CC BY
29
диффузионным распадом приводит к некоторому снижению плотности дислокаций в а- фазе относительно контрольной обработки.
3. Из уравнения (8) также следует, что наклон прямых равен К-т[-а/1~с и пропорционален концентрации атомов примесей на дислокациях. Применительно к нашим результатам это означает увеличение числа примесных атомов на дислокациях в а- фазе после ВТМДО. Изменение концентрации примесных атомов на дислокационных линиях -фазы в результате деформации аустенита можно оценить из отношения тангенсов наклона прямых, представленных на рис. 4.
^ = (7)
'.?<*„ и„
где индексы к ^ а и д - аустенит деформирован (ВТМДО), и - аустенит недеформирован.
Следовательно, концентрация атомов на дислокациях в сг-фазе после ВТМДО возрастает примерно на 70%, что приводит к закреплению дислокационной структуры. Этим объясняется изменение свойств эвтектоидной стали, подвергнутой высокотемпературной термомеханической обработке с диффузионным превращением аустенита [7].
Полученные результаты подтверждают электронномик-роскопйческие исследования и рентгеноструктурный анализ а-фазы перлита.
Работа выполнена в институте физики полупроводников Сибирского отделения Академии наук.
Литература
1. QuimbyS.L. PhysRev., 1925,25,р.558.
2. Balemuth L. Phys Rev., 1934,45.p.715.
3. Бергман Л. Ультрозвук и его применение в науке и техниге. -М.: И.Л., 1957.
4. Кеди У. Пьезоэлектричество и его практическое применение.-М.: И.Л., 1949.
5. Мезон У. Методы и приборы ультрозвуковых исследований. Т.1,ч. А. -М.: Мир, 1966.
6. Granato А., Lücke К. J. Appl. Phus. 1956. 27, p. 583; 1956,27, p. 789.
7. Тушинская К.И., Тушинский Л.И., Куликов И.Л., Ста-феева А.Д., Тихомирова Л.Б. Упрочнение углеродистой стали микролегированием и термомеханической обработкой II Тр. Новосибирского инст. инж. жел.-дор. транспорта. -Выпуск 71. - Новосибирск, 1968. -113 с.
ю к. МАШКОВ ТЕПЛОфИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
С.В.ДАНИЛОВ В.А.ЕГОРОВА
ПКМ НА ОСНОВЕ птфэ
Омский государственный технический университет
УДК 678.073(004.12)
РАССМАТРИВАЮТСЯ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПТФЭ ПРИ СТРУКТУРНОЙ МОДИФИКАЦИИ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫМ СКРЫТОК-РИСТАЛЛИЧЕСКИМ ГРАФИТОМ (УГС), УГЛЕРОДНЫМ ВОЛОКНОМ (УВ) И КОМПЛЕКСНЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ (УГС +УВ).
Теплофизические свойства полимерных композиционных материалов (ПКМ), наряду с механическими свойствами определяют работоспособность изделий из полимерных материалов (ПМ) в реальных условиях эксплуатации Для антифрикционных ПКМ теплофизические свойства очень важны, так как во многом определяют термодинамическое и энергетическое состояние материалов деталей узлов трения машин - трибосистем.
Среди синтезированных полимеров уникальным сочетанием физико-механических и антифрикционных свойств обладает политетрафторэтилен (ПТФЭ). В то же время его низкие механические свойства, хладотекучесть, низкий коэффициент теплопроводности и невысокая износостойкость не позволяют применять его в чистом виде для деталей узлов трения и вызывают необходимость модифицирования его структуры и свойств путем разработки композиционных материалов внедрением различных наполнителей-модификаторов. Введение наполнителей приводит к изменению надмолекулярной структуры полимера и формированию межфазного слоя с модифицированной структурой и, соответственно, к отличиям в молекулярной подвижности макромолекул. Теплофизические свойства ПКМ в значительной мере обусловлены химическим строением
и физической структурой, зависят от физического состояния ПМ и связаны с молекулярной подвижностью цепей полимера.
В качестве объектов исследования были выбраны ПТФЭ (фторопласт-4 ГОСТ 10007-80), углеродное волокно (УВ) марки "Урал Т-10" с длиной волокон от 50 до 500 мкм и ультрадисперсный скрытокристаллический графит (УГС) с удельной поверхностью 55-70 м2/г, полученный из природной графитовой руды. Два последних использовались как наполнители-модификаторы при создании ПКМ на основе ПТФЭ. Образцы для теплофизических исследований изготавливали по технологии сухого смешивания в мельнице МРП-1 при частоте вращения ножей 7800 мин-' с последующей термообработкой при температуре 365 ±3°С и измельчением.
