16_Sviderskiy.doc Дослідження механічних і антифрикційних властивостей фторопластових карбопластиків, модифікованих нанопорошками … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 103 Свідерський В.П., ** Константинова Т.Є., * Глазунова В.А., * Кириченко Л.М., ** Водяний В.І., ** Захарчук Ю.О. ** *Донецький фізико - технічний інститут НАН України, м. Донецьк, Україна, **Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна E-mail: tribosenator@gmail.com ДОСЛІДЖЕННЯ МЕХАНІЧНИХ І АНТИФРИКЦІЙНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ФТОРОПЛАСТОВИХ КАРБОПЛАСТИКІВ, МОДИФІКОВАНИХ НАНОПОРОШКАМИ ДІОКСИДУ ЦИРКОНІЮ УДК 621.893 Виконано аналіз властивостей політетрафторетилену і методів його модифікації. Дослідження фізико– механічних і антифрикційних властивостей антифрикційних карбопластиків Ф4УВ15, Ф4УВ20, модифікованих на- нопорошком діоксиду цирконію показали доцільність застосування останніх матеріалів в вузлах тертя машин і механізмів. Ключові слова: фторопластові карбопластики, ультрадисперсні модифікатори, діоксид цирконію, анти- фрикційні і механічні властивості. Вступ Політетрафторетилен (ПТФЕ) або фторопласт-4 є одним з найбільш поширених матеріалів, що використовуються у відповідальних вузлах тертя [1]. Цей матеріал привертає до себе увагу матеріалове- дів – трибологів перш за все завдяки найнижчому коефіцієнту тертя з відомих полімерних матеріалів, що дозволяє використовувати його в різних вузлах тертя без мащення. Цінною властивістю матеріалів на основі ПТФЕ є працездатність в широкому діапазоні температур при збереженні низького і стабільного коефіцієнта тертя і забезпеченні плавного ковзання. У підшипників з таких матеріалів відсутні явища схоплювання і заїдання, а коефіцієнт статичного тертя зазвичай нижче кінетичного. До недоліків ПТФЕ слід віднести такі особливості, як повзучість або холодотекучість, тобто по- вільне наростання в часі пластичної деформації під дією невеликого навантаження, а також дуже висо- кий коефіцієнт лінійного розширення, що аномально змінюється в широких межах в залежності від тем- ператури. Головним недоліком ПТФЕ, що обмежує застосування його у відповідальних вузлах тертя, є ни- зька зносостійкість. Більшість дослідників пояснюють низьку зносостійкість особливостями структури і фрикційного перенесення ПТФЕ. Морфологія кристалічних областей ПТФЕ різко відрізняється від мор- фології інших термопластів, оскільки у ПТФЕ відсутня сферолітна структура, що типова фактично для всіх кристалічних полімерів. Для усунення недоліків ПТФЕ широко використовується модифікація полімеру різними моди- фікаторами [2]. Модифікація дозволяє істотно понизити знос при збереженні високих антифрикційних властивостей, підвищити фізико - механічні характеристики і розширити області застосування. Асортимент модифікаторів ПТФЕ дуже широкий: скляні і вуглецеві волокнисті наповнювачі, дисульфід молібдену, кокс, графіт, метали, оксиди і солі металів, полімерні добавки. Вплив модифікаторів на механічні властивості ПТФЕ досить значний. Введення модифікаторів підвищує твердість, міцність на стиснення, модуль пружності ПТФЕ, знижує міцність при згині і ударну в'язкість. Порошкоподібні модифікатори зменшують міцність при розтягуванні ПТФЕ на 0,5 - 0,7 МПа на кожен об'ємний відсоток наповнювача, ще більше падіння зазнає відносне видовження при розриві. Опір повзучості модифікованих фторопластов зростає на 200 - 300 % в порівнянні з чистим ПТФЕ. Застосовуючи різні модифікатори, можна також в 2 - 3 рази зменшити високий коефіцієнт ліній- ного розширення ПТФЕ залежно від природи і форми частинок наповнювача, причому модифікатори сферичної форми сприяють