Влияние ультразвуковых колебаний с одновременно наложенной низкочастотной модуляцией на свойства политетрафторэтилена, модифицированного детонационными наноалмазам

Цитирование: Негров Д. А. Влияние ультразвуковых колебаний с одновременно наложенной низкочастотной модуляцией на свойства политетрафторэтилена, модифицированного детонационными наноалмазами / Д. А. Негров, В. Ю. Путинцев, Е. А. Рогачев, А. И. Глотов // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2023, 16(7). С. 835–842. EDN: LOUNAM в полимерную матрицу различных наполнителей-модификаторов (дисперсных, волокнистых, ультрадисперсных, нанодисперсных) [6–7]. Применение в качестве наполнителя детонационных наноалмазов (ДНА) при объёмной доле заполнения (~2 % масс.) оказывает существенное влияние на повышение износостойкости и на снижение коэффициента трения композиционного материала [8–9].

Для повышения качества холодного прессования применялся один из перспективных способов уплотнения порошка композиционной смеси с применением энергии ультразвуковых колебаний с одновременно наложенной низкочастотной модуляцией. Используемая технология обеспечивает увеличение степени взаимодействия наполнителя с полимером, повышает равномерность укладки частиц полимера, уменьшает поры и позволяет разрушить арочные образования в процессе формирования ПКМ [10].

Цель работы – изучение влияния ультразвуковых колебаний с одновременно наложенной низкочастотной амплитудной модуляцией на механические свойства и триботехнические характеристики полимерного композиционного материала на основе политетрафторэтилена, модифицированного детонационными наноалмазами.

Объекты и методы исследования

Объектом исследования является полимерный композиционный материал на основе политетрафторэтилена марки ПН-20, модифицированного детонационными наноалмазами. Для исследований были выбраны оказывающие наибольшее влияние на трибологические характеристики концентрации ДНА в ПТФЭ: 0,1; 0,5; 1,0; 1,5; и 2,0 масс.% [8, 9].

Первоначально осуществлялось сухое размельчение и смешивание компонентов композиционного материала в лабораторной мельнице DM-6 с частотой вращения ножей не менее 2800 мин-1. Далее была проведена сушка подготовленной смеси ПТФЭ+ДНА при температуре 150 °C в течение 4 часов. После чего смесь просеивалась через мелкоразмерное сито.

Для сравнения механических свойств и триботехнических характеристик образцы были изготовлены методом холодного прессования по трем технологическим режимам:

При первом режиме проводилось традиционное прессование без внешнего энергетического воздействия (без УЗ). Второй режим заключался в воздействии ультразвуковых колебаний 17 кГц без низкочастотной модуляции (УЗ). Третий режим – ультразвуковые колебания 17 кГц с одновременно наложенной низкочастотной модуляцией 100 Гц (УЗ+100).

Образцы для исследований изготавливались на разработанной установке, состоящей: из гидравлического пресса ГМС-50, модернизированного ультразвукового генератора УЗГ-6М, работающем в частотном диапазоне 17–23 кГц и магнитострикционного преобразователя ПМС-15А-18. Усилие прессования 80 МПа, время прессования составило 60 с, амплитуда колебаний инструмента 14 мкм. Прессование образцов проводилось при комнатной температуре.

Последним этапом каждого технологического режима была ступенчатая термическая обработка – спекание, которое заключалось в плавном нагреве до (360 ± 1) °C со скоростью 2 °C/ мин, выдержке образцов полимерного композита при температуре 360 ± 1 °C из расчета 9 мин на 1 мм толщины образца, регулируемом охлаждении со скоростью 0,5 °C/мин до 327 °C и дальнейшем охлаждении вместе с печью до комнатной температуры.

Для определения механических свойств согласно ГОСТ 11262–80 использовалась машина для испытаний Zwick Roell BT2. Модуль упругости определялся по стандартной методике согласно ГОСТ 25.601–80.

Определение триботехнических характеристик проводилось на машине трения УМТ-2168. Диаметр образцов 10,0 ± 0,1 мм, длина 15 ± 0,1 мм, контртело – стальной диск из стали марки 45 с твёрдостью 45–50 HRC, шероховатостью Rа <0,32 мкм. При проведении испытаний к образцам прикладывалась нормальная нагрузка – 471 Н, линейная скорость скольжения составляла – 0,75 м/с, время испытания 60 минут.