По указанной технологии были синтезированы двухком-понентные и трехкомпонентные системы:
• материал 1: УГС10(10 масс.% УГС + 90 масс.% ПТФЭ)
• материал 2: УВ10 (10 масс. %УВ + 90 масс.% ПТФЭ)
• материал 3: УГС 10УВ5 (10 масс.% УГС + 5 масс.%УВ + 85 масс.% ПТФЭ)
. материал 4: УГС20УВ10 (20 масс.% УГС+ 10 масс.% УВ + 70 масс.% ПТФЭ).
Для изучения температурной зависимости теплоемкости веществ в области 5-340 К, температур и энтальпий физических превращений использовалась адиабатическая теппофизическая автоматизированная установка последнего поколения (ТАУ-1), сконструированная и изготовленная во ВНИИФТРИ им. Д.И. Менделеева и прошедшая государственную аттестацию. Установка работает как полностью автоматизированный адиабатический вакуумный калориметр с дискретным нагревом. Установка состоит из мини-криосгата наружного типа, блока аналогового регулирования и компьютерно-измерительной системы (КИС), включающей "Аксамит - А" и ЭВМ, при помощи которой все измерения управляются автоматически. Внутри криостата с ампулой с веществом поддерживается высокий вакуум. КИС "Аксамит -А" представляет собой комплекс аппаратных и програмных средств, разработанных на базе персонального компьютера, аналого-цифрового (АЦП), цифро-аналогового (ЦАП) преобразователей и коммутаторов напряжений. КИС предназначена для управления процессом измерения аналоговых сигналов, поступающих с первичных преобразователей физических величин, а также математической обработки результатов измерений. С помощью КИС измеряются мощность нагревателя калориметра, время протекания тока через нагреватель и температура калориметра. Чувствительность АЦП -0,1 мкВ, погрешность измерения электрической энергаи, выделенной в нагревателе-0,03%, быстродействие -10 измерений в секунду. Программные средства, являющиеся частью КИС, обрабатывают информацию и представляют ее в виде, пригодном для дальнейшего использования в рабочих управляющих программах. Ввод информации осуществляется с клавиатуры дисплея или с накопителя на гибких магнитных дисках. Вывод информации осуществляется на дисплей, печатающее устройство или накопитель жесткого диска. Поддержание адиабатического режима осуществляется аналоговым регулятором температуры. Продолжительность нагрева калориметра в опытах от 2 до 5 минут, подъем температуры в опыте составлял 0,6 -1,0 К в интервалах температур от 5 до 50 К и 1,5 - 3,0 К при Т>50 К. Время установления теплового равновесия 6-15 минут, в области физических превращений 15-30 минут.
Удельную теплоемкость исследуемого вещества рассчитывали по уравнению:
и ;/
где количество введенной энергии, I) - падение
о
напряжения в нагревателе, I - сила тока, т - время пропускания тока через нагреватель, Т, и Т2 - температуры калориметра до и после его нагрева соответственно, Сы -теплоемкость пустого калориметра, т масса образца.
Для проведения теплофизических исследований в области 200-700 К использовали автоматизированный термоаналитический комплекс-динамический калориметр, рабо-
тающий по принципу тройного теплового моста. Калориметр представляет собой совокупность четырех взаимодействующих систем: измерительного блока, устройства для откачки и заполнения вакуумной камеры аргоном, автоматизированной системы управления, регистрации и обработки экспериментальных данных, базирующейся на ЭВМ, аналогово преобразователя на основе цифрового вольтметра марки "В2-36", программного обеспечения. Программное обеспечение позволяет представить температурную зависимость теплоемкости в виде полинома, рассчитать статистическую ошибку измерений, провести расчет теп-лот превращения, построить график. Пользователь взаимодействует с программой в диалоговом режиме.
Использованные аппаратура и методика измерений позволяют получать теплоемкости твердых веществ с погрешностью около 2,5 % в интервале 200 - 670 К, измерять температуры физических переходов с точностью до 0,1 К, получать энтальпии фазовых переходов с точностью до 0,8 %. В процессе работы проверка надежности калориметра проводится не реже двух-трех раз в год путем измерения теплоемкости эталонных веществ.
По результатам измерений получены температурные зависимости теплоемкости для ПТФЭ, УВ, УГС и материалов 1-4 в интервале температур 6-700 К (для некоторых исследованных материалов они приведены на рисунках 1 и 2).