вирівнюванню теплового розширення в різних напрямках. Проте головною особливістю введення модифікаторів в ПТФЕ є збільшення зносостійкості: за- лежно від виду і вмісту модифікаторів зносостійкість композицій може зростати до 1000 разів [2, 7]. Та- кий значний вплив модифікаторів на зносостійкість при порівняно незначній зміні інших властивостей характерний тільки для ПТФЕ і не характерний для інших полімерів. Перспективним методом модифікації полімерів є використання нетрадиційних компонентів тве- рдих речовин в ультрадисперсному стані [3,4]. Ультрадисперсні з'єднання (УДЗ) є перехідним станом mailto:tribosenator@gmail.com Дослідження механічних і антифрикційних властивостей фторопластових карбопластиків, модифікованих нанопорошками … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 104 конденсуючих речовин – макроскопічні ансамблі мікроскопічних частинок з розмірами близько 1 - 100 нм. Основні фізичні властивості УДС істотно відрізняються від властивостей матеріалів в звичайному стані. Системам з компонентами в ультрадисперсному стані властиві унікальні поєднання електричних, магні- тних, теплових, механічних, сорбційних, радіопоглинаючих і інших властивостей, що не зустрічаються в масивних кристалах. Поява подібних властивостей пов'язана з розмірними ефектами УДЗ. Ці ефекти реа- лізуються, коли розмір частинок стає співвимірним з характерним кореляційним масштабом того або ін- шого фізичного явища (наприклад, розміру домена) або характерною довжиною якого-небудь процесу перенесення (довжина вільного пробігу електронів і інших елементарних частинок). В якості УДЗ використовують вуглеграфітові наночастинки детонаційного синтезу (УДАГ, УДАВ), фторованої сажі (ФС), фуллеренів (ФЛ), вуглецевих нанотрубок (УН), порошків металів, окси- дів [3, 4]. Оксид цирконію – ZrO2 (діоксид цирконію) володіє унікальним поєднанням різнорідних власти- востей: високою міцністю, зносостійкістю, термостійкістю, хімічною стійкістю і стабільністю до випро- мінювання, в тому числі і до нейтронного потоку, біологічною сумісністю і. т. ін. Це визначає його ши- роке застосування в різних галузях промисловості і дозволяє очікувати незвичайних ефектів у властивос- тях матеріалів на його основі при переході до наноструктурного стану. Так, в області оксидної кераміки зменшення розмірів частинок вихідного порошку від мікро до нанометрів дозволяє не тільки збільшити густину і покращити механічні характеристики керамічних ма- теріалів, але й суттєво змінити їх фізичні властивості. Останнє обумовлено тим, що при переході від ма- кро і мікро до нанометрового діапазону твердих тіл (менше 100 нм або 0,1 мкм) властивості речовин сут- тєво змінюються. Аналіз науково-технічної інформації з проблеми отримання оксидних нанопорошків [5] показує, що ця проблема в світовій практиці розв`язується різноманітними технологічними методами (роздільно і в комбінаціях). Найбільш поширеними з них є: метод осадження з розчинів солей, гідротермальний ме- тод, розпилювальний піроліз, золь-гель процес з використанням алкоксидів, аерозольний метод, метод отримання порошків при обробці вихідних матеріалів в смолоскипі полум`я, плазмохімічний метод, ла- зерний синтез, хімічні газофазні методи конденсації, механічні методи і т. ін. Особливо ефективний метод хімічного осадження. Основні його переваги перед іншими – низька собівартість продукції і можливість отримання порошків заданого складу в промислових масштабах. Од- нак разом з перевагами цей метод має і суттєвий недолік – порошки, що отримуються таким способом, мають високий ступень агрегації і агломерації продуктів осадження і прокалювання осадів, також широ- кий спектр