CC BY
20УДК 621.7; 621.89
ПОВЫШЕНИЕ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ЭПОКСИДНОЙ СМОЛЫ
В.Р. Паклев1, И.К. Рыльцев1, Ф.И. Демин1, И.Д. Ибатуллин1
1 Самарский государственный технический университет 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 144 E-mail: [email protected]
2 Самарский государственный аэрокосмический университет 443080, г. Самара, Московское шоссе, 36
Представлены результаты исследования электроизоляционных и триботехнических свойств композитов на основе эпоксидной смолы. Исследовано влияние наполнителей -микро- и нанопорошков различных материалов на свойства композитов. Показано применение композитов при изготовлении разделителей телеметрических систем.
Ключевые слова: эпоксидная смола, композиты, износостойкость, телеметрические системы, электрическая прочность.
Одним из основных показателей работоспособности забойных телеметрических систем является сопротивление не менее 1 МОм между диэлектрически разомкнутыми частями электрического разделителя. По достижении минимального предела сопротивления разделитель направляется в ремонт. Технологический процесс ремонта разделителей сравним по трудоемкости с изготовлением нового изделия, поэтому рациональным подходом было совершенствование технологии и материалов, используемых для изготовления разделителей, что в совокупности позволит увеличить эксплуатационное время телеметрических систем, уменьшить трудозатраты на их изготовление и ремонт.
Наиболее проблемными частями в конструкции диэлектрического разделителя являются ниппель, покрытый стеклопластиком, на котором формируется коническая резьба для соединения муфтой (рис. 1), а также внутренняя полость разделителя, в которую для защиты от бурового раствора вставляют стеклотекстолитовые втулки. Таким образом, для повышения эксплуатационных свойств разделителей поставлены задачи повышения износостойкости и несущей способности резьбы на ниппельной части, а также повышения электрической прочности и абразивной стойкости стекло-пластиковых защитных экранов, вставляемых внутрь разделителя.
Для повышения прочности поверхности резьбы предложено наносить на обработанную стеклопластиком ниппельную часть металлическое железоникелевое покрытие детонационным способом, в результате которого на поверхности резьбы формируется износостойкий слой толщиной до 150 мкм. Покрытие наносится с помощью автоматизированной детонационной установки «Дракон», в которой за счет энергии взрыва детонирующей ацетилен-кислородной смеси осуществляется разогрев (до температуры плавления) и разгон частиц порошкового материала, представ-
Владимир Рашитович Паклев, аспирант.
Игорь Константинович Рыльцев (д.т.н., проф.), профессор каф. технологии машиностроения.
Феликс Ильич Дёмин (д.т.н., проф.), профессор каф. двигателей летательных аппаратов.
Ильдар Дугласович Ибатуллин (д.т.н.), доцент каф. нанотехнологий в машиностроении.
ляющего собой смесь порошков легированных сталей ПР-Х11Г4СР и ПР-Н9Г4СР в равных долях.
Дисперсность напыляемых частиц сферической формы составляет 50 мкм. Скорость частиц на срезе ствола пушки доходит до 1000 м/с, при подлете к обрабатываемой поверхности, удаленной от пушки на 150...250 мм, скорость частиц снижается до 600.800 м/с. Данные частицы образуют основной фронт «быстрых» частиц, за которым следует хвостовая часть потока «медленных» частиц. Поскольку ударная волна от взрыва газовой смеси на удалении свыше 100 мм от среза ствола пушки практически исчезает, при напылении металлических покрытий структура стеклоткани не нарушается, композит сохраняет прочностные характеристики.