В интервале 280-310 К на зависимостях Ср от Т проявился фазовый переход кИ -> к1 (кП -триклинная кристаллическая решетка, к1 -гексагональная). Особенностью указанного превращения является двойной пик кажущейся теплоемкости в интервале перехода. Термодинамические характеристики перехода кИ -» к1 представлены в таблице 1.
Температурные зависимости теплоемкости для некоторых исследованных материалов приведены на рисунках 1 и 2.
Поданным работы [1], энтальпия превращения кН ->к1 ПТФЭ 100% -ной кристалличности 8,499 Дж/г. Исходя из этого, поданным наших измерений, изученный ПТФЭ (образец 1) имеет степень кристалличности а = 63%. Это означает, что образец 1 содержит 63% кристаллической и 37%
аморфной фазы. Хотя температура стеклования ПТФЭ т° = 123,2 К [2], расстеклование в изученных образцах не наблюдалось из-за высокой кристалличности ПТФЭ, входящего в состав образцов. Проявляется эффект армирования стекла кристаллами [3].
Для образцов наполненных материалов, как и в случае ПТФЭ, сохраняются явно выраженные пики на кривых Ср, соответствующие структурно-фазовым переходам. При этом интенсивность и ширина пиков, температуры переходов для исследуемых образцов изменяются незначительно. Это указывает на недостаточное взаимодействие наполнителей с матрицей ПТФЭ. Установлено, что для всех изученных ПКМ рассчитанные по закону аддитивности значения теплоемкости в пределах погрешности измерений совпадают с экспериментальными данными. Это указывает
Таблица 1
Термодинамические характеристики фазового перехода в ПТФЭ в образцах 1-5.
№ образца Состав композиций Температуры, характеризующие превращение КИ -> К|
ПТФЭ СНГ УВ Тн - Тк,К Т,,К Т2.К
1 100% - - 260-308 293.3 302.4
2 90% 10% - 280-310 293.1 302.9
3 90% - 10% 260-309 293.0 302.0
4 85% 10% 5% 280-308 293.0 301.8
5 70% 20% 10% 280-306 294.8 303.4
Т„ - Т-интервал перехода, Т, и Т, - температуры, соответствующие максимальным значениям кажущихся теплоемкостей в интервале перехода.
Рис.1. Зависимость удельной теплоемкости от температуры: 1-ПТФЭ; 2-УГС; 3 - УВ.
Рис.2. Температурные зависимости удельной теплоемкости: 1-ПТФЭ, 4- материал 4.
на отсутствие изменения молекулярной подвижности в матрице ПКМ и отсутствие межфаэного слоя на границе полимер-наполнитель. Следовательно, изученные материалы существуют как механические смеси.
Отсутствие взаимодействия наполнителей с матрицей ПТФЭ, установленное при исследованиитермообрабо-танных (спеченных) композиций ПТФЭ + УВ обусловлено, по-видимому, технологией изготовления ПКМ [4]. В условиях прессования и спекания, вероятно, происходит сближение и активация частиц, достаточные для взаимодействия матрицы с наполнителями и формирования межфазного слоя.
Поэтому представляет интерес исследование влияния параметров технологического процесса на теплофизи-ческие свойства ПКМ, условия изменения молекулярной подвижности матрицы и возникновения межфазного слоя на границе полимер - ультрадисперсный наполнитель.
Литература
1. S. Failau, Н. Suzuki, В. Wunderlich//J. Polym. Sei: Polym. Phys. Ed. 1984, V.22, P.379.
2. Энциклопедия попимеров в 3* томах, М. - т. 1,1972-1224с.,- с.619.
3. I.B. Rabinovich , A.N. Machalov, L.Ya. Tsvetkova, T.V. Khlyustova, Ye.M. Moseyeva, V.A. Maslova II Acta Polymerica, 1983, V. 34, P.484.
4 O.B. Кропотин, Вал.И. Суриков, Вад.И. Суриков, Ю.К. Машков Особенности влияния армирующего углеродного волокна "Урал Т-10" на структуру и некоторые физико-математические свойства ПТФЭ / Трение и износ.-1998,-Т. 19.-№4. -с.492-497.
МАШКОВ Юрий Константинович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой "Материаловедение и технология конструкционных материалов". ДАНИЛОВ Сергей Валентинович, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики. ЕГОРОВА Виктория Алексеевна, аспирант кафедры "Материаловедение и технология конструкционных материалов".