розмірів як первинних частинок, так і агломерованих. Іншими словами, цей метод, в його класичному варіанті, не дозволяє отримувати неагломеровані порошки з нанорозмірними частинками. Використаний технологічний процес отримання порошку діоксиду цирконію, оснований на ме- тоді хімічного осадження, включає три основні стадії [5]: - отримання гелеподібного осадку гідроксиду цирконію Zr(OH)4*nH2O в результаті взаємодії ок- синітрату цирконію з водними розчинами аміаку; - зневоднення осадку і дегідроксилізація (видалення ОН груп) гідроксиду цирконію при нагріві до температур 120 – 350 0С з перетворенням гідроксиду в аморфний ZrO2; - кристалізація частинок ZrO2 при температурі 400 - 800 °С. Встановлено, що розмір майбутніх кристалічних частинок ZrO2 закладається уже в гелеподібно- му осадку гідроксиду в результаті полімеризації, а також в процесі сушки осадку і дегідроксилізації гід- роксиду цирконію. З метою попередження або зниження ступеня агрегації і агломерації частинок в оса- дку здавна використовуються поверхнево активні речовини (ПАВ), а також електроліти. Ці речовини при додаванні в розчин реагуючих солей, здатні адсорбуватись на поверхні частинок, що випадають в осадок і зменшувати їх взаємодію за рахунок зниження поверхневої енергії частинок або створення на їх повер- хні однойменних зарядів. Однак результат використання цих методів не завжди прогнозований, особливо в тих випадках, коли осадки піддаються термообробці. Більш радикальним способом попередження агре- гації частинок і виникнення жорстких агломератів є застосування імпульсно - хвильових дій: СВЧ нагрі- ву і імпульсно-магнітних пульсацій (ІМП) в процесі сушки і прокалювання осадів гідроксиду а також їх ультразвукової обробки [6]. Нанокерамічні матеріали на основі ZrO2 володіють унікальним комплексом фізико - механічних властивостей: - на відміну від існуючих аналогів, внаслідок особливої технології синтезу, кераміка має одноча- сно високі значення міцності, в'язкості руйнування і зносостійкості; - високі експлуатаційні властивості в умовах дії високих температур (понад 1600 °C) і корозійно- активних середовищ без значної деградації механічних властивостей; Завдяки своїм неповторним властивостям як висока зносостійкість, неймовірно гладка поверхня і практично відсутність негативної взаємодії наприклад з дротом та кабелем, найнижча з усіх відомих ке- рамічних матеріалів теплопровідність - оксид цирконію знаходить застосування в багатьох областях техніки. Дослідження механічних і антифрикційних властивостей фторопластових карбопластиків, модифікованих нанопорошками … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 105 Завдяки мінімальній взаємодії з металами оксид цирконію відмінно підходить для пари ковзання, завдяки добрим трибологічним властивостям, особливо при високих температурах, а також має краще, ніж у сталей теплорозширення. Все це робить матеріали на основі оксиду цирконію одним з кращих ма- теріалів технічної та інженерної кераміки. В роботі [7] встановлено, що перспективними антифрикційними матеріалами є карбопластики типу флубон (Ф4УВ15, Ф4УВ20 - матеріали на основі політетрафторетилену і основного наповнювача: вуглецевого волокна, що отримане за особливою технологією і модифіковане спеціальними добавками). Для покращення фізико-механічних і антифрикційних характеристик цих матеріалів використано прин- цип багаторівневого модифікування полімерної матриці [4]. Реалізація даного принципу здійснюється шляхом введення в ПТФЕ суміші наповнювачів різного складу і дисперсності – вуглецевих волокон і на- нодисперсних частинок, вибраних з групи оксидів цирконію. Мета і постановка задачі Мета роботи