхностью осуществляется

пьезодержателем ПД1. Для этого соответствующие квантовые напряжения на ХУ-

участки трубчатого элемента подают, что приводит к их изгибу относительно

осей ОХ и ОУ и, следовательно, к сканированию в плоскости ХОУ. В

зависимости от состояния системы цифровой процессор управляет положением

зонда. Компьютер реализует растровую разветку пьезодвигателя. В заданных

узлах растровой сетки производятся измерения положений. Данные

накапливаются в ОЗУ компьтера.

Сканирование.

Подготовленный для исследований на САМ образец закрепляют на платформе

держателя в аналитическом узле таким образом, что предполагаемый участок

сканирования располагается под острием зонда. Платформа устанавливается на

направляющие. После чего, осуществляется подвод образца, выбор режима и

производится сканирование.

Обработка данных.

В результате экспериментальных исследований были получены САМ-

изображения, обработка производится на компьютере с использованием

оригинальных программ.

Первичная обработка включает вычисление общей плоскости наклона

изображения и фильтрацию шумовых компонентов. Затем методом многократной

повторной фильтрации находят длинноволновые составляющие рельефа.

Для полученных изображений производится статистический анализ высот

топографии, углов наклона рельефа и ориентационных углов. Кроме того,

выполняются профильные сочетания изображений, которые затем обрабатываются

по специальной программе для определения параметров шероховатости.

2.4. Определение ударной вязкости

Ударная вязкость в данной работе определялась на маятниковом копре RM-

201.Маятниковый копер предназначен для испытания пластмасс на сопротивление

изгибу при ударе, на их долговечность и вязкость.

Маятниковый копер работает по принципу Шарпи. Маятник качается на оси,

вращающийся в подшипниках, закрепленных на вилкообразной чугунной стойке. В

нижней части стойки имеются опоры для закрепления образца. Расстояние между

опорами можно регулировать соответственно размерам образца. На полукруглой

шкале, расположенной центрично с осью маятника, имеются два деления в

соответствии с работой удара разных маятников. В поднятом положении маятник

фиксируют собачкой. Вытянув собачку и освободив этим маятник, накопившаяся

в нем кинетическая энергия освобождается и маятник в своем самом нижнем

положении ударяет на установленный на опорах образец и ломает его. Часть

энергии израсходуется на разрушение образца; оставшаяся в маятнике

кинетическая энергия заставляет маятник взлетать в противоположную сторону.

Выходящий за пределы самого нижнего положения маятник, сломав образец при

помощи ручки, насаженной на его ось, перемещает из своего исходного

положения фрикционную стрелку, которая показывает величину взлета маятника.

Шкала отградуирована с таким расчетом, что позволяет непосредственный

отсчет энергии, израсходованной на излом.

2.5. Рентгеноструктурный анализ

Рентгеновские дифрактометры- приборы, использующие ионизационные или

инсциляторные методы регистрации дифракционных максимумов.[14]

Современный дифрактометр является сложной установкой, в которой

осуществляется фокусировка рентгеновских лучей, отраженных от образца, и

измеряется интенсивность дифракционных максимумов с помощью счетчиков.

Установка снабжена электронной и интегрирующей схемами и автоматической

записью кривых интенсивностей.

В СНГ серийно выпускаются дифрактометры семейства ДРОН (дифрактометр

рентгеновский общего назначения) в основе которых используется одна и та же

схема фокусировки рентгеновских лучей, названная в честь авторов -

фокусировка по Брэггу-Брентано.

Дифракционная картина регистрируется последовательно по мере вращения

образца и счетчика. Поэтому необходимо, чтобы интенсивность излучения

рентгеновской трубки была постоянной, а геометрическая съемка должна быть

фокусирующей при сравнительно больших размерах образца.

Дифрактометры семейства ДРОН состоят из источника высокого напряжения, на

котором обычно располагается оперативный стол с реализацией той или иной

схемы фокусировки, которая включает рентгеновскую трубку, счетчик

рентгеновских квантов. В отдельных стойках (или стойке, в зависимости от

модели) размещаются блоки линейного усилителя, дифференциального

дискриминатора, пересчетного устройства, его секундомера, устройство вывода

информации, дифропечатающего устройства, самопишущего прибора, которые

обеспечивают функционирование и возможность реализации той или иной задачи.

РТ- рентгеновская трубка,

Д- детектор,

РГ- регестрирующее устройство,

БФИ- блок формирования импульса,

ПС- пересчетная схема,

ИСПИ- измеритель скорости подачи импульсов,

ЭПП- электронный пишущий потенциометр,

ВУ- высоковольтное устройство,

О- образец.

Рис.3 Принципиальная схема дифрактометра

Глава III. Исследование структуры и свойств полимерных материалов,

модифицированных кремнийсодержащими добавками

3.1. Результаты рентгеноструктурного анализа

3.1.1.Рентгеноструктурный анализ кремня

Анализу подвергался кремний до термообработки, после термообработки

при 1000С, 2000С, 3000С в течении одного часа.

Результаты расчета рентгенограмм приведены в таблице №2. За основу

составления этих таблиц приняты значения межплоскостных расстояний, которые

рассчитывались по формуле

d/n=(/2sin( (4)

где ( -длина волны рентгеновского излучения, Е;

(-угол скольжения,0.