Рис. 1. Усовершенствованная конструкция разделителя: а - общий вид; б - фрагмент резьбовой части ниппеля
Установлено, что при детонационном напылении указанной смеси порошков на эпоксидные полимеры без наполнителей (смола ЭД20 с отвердителем ПЭПА) формируются два процесса. Первый процесс связан с диспергированием и имплантацией в полимер «быстрых» частиц. Электронно-микроскопические исследования показали (на разломах и шлифах полученных композитов), что фрагменты напыляемого порошка субмикроскопических размеров (0,2.0,8 мкм) проникают на глубину до нескольких сотен микрометров. Диспергирование частиц порошка можно объяснить «разбиванием» размягченных металлических частиц с температурой, близкой к температуре плавления, об относительно твердую поверхность полимера. Второй процесс связан с эрозией поверхности полимера при его взаимодействии с потоком «медленных» частиц, твердость которых значительно превышает твердость полимера. В случае использования в эпоксидном полимере в качестве наполнителя стеклоткани последняя играет роль барьера для проникающих в полимер имплантирован-
ных частиц, а также для эрозионного процесса. Поэтому на поверхности стеклоткани начинает формироваться металлический слой. Микротвердость покрытия составляет 660 кгс/мм2. Микрорентгенофазовые исследования показали, что фрагменты металлических частиц проникают на глубину до 60 мкм. Триботехнические испытания композитов на усталостное изнашивание при трении скольжения (при нормальном давлении 0,5 МПа и смазке «Циатим-209») показали, что после нанесения стального покрытия коэффициент трения снижается с 0,15 до 0,052, а износостойкость поверхности повышается более чем в 30 раз.
Для повышения защитных свойств полимерных втулок, вставляемых в разделители, выбран метод армирования. В последние годы основное внимание в области армирования стеклопластиков направлено на создание композитов с использованием различных нанопорошков и нановолокон. Применение таких наполнителей для создания композитов на основе эпоксидной смолы дает ряд преимуществ: нанокомпо-зиты имеют более однородную структуру; нанопорошки проявляют «нехарактерные» свойства для составляющих их материалов. Твердые частицы утрачивают абразивное действие, а мягкие частицы не являются концентраторами напряжений в материале, повышающими его хрупкость; наночастицы обладают высокой поверхностной энергией, обусловливающей их физико-химическую активность.
Для защиты таких участков от действия потока бурового раствора целесообразно использовать многослойные композиты, в которых на армирующую стеклоленту наносится компаунд на основе эпоксидной смолы двух составов: на наружный слой - абразивостойкий, а на внутренний - электроизоляционный. Это обеспечит выполнение высоких требований к абразивостойкости и диэлектрическим свойствам защитных композитов.
Повышение электроизоляционных свойств эпоксидных смол, как правило, обеспечивается введением в них порошков оксида алюминия или слюды, обладающих высокими диэлектрическими константами. К абразивному изнашиванию, как известно, высокой стойкостью обладают высокотвердые материалы (твердые сплавы) или эластичные полимеры (резины). В связи с вышесказанным проведены исследования износостойкости композитов на основе эпоксидной смолы ЭД20 (отвердитель ПЭПА) с различными порошковыми наполнителями (слюдой, дисульфидом вольфрама, корундом, ультрадисперсными алмазами, твердым сплавом и др.) при трении о незакрепленный абразив. Технология приготовления композитов включала: прокаливание порошков и подогрев смолы; смешивание порошка с эпоксидной смолой; добавку отвердителя; смешивание композита и заливку в форму; старение готового композита в печи при температуре 120 °С в течение 2.3 час.
Методика триботехнических испытаний композитов на стойкость к абразивному изнашиванию производилась при следующих режимах: схема испытаний - «кольцо - плоскость»; среда - алмазная абразивная паста марки АСМ 3/2 НОМГ (ГОСТ 25593-83); давление - 5 МПа; контробразец - сталь 40Х (HRC 45); частота вращения - от 600 мин-1; приведенный диаметр поверхности трения - 5,5 мм; ширина дорожки трения - 1 мм; длительность испытаний - 10 мин. После испытаний производили оценку линейного износа с точностью до 1 мкм и рассчитывали скорость абразивного изнашивания в размерности [мкм/час]. Испытания проводили на машине трения «Универсал-1А».
Эксперименты показали (см. таблицу), что наибольшую стойкость к абразивному воздействию проявили эпоксидные смолы с наполнителями из резины, фторопласта Ф-4 и нанопорошка оксида алюминия (Al2O3). Порошки резины и фторопласта
имели крупные частицы (сотни микрометров), и антиабразивный эффект композита стал следствием высокой стойкости к истиранию фторопласта и резин.