полягає в тому, щоб підвищити антифрикційні, фізико-механічні властивості кар- бопластиків типу флубон (Ф4УВ15, Ф4УВ20) за рахунок модифікації їх оксидними нанопорошками ZrO2 + 3% Y2O3 (700 ˚C), ZrО2 + 3% Y2O3 (500 ˚C-2h), ZrO2 + 3% Y2O3 (гідроксид). Лабораторні дослідження антифрикційних і механічних властивостей фторопластових матеріалів Підвищення зносостійкості композиційного полімерного матеріалу на основі політетрафторети- лену (ПТФЕ) здійснено для матеріалів типу флубон (Ф4УВ15, Ф4УВ20). Випробування на зносостійкість проведені на установці ХТІ-72 [7]. Антифрикційні дослідження виконувались за схемою контакту – «сфера - площина». Режим змінних граничних питомих навантажень при постійному нормальному нава- нтаженні, зразки висотою (10 ± 0,1) мм i діаметром (10 ± 0,1) мм з кінцевою сферою радіусу 6,35 міліме- тра контактували сферою по площині металевого контртіла діаметром (60 ± 0,15) мм і висотою (10 ± 0,15) мм; металеве контртіло було виготовлено із сталі 45 (НВ 4,5 ± 0,18 ГПа) i оброблено до поча- ткового середнього арифметичного відхилення профілю поверхні Ra 0 = 0,2 ± 0,03 мкм. В цій схемі випробувань можна виділити дві характерні області: а) область нелінійної залежності зношування від шляху тертя, коли питоме навантаження зміню- ється від навантаження, близького до твердості НВ матepiaлy, до навантаження, яке відповідає граничній навантажувальній здатності; позначення: шлях тертя 1S , інтенсивність зношування 1I ; б) область лінійної залежності зношування від шляху тертя, коли граничне питоме навантаження в меншій степені знижується, ніж в першій області; позначення: шлях тертя 2S , інтенсивність зношу- вання 2I . За результатами цього експерименту розраховували чинник зношування (інтенсивність об’ємного зношування) для шляху тертя 1S∆ = 0 ... 3 км і 2S∆ = 3 - 23 км: 1 1 1 SN V I i i ∆⋅ ∆ = ; (1) 2 2 2 SN V I і і ∆⋅ ∆ = , (2) де iV1∆ – зміна об’єму і-зразка на проміжку шляху тертя від 0 до 3 км (нелінійна залежність зношування від шляху тертя); iV2∆ - зміна об’єму і-зразка на проміжку шляху тертя від 3 до 23 км (лінійна залежність зно- шування від шляху тертя). Нормальне навантаження на один зразок дорівнювало Nі = 100 Н, швидкість ковзання V = 0,3 м/с, температура, заміряна на відстані 0,5 - 1 мм від поверхні контртіла, Т = (323 ± 2) К при випробуванні без мащення. Випробування проводилося на шляху тертя 1S = 0 … 3 км, 2S = 3 … 23 км. Результати вико- наних досліджень приведені на (рис. 1). Встановлено, що вплив оксидного модифікатора ZrO2 + 3% Y2O3 (700 оC) на зносостійкість фто- ропластового карбопластика найбільш суттєвий при оптимальній кількості (20 мас.%) вуглецевого воло- Дослідження механічних і антифрикційних властивостей фторопластових карбопластиків, модифікованих нанопорошками … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 106 кна в композиті. При підвищенні концентрації вуглецевого волокна у модифікованому фторопластовому карбопластику від 10мас.% до 20мас.% зносостійкість композита суттєво збільшується в результаті зме- ншення ступеня деформації поверхневого шару і розширення областей пружної і пружно-еластичної де- формації при фрикційній взаємодії з металевим контртілом [9]. Зі збільшенням в композиті концентрації вуглецевого волокна частина міжфазних шарів в композиційному матеріалі зростає, при цьому дефект- ність структури полімера зменшується. Вважають [9], що механізмом модифікуючої дії наповнювачів на структуру ПТФЕ є збільшення густини структурних елементів в результаті формування міжфазних шарів з певним розташуванням молекул на межі розділу «полімерна матриця – наповнювач», що і веде до змі- цнення композиційного матеріалу. Матеріали