Таблица №2 Результаты расчета рентгенограмм кремния

|Температура начала |900С |850С |950С |900С |900С |

|Температура max плавления |1300С |1200С |1300С |1200С |1200С |

|Температура окончания |1600С |1600С |1500С |1550С |1700С |

|Температура начала |1800С |1850С |1900С |1900С |2000С |

|Температура max окисления |2100С |2050С |2200С |2100С |2200С |

|Температура окончания |2600С |2400С |2700С |2600С |2550С |

|Температура начала |2900С |3400С |3050С |3000С |3250С |

|Температура конца |4600С |4600С |4700С |4600С |4600С |

[pic]Рис.7.

3.3. Ударная вязкость полимера

Ударная вязкость образцов определялась на маятниковом копре.

Наибольшей ударной вязкостью, как выяснилось, обладает полиэтилен с

добавкой 1% кремния. Образцы для опытов применялись прямоугольного профиля

площадью 7(5 мм2. Результаты опыта приведены на рис.№9

[pic]Рис.№9

3.4. Триботехнические характеристики

Триботехнические испытания проводились на трибометре ПД-!А. Как

выяснилось из результатов исследования, наибольшим коэффициентом трения

обладает образец с содержанием 3% кремния, наименьшим – с содержанием 0,1%

и 0,5%[18,19,20].

Установлено также, что с увеличением скорости скольжения образцов

увеличивается коэффициент трения и удельный износ.

Результаты исследований приведены на рис№10, №11.

Рис.10.

[pic]

Рис.11

[pic]

Глава IY. Технология изготовления триботехнических материалов на основе

полимеров

4.1. Принципы создания композиционных материалов на основе полимеров

Эксплуатационная долговечность машин и механизмов в ряде случаев

определяется надежностью работы узлов трения. Применение фрикционных

деталей из цветных и специальных подшипниковых сплавов требует выполнения

ряда условий для их надежной работы – смазки, специальных устройств,

защищающих узлы трения от воздействия абразивных частиц, загрязнений,

агрессивных сред, механических повреждений. Для малонагруженных и

низкоскоростных узлов трения техники различного назначения использование

подшипников скольжения из металлических сплавов конструктивно не обосновано

и экономически нецелесообразно. Современные композиционные материалы на

основе полимеров позволяют решить задачу повышения эксплуатационного

ресурса и надежности машин, обеспечив при этом значительные материальные

выгоды и экономический эффект.

Полимерные материалы в чистом виде нашли ограниченное применение при

изготовлении деталей узлов трения вследствие их относительно невысоких

эксплуатационных характеристик – высокого коэффициента трения,

недостаточной термо- и теплостойкости, низкой износостойкости. Для

повышения служебных характеристик полимера используют различные

направления: разработку новых связующих с требуемыми характеристиками,

модифицирование многотоннажно выпускаемых материалов функциональными

добавками, обработку специальными методами.

Выбор направления создания полимерного композита обусловлен

конкретными требованиями: экономическими, конструктивными,

технологическими, эксплуатационными и др. Например, применение полимерных

подшипников скольжения в автомобилях, сельскохозяйственных машинах,

выпускаемых большими сериями, выдвигают на первый план экономические

(стоимость, доступность сырья) и технологические (методы переработки в

изделия, возможность регенерации технологического брака) аспекты. При

использовании полимерных конструкций в единичных образцах техники, особенно

эксплуатирующейся в экстремальных условиях, естественно, более важное

значение имеют эксплуатационные и конструктивные требования – заданные

физико-механические свойства, термо- и теплостойкость и т.п. Очевидно, что

и эти методы модифицирования полимерных материалов выбираются, исходя из

анализа технико-экономических требований к конструкции.

Обобщение отечественного и зарубежного опыта создания

металлополимерных узлов трения позволило выявить основные тенденции в этой

области: разработку методов создания материалов с заданными фрикционными

свойствами и разработку методов управления поверхностными свойствами

материалов непосредственно в процессе фрикционного взаимодействия.

Исследование механизма трения и изнашивания полимеров по металлам

позволяет утверждать, что наиболее существенное влияние на фрикционные

характеристики оказывают: природа контактирующих материалов, нагрузочно-

скоростные и тепловые режимы трения, условия смазки, топография

поверхностей трения. Работа узла трения, в частности, во многом зависит от

температуры и состава окружающей среды, наличия абразива, воздействия

агрессивных и коррозионно-активных сред.

Для снижения коэффициента трения и повышения износостойкости материала

в состав связующего обычно вводят от 0,1 до 40% мас. сухих смазок –

графита, сульфидов металлов, солей высших кислот, талька, слюды и др. Такие

вещества обладают способностью образовывать на поверхностях трения

легкоподвижные слои. Данный метод модифицирования нашел наибольшее

применение для сшивающихся связующих – фенолформальдегидных, эпоксидных,

полиэфирных смол.

В последние годы широкое распространение получил метод повышения

фрикционных свойств полимерных материалов путем введения в их состав

жидкофазных смазок и смазочных масел. При введении жидких компонентов в

пределах, превышающих их совместимость с полимерным связующим, создается

возможность выделения избытка жидкости из матрицы. Наличие в зоне трения

градиента температур способствует миграции смазочной жидкости с повышенной

температурой. Таким образом, на поверхностях трения непрерывно генерируется

смазочная пленка. При снижении температуры в зоне трения скорость миграции

смазки замедляется, что способствует обеспечению эффекта самосмазывания в

течение длительного времени.

Недостатком антифрикционных материалов, содержащих жидкие смазки,

является ограниченность ресурса работы узла трения. Это связано с

относительно небольшим количеством жидкой смазки, которую можно ввести в

полимерный материал без существенного усложнения технологии изготовления и

Страницы: 1, 2, 3, 4

МЕНЮ

Композиционные триботехнические материалы на основе олигомеров сшивающихся смол

ИНТЕРЕСНОЕ