Наихудшую абразивную стойкость показали композиты с наполнителем из микропорошка твердого сплава ВК-12 вследствие высокого абразивного действия частиц порошка, отделяемого от поверхности при изнашивании композита. Нанопоро-шок оксида алюминия, который благодаря малым размерам (менее 100 нм) не обладает абразивным действием, формирует плотную структуру (рис. 2, а) на микро- и наноуровнях.
Абразивная стойкость композитов
Порошковый наполнитель Содержание в композите, % Абразивный износ, мкм
Слюда 30 19
50 15
Корунд 30 11
50 10
Резина 50 9
Дисульфид вольфрама 50 12
Карбид вольфрама 50 44
Фторопласт 50 13
Никель-корунд 30 17
50 15
Ультрадисперсные алмазы 20 18
Без наполнителя - 17
в г
Рис. 2. Структура композитов: а - с нанопорошком оксида алюминия; б - с УДА; в - с дисульфидом вольфрама; г - со слюдой
На основе проведенных экспериментов разработана новая технология намотки защитных композиционных материалов на элементы телеметрических систем. При этом на наружный слой армирующей ленты из стеклоткани наносят абразивостой-кий композит с оксида алюминия или фторопласта. На внутренний слой наносят 92
композит с повышенными электроизоляционными свойствами (с порошком слюды). Такой трехслойный композит позволит обеспечить требуемые электроизоляционные характеристики в условиях сильного абразивного воздействия.
Наиболее однородная структура с большим количеством наночастиц наблюдалась у композитов, содержащих слоистые порошки дисульфида вольфрама и слюды (рис. 2, в, г). Композиты, содержащие слюду и дисульфид вольфрама, могут использоваться в качестве самосмазывающихся материалов вследствие легкого расслаивания частиц наполнителей в области фактических пятен касания.
Одной из областей применения данных композитов является повышение стойкости узлов трения к схватыванию и образованию задиров. Для повышения масло-емкости на поверхностях трения изготавливают масляные канавки.
Эксперименты на изнашивание при схватывании, проведенные в лаборатории наноструктурированных покрытий СамГТУ, показали, что наличие канавок способствует снижению сил трения (до 2 раз) и уменьшению разогрева поверхностей трения. Однако наличие канавок не только не повышало стойкость поверхностей к задирам, но и во многих случаях гладкие поверхности показывали более высокую устойчивость к задирам. Поэтому для повышения стойкости пар трения к образованию задиров разработана новая ресурсоповышающая технология, суть которой состоит в том, чтобы после вырезания на поверхности трения масляных канавок заполнить эти канавки компаундом на основе эпоксидной смолы, содержащим порошковый наполнитель из твердосмазочных материалов.
Проведенные эксперименты показали, что применение данной технологии позволяет снизить до 4 раз момент трения по сравнению с трением двух гладких поверхностей, а также заметно (до 50 %) повысить стойкость пар трения к образованию задиров.
Статья поступила в редакцию 15 февраля 2012 г.
INCREASING THE DIELECTRIC AND TRIBOTECHNICAL PROPERTIES OF COMPOSITES ON THE BASIS OF EPOXY RESINS
V.R. Paklev1,1.K. Ryltsev1, F.I. Dyomin 2, ID. Ibatullin.1
Samara State Technical University
244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100
Samara State Aerospace University 36, Moskovskoe shosse, Samara, 443080
This paper presents the results of examination of electroinsulating and tribotechnical properties of composites on the basis of epoxy resins. The influence offillers ( micro- and nanopow-ders of various materials) on the properties of composites has been studied. The use of composites in telemetering system splitters production has been shown.
Keywords: composites, epoxy resins, wear resistance, telemetering systems, the electric durability, cutting plates, a turning cutter.
Vladimir Rashitovich Paklev, Post-graduate student.
Igor Konstantinovich Ryltsev (Dr. Sci. (Techn.)), Professor.
Felix Ilich Dyomin (Dr. Sci. (Techn.)), Professor.
Ildar Duglasovich Ibatullin (Dr. Sci. (Techn.)), Senior lecturer.