з покращеними фізико-механічними властивостями відпо- відає найбільш впорядкована надмолекулярна структура з певною орієнтацією вуглецевого волокна в міжфазних ділянках [9]. За зносостійкістю карбопластик модифікований 2 мас. % діоксиду цирконію ZrO2+3%Y2O3(700 °C) або 1 мас. % діоксиду цирконію ZrO2+3%Y2O3 (гідроксид) переважає матеріал Ф4УВ20 відповідно в 3,6 і в 2,1 рази. Менш ефективним модифікатором карбопластиків діоксид цирконію ZrO2+3%Y2O3 (500 °C - 2h) при введені якої в кількості 2 мас. % до складу композиту його зносостійкість зростає лише в 1,22 разів. а б Рис. 1 – Гістограма інтенсивності зносу антифрикційних карбопластиків, модифікованих нанопорошками діоксидів цирконію: а – перший етап досліджень; б – другий етап досліджень; 1 – Ф4УВ20; 2 – Ф4УВ20+0,5мас.%.( ZrO2+3%Y2O3, гідроксид); 3 – Ф4УВ20+1мас.%.( ZrO2+3%Y2O3, гідроксид); 4 – Ф4УВ20+2мас.%.( ZrO2+3%Y2O3, гідроксид); 5 – Ф4УВ20 + 1 мас.%.( ZrO2+3%Y2O3,700 ºC); 6 – Ф4УВ20 + 2 мас.%.( ZrO2+3%Y2O3,700 ºC); 7 – Ф4УВ20 + 3 мас.%.( ZrO2+3%Y2O3,700 ºC); 8 – Ф4 –88 мас. %, +Урал Т-15 – 10 мас. %, + (ZrO2 + 3% Y2O3, 700 ºC) -2 мас.%; 9 – Ф4-ПН –83 мас. %, + Урал Т-15 – 15 мас. %, + (ZrO2 + 3% Y2O3, 700 ºC) – 2 мас.%.; 10 – Ф4УВ20+0,5мас.%.(ZrO2+3%Y2O3, 500 ºС – 2h); 11 – Ф4УВ20+1мас.%.(ZrO2+3%Y2O3, 500 ºC - 2h); 12 – Ф4УВ20+2мас.%.(ZrO2+3%Y2O3, 500 ºC - 2h) Ці ефекти можна пояснити тим, що частинки діоксиду цирконію є додатковими центрами крис- талізації ПТФЕ, в результаті чого зменшуються розміри структурних елементів надмолекулярної струк- тури, остання стає більш впорядкованою і орієнтованою (рис. 2). В цьому випадку ефект збільшення ад- гезійної взаємодії між матрицею ПТФЕ і частинками наповнювача реалізується в результаті структурую- Дослідження механічних і антифрикційних властивостей фторопластових карбопластиків, модифікованих нанопорошками … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 107 чого впливу наночастинок з некомпенсованим зарядом на макромолекули граничного шару і формування мілкосферолітних надмолекулярних утворень в об`ємі композиту [3, 4, 9]. Внаслідок хімічної інертнос- ті макромолекул ПТФЕ на межі розділу з наповнювачем не утворюється хімічних зв`язків, а в ре- зультаті низької поверхневої енергії і високої в’язкості не забезпечується якісного змочування розплавом поверхні наповнювача. В результаті міжфазний шар не здатний до передачі наванта- ження і при дослідженнях на розтяг композитів армуючий наповнювач фактично не сприяє підви- щенню опору зразка розриву. Тому значення міцності на розтяг є показником якості наповненого ПТФЕ: на відміну від всіх інших полімерів його наповнення будь-яким компонентом при застосу- ванні традиційних технологій приводить до зниження міцності на розтяг композиту [7, 10, 11]. а б Рис.2 – Надмолекулярна структура композиційних матеріалів: а – Ф4УВ20 ( × 4000); б - Ф4УВ20 + 2 мас.%.( ZrO2 +3%Y2O3,700 0C) ( × 4000) Перед дослідженнями на розтяг по три зразки кожного матеріалу кондиціонували за ГОСТ 12423-66 не менше 16 годин при температурі (23 ± 2) °С i відносній вологості (50 ± 5) %. Висоту, шири- ну, діаметр зразка вимірювали з похибкою не більше 0,01 міліметра і не менше ніж в чотирьох місцях. По мінімальних значеннях вираховували поперечний пepepiз зразка. Встановлювали зразок між опорними площадками так, щоб вертикальна вісь зразка збігалась з напрямком дії навантаження. Для механічних випробувань на одноосьовий розтяг застосовують плоскі, трубчасті і кільцеві зразки. Недоліком плоских зразків є труднощі надійного кріплення в захватах випро- бувальних машин. За невеликої довжини і ширини зразка важко позбутися його проковзування або