Результаты исследований и обсуждения

На основании проведенных экспериментальных исследований установлено, что у образцов, отпрессованных с ультразвуковым воздействием и низкочастотной модуляцией 100 Гц (рис 1a) при концентрации ДНА 0,5 масс.% достигается наибольшее значение предела прочности 26,8 МПа, что на 18 % больше, чем при изготовлении образцов по традиционной технологии без применения ультразвуковых колебаний (рис 1c). Дальнейшее увеличение концентрации наполнителя приводит к снижению предела прочности.

Максимальное значение относительного удлинения при разрыве достигается также при прессовании по технологическому режиму с ультразвуковым воздействием и низкочастотной модуляцией при концентрации ДНА 0,5 масс.% и составляет 321 % (рис. 2), по сравнению с традиционным режимом прессования позволяет добиться увеличения относительного удлинения на 14 %. Стоит отметить, что увеличение концентрации наполнителя ДНА до 2 масс.% приводит к постепенному снижению относительного удлинения.

При анализе модуля упругости образцов было установлено, что максимальные значения вне зависимости от технологии изготовления достигаются также при концентрации ДНА 0,5 масс.% (рис. 3a, 3b, 3c). Наибольший показатель модуля упругости 315 МПа обеспечивает режим прессования с ультразвуковым воздействием 17 кГц и наложенной низкочастотной

—♦—Without ultrasound (a) -И-Ultrasound (b) -*-Ultrasound+100 (c)

Рис. 1. Зависимость предела прочности от концентрации детонационных наноалмазов

Fig. 1. Dependence of ultimate strength on the concentration of detonation nanodiamonds

Рис. 2. Зависимость относительного удлинения от концентрации детонационных наноалмазов

Fig. 2. Dependence of the relative elongation on the concentration of detonation nanodiamonds

Риc. 3. Зависимость модуля упругости от концентрации детонационных наноалмазов

Fig. 3. Dependence of the modulus of elasticity on the concentration of detonation nanodiamonds модуляцией 100 Гц, что на 15 % больше, чем при изготовлении по традиционной технологии прессования.

При анализе триботехнических характеристик образцов ПКМ было установлено, что минимальная интенсивность массового изнашивания достигается у образцов с концентрацией ДНА 0,5 масс.%, спрессованных при ультразвуковом воздействии, и низкочастотной модуляцией и составляет 0,21 г/ч, что на 22 % меньше, чем при изготовлении по традиционной технологии прессования без ультразвукового воздействия (рис. 4).

Значение коэффициента трения при этом составляет 0,27, что на 17 % меньше, чем у образцов, синтезированных без ультразвукового прессования (рис. 5). Увеличение концентрации наполнения ДНА вплоть до 2 масс.% приводит к незначительному увеличению интенсивности изнашивания и коэффициента трения.

Concentration of detonation nanodiamonds, mass %

В Without ultrasound □ Ultrasound 0 Ultrasound +100

Рис. 4. Зависимость интенсивности массового изнашивания от концентрации детонационных наноалмазов

Fig. 4. Dependence of the intensity of mass wear on the concentration of detonation nanodiamonds

Рис. 5. Зависимость коэффициента трения от концентрации детонационных наноалмазов

Fig. 5. Dependence of the coefficient of friction on the concentration of detonation nanodiamonds

Модифицирование политетрафторэтилена детонационными наноалмазами оказывает положительное влияние на триботехнические и механические свойства ПКМ. Снижение коэффициента трения и интенсивности массового изнашивания при применении технологического режима ультразвукового прессования с одновременным наложением низкочастотной модуляции предположительно связано с более равномерным распределением наполнителя в матрице за счет теплового воздействия ультразвуковых колебаний и уплотнением частиц за счет вибрационного воздействия низкочастотной амплитудной модуляции.

Вывод

На основании проведенных исследований установлено, что модифицирование ПТФЭ детонационными наноалмазами при концентрации 0,5 масс.% является наиболее рациональным для повышения механических свойств и триботехнических характеристик ПКМ.

Определен рациональный технологический режим холодного прессования ПКМ на основе ПТФЭ с применением ультразвукового воздействия частотой 17 кГц и одновременно наложенной низкочастотной амплитудной модуляцией 100 Гц. Время прессования 60 с, усилие 80 МПа.

Применение режима прессования УЗ+100 позволяет повысить механические свойства ПКМ на основе ПТФЭ с наполнителем ДНА: предел прочности при растяжении на 18 %, относительное удлинение на 14 %, модуль упругости на 15 %, а также снизить интенсивность массового изнашивания на 22 % и коэффициент трения на 17 %.