роз- давлювання в захватах. Для часткової ліквідації цих недоліків до смуги приклеюють або приварюють на- кладки з матеріалу, що має більшу пластичність і меншу жорсткість, ніж досліджуваний композиційний матеріал. Наприклад, на карбопластики рекомендується наклеювати накладки з дерев'яного шпона. Ре- зультати, що отримані при осьовому розтягу плоских і трубчастих зразків, часто не збігаються. Причи- ною цього є відмінність в технології отримання і в схемах напруженого стану зразків. В трубчастих зраз- ках відбувається концентрація напружень поблизу захватів, розподіл напружень по довжині трубчастого зразка відрізняється від такого ж в плоскому, тому результати досліджень плоских і трубчастих зразків неможливо порівнювати між собою. Специфічні особливості антифрикційних карбопластиків: ступінь натягу волокон, їх викривлен- ня, наявність внутрішніх напружень враховуються за допомогою досліджень кільцевих зразків. Дослідження для визначення pσ виконувались з допомогою розривної машини МР-05-1 (v = 15 мм/хв). Границя міцності на розтяг, визначена за формулою (3), не є істиною характеристикою композиційного матеріалу, оскіль- ки поблизу місць роз'єднання напівдисків в результаті зміни кривиз- ни кільця відбуваються деформації розтягу і згину, причому їх спів- відношення залежить від відношення товщини стінки кільця до його діаметра. Чим більше це співвідношення і чим сильніше виявлена анізотропія композиційного матеріалу, тим сильніше проявляється вплив згину. Тому випробування з кільцевими зразками слід викону- вати тільки як порівняльні. Дослідження міцності на розтяг антифри- кційних карбопластиків виконувались за ГОСТ 11262-80 в результаті навантаження жорстких . напівдисків, на які одягається, досліджува- Рис. 3 – Пристрій для досліджень на міцність при розтягу кілець Дослідження механічних і антифрикційних властивостей фторопластових карбопластиків, модифікованих нанопорошками … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 108 не кільце (рис. 3). Границя міцності на розтяг pσ , МПа визначалась за формулою: )(2 rRh P p − =σ , (3) де P – розривне зусилля, Н; h – висота зразка, мм; R – зовнішній радіус, мм; r – внутрішній радіус, мм. Результати випробувань приведені в табл. 1. Таблиця 1 Міцність при розтягу антифрикційних карбопластиків, модифікованих нанопорошком ZrO2+3%Y2O3 (гідроксид), ZrO2+3%Y2O3 (700 0C), ZrO2+3%Y2O3 (500˚C - 2h) Найменування, склад композиції, мас.% Міцність при розтягу, МПа Вибірковий коефіцієнт варіації міцності при розтягу, % Ф4УВ20 10,54 7,7 Ф4УВ20+1 мас.%.(ZrO2+3%Y2O3, гідроксид) 12,54 7,1 Ф4УВ20+2 мас.%.(ZrO2+3%Y2O3, гідроксид) 11,01 7,2 Ф4-ПН –80 мас. %, Текарм-5 мас. %, Урал Т15-15 мас. %, + ( ZrO2 + 3% Y2O3, 700 °C) -1 мас.% 13,42 7,6 Ф4-ПН –80 мас. %, Текарм-5 мас. %, Урал Т15-15 мас. %, + (ZrO2 + 3% Y2O3, 700 °C) -2 мас.% 14,63 7,2 Ф4-ПН –80 мас. %, Текарм-5 мас. %, Урал Т15-15 мас. %, + ( ZrO2 + 3% Y2O3, 700 °C) -3 мас.% 11,88 6,8 Ф4УВ20+1мас.%.(ZrO2+3%Y2O3, 500 °C - 2h) 13,2 7,9 Ф4УВ20+1,5 мас.%.(ZrO2+3%Y2O3, 500 °C - 2h) 10,80 7,3 Ф4УВ20+2 мас.%.(ZrO2+3%Y2O3, 500 °C - 2h) 10,75 7,1 З розрахунків можна зробити висновок, що найбільш ефективним є введення до матеріалу Ф4УВ20 2 мас.% ZrО2 +3% Y2O3 (700 °C): міцність при розтягу композита зростає на 39 %; при введенні ж 1 мас.% ZrО2 +3% Y2O3 (500 °C - 2h) або 1 мас.% ZrO2+3%Y2O3 (гідроксид), міцність при розтягу ком- позита зростає відповідно на 25 % і 19 %:. Це можна пояснити тим, що частинки нанодисперсного напо- внювача мають некомпенсований заряд і забезпечують ефект впорядкування полімерної матриці, а також підвищення міцнісних характеристик композиту. Наявність в складі олігомерного компонента підвищує термодинамічну сумісність на межі розділу і сприяє пластифікуванню граничних шарів ПТФЕ. В резуль- таті адгезійна взаємодія на межі розділу компонентів підсилюється, що підвищує міцнісні характеристи- ки композита(рис. 4). а б Рис. 4– Надмолекулярна структура композиційних матеріалів після випробування на розтяг: а – Ф4УВ20 ( × 400); б – Ф4УВ20 + 2 мас.%.(ZrO2 +3%Y2O3,700 °C) ( × 400) Дослідження механічних і антифрикційних властивостей фторопластових карбопластиків, модифікованих нанопорошками … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 109 Зв`язок вуглецевих волокон з ПТФЕ в зразках з нанопорошком оксиду цирконію суттєво кращий ніж в матриці карбопластика Ф4УВ20. Висновки 1. Досліджено полімерні композити на основі політетрафторетилену (ПТФЕ), модифіковані спе- ціальними вуглецевими волокнами і оксидними нанопорошками ZrO2 + 3% Y2O3 (700 °C), ZrO2 + 3% Y2O3 (500 ˚C-2h ) - 22 мас. % і ZrO2+3%Y2O3 (гідроксид) - 1 мас. %, максимальної структуруючої дії, пе- ревищення якої призводить до утворення по границях сферолітів «сітки» з координаційно зв’язаних уль- традисперсних частинок. 2. Встановлено, що оксидні фази являються ефективними модифікаторами ПТФЕ, що дозволяє направлено формувати надмолекулярну структуру зв’язуючого і отримувати матеріали з оптимальним поєднанням деформаційно - міцнісних і триботехнічних характеристик. 3. Визначена оптимальна концентрація нанонаповнювачів ZrO2 + 3% Y2O3 (700 °C) - 2мас. %, ZrO2 + 3% Y2O3 ( 500 °C-2h ) - 22 мас. % і ZrO2+3%Y2O3 (гідроксид) - 1 мас. %, максимальної структуруючої дії, перевищення якої призводить до утворення по границях сферолітів «сітки» з координаційно зв’язаних ультрадисперсних частинок. 4. При зношуванні системи ПТФЕ – спеціальні вуглецеві волокна – «активний» наповнювач (схема досліджень сфера – площина) спостерігається незначний знос як композиційного матеріалу, так і контртіла. Міцність на розтяг антифрикційного карбопластика Ф4УВ20 модифікованого 2 мас. % ZrO2 + 3% Y2O3 (700 °C) зростає на 39 %, а зносостійкість в 3,6 разів. 5. Вплив оксидного наповнювача ZrO2 + 3% Y2O3 (700 °C) на зносостійкість фторопластового карбопластика найбільш суттєвий при оптимальній кількості 20 мас. % вуглецевого волокна в композиті. При зменшенні концентрації вуглецевого волокна у модифікованому фторопластовому карбопластику від 20 мас. % до 10 мас. % зносостійкість композита суттєво зменшується. Література 1. Паншин Ю. А. Фторопласты. / Ю.А. Паншин, С.Г. Малкевич, Ц.С. Дунаевская. – Л.: Химия, 1978. – 232 с. 2. Истомин Н. П. Антифрикционные свойства композиционных материалов на основе фторполимеров. / Н. П. Истомин, А. П.Семенов. – М.: Наука. – 1981. – 146 с. 3. Охлопкова А.А. Модификация полимеров ультрадисперсными соединениями. / А.А. Охлопкова, О.А. Адрианова, С. Н. Попов. – Якутск: ЯФ Издательсво СО РАН. – 2003. – 247 с. 4. Горбацевич Г.Н. Структура и технология углеродных герметизирующих материалов для ста- тических и подвижных уплотнений: Дисс… канд. тех наук. Гродно, 2002. – 138 с. 5. Константинова Т.Е. Нанопорошки на основе диоксида циркония: получение, исследедование, применение / Т.Е. Константинова, И.А. Даниленко, В.В Токий., [и др.] // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. – К.: Академперіодика. – 2004. – Т. 2. – С. 609-632. 6. Константинова Т.Е. Получение нанодисперсных порошков диоксида циркония. От новации к инновации / Т.Е. Константинова, И.А. Даниленко, В.В Токий., [и др.] // Наука та інновації. – 2005. – Т. 1. – № 3. – С. 76-87. 7. Сиренко Г.А. Антифрикционные карбопластики. / Г.А. Сиренко. – К.: Техника. – 1985. – 195 с. 8. Применение синтетических материалов: материалы конференции. / Гл. редактор Р.И. Силин. Кишинев.: Картя Молдовеняскэ. – 1975. – 199 с. 9. Стручкова Т.С. Разработка и исследование полимерных композиционных материалов на осно- ве активации политетрафторэтилена и углеродных наполнителей: автореф. дис. канд. тех. наук / Т. С. Стручкова. – Комс. - на - Амуре. – 2008. – 19 с. 10. Сиренко, Г.А. Материалы графелон и флубон для уплотнительных пар / Г.А. Сиренко // Тез. 3-го Всесоюзного совещания по уплотнительной технике. – Сумы, 1982. – С. 42-43. 11. Сиренко, Г.А. Разработка и исследование новых антифрикционных материалов для бессма- зочных поршневых компрессоров холодильных установок / Г.А. Сиренко, И.И. Новиков, В.П. Захаренко [и др.] // Повышение эффективности холодильных машин. – Л.: Технологический институт холодильной промышленности, 1981. – С. 148-154. Надійшла в редакцію 16.05.2014 Дослідження механічних і антифрикційних властивостей фторопластових карбопластиків, модифікованих нанопорошками … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 110 Svoderskiy V.P., Кonstantinova Т.E., Glazunova V.A., Kirichenko L.M., Vodjanij V.І., Zaharchuk J.О. Investiga- tion of mechanical and friction properties of polytetrafluoroeethylene carboplastics modified by nanopowder zirconium dioxide. The analysis of the properties of polytetrafluoroethylene and methods of his modification. Research of physicome- chanical and antifriction properties antifriction carbon plastics F4UV15, F4UV20 modified by nanopowder zirconium diox- ide has shown the expediency of application of the latest materials in friction units of machines and mechanisms. Key words: polytetrafluoroethylene carboplastics, ultradispersed modifiers, zirconium dioxide, anti-friction and mechanical properties. References 1. Panshin J.A.,Malkevich S.G.,Dunaevskaya C.S., Ftoroplastu, Leningrad,Khimiya, 1978. 232 p. 2. Istomin N.P., Semenow A.P., Antifrikcuonnue svojstva kompozicuonnuh materialov na osnove ftor- polimerov,M: Nauka. 1981. 146 p. 3. Okhlopkova A.A., Adrianova O.A., Popov S.N., Modifikacija polimerov ul'tradispercnumi soedineni- jami, Yakutsk: JF Izdatel'stvo SO RAN. 2003. 247 p. 4. Gorbatsevich G.N., Stryctyra i tehnologija yglerodnih germetiziryjyschih materialov dlja staticheskih i podvizhnih yplotnenij : Diss... Cand. teh nayk. Grodno, 2002. 138 p. 5. Konstantinova I.E.,DanilenkoI.A., Tokiy V.V., [i dr.], Nanoporoshki na osnove dioxida zirconija: polychenie, issledovanie, primenenie, Nanosistemy, nanomaterialy, nanotehnologiji. 2004. so 2. - Akademperi- odika. (Kyiv). p. 609-632. 6. Konstantinova I.E.,DanilenkoI.A., Tokiy V.V., [i dr.], Polychenie nanodispersnuh poroshkov diok- sida zirkonia. Ot novacii k innovacii, Nayka ta inovacii. 2005. t 1. № 3. p.76-87. 7. Sirenko G.A., Antifrikcionnue carboplastiki,Kiev. Tehnika. 1985. 195 p. 8.Priminenie sinteticheskih materialov: materialu konferencii, Gl. redaktor R.I. Silin. Kishinev.: Kartja Moldovenyaske. 1975. 199 p. 9. Struchkova T.S., Razrabotka i issledovanie polimernuh kompozicionnuh materialov na osnove akti- vacii politetraftoretilena i yglerodnuh napolnitelej: Avtoref. dis. kand. tech. nayk, Koms. - na - Amure. 2008. 19 p. 10. Sirenko G.A., Materialu grafelon i flubon dla yplotnitel'nuh par, Tez. 3-go Vsesojyznogo soveschanija po uplotnitelnoj tehnike. Symu, 1982. p. 42-43. 11. Sirenko G.A., Novikov I.I., Zakharenko V.P., [i dr], Razrabotka i issledovanie novuh antifrikzion- nuh materialov dlja bezsmazochnih porshnevuh kompressorov holodil'nuh ystanovok,Povishenije effektivnosti holodilnih mashin. Leningradskij Tehnologicheskij Instityt holodil'noj promushlennosti, 1981. p. 148-154.