Требования к эксплуатационным свойствам материалов и деталей из композиционных полимеров Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

При решении задач повышения работоспособности и огнестойкости специальных элементов (компонентов) оборудования и машин, необходимо учитывать следующие положения. Для увеличения прочности изделий из полимерных материалов необходимо, чтобы реализовывались, по крайней мере, два типа связей: 1) прочных, обеспечивающих противодействие разделения тела детали на части; 2) неустойчивых (лабильных), разрывов, перегруппировка которых соответствует рассеиванию энергий, освобождающейся в результате осуществления разрушения (разрыва) материала (пленки, волокна).

Список литературы

1. Лагунов В.С. Системные исследования структурированных полимеров. Монография. [Текст]. В.С. Лагунов, В.Н. Старов, Е.А. Бойков. - Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2005. - 151 с.

2. Бартенев Г.М. Физика полимеров. [Текст]. Г.М. Бартенев, Френкель С.Я. -Л.: Химия, 1990. - 432 с.

3. Бикерман Л.О Высокомолекулярные соединения. [Текст]. Л.О. Бикерман. - М.: Наука, 1983. - 144 с.

ТРЕБОВАНИЯ К ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМ СВОЙСТВАМ МАТЕРИАЛОВ И ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ

ПОЛИМЕРОВ

Старов В.Н., профессор, д.т.н., профессор, Хаустов С.Н., начальник

кафедры, к.т.н.,

ФГБОУ ВПО Воронежский институт ГПС МЧС России Внуков А.Н. к.т.н., ВУНЦ ВВС «ВВА» МО России Федянин В.И. заведующий кафедрой, д.т.н., ФГБОУ ВПО Воронежский институт ГПС МЧС России

Рассмотрены основные требования к эксплуатационным свойствам материалов и деталей из композиционных полимеров в зависимости от вида и структуры композиционных фторопластов.

Многие отечественные предприятия требуют технического переоснащения производства. При этом возросла потребность в не только в новом оборудовании, комплектующих агрегатах и высоко ресурсных механизмах, имеющих не только высокую производительность, но и в новых материалах, имеющих хорошие показатель пожаро- и взрывоопасности.

При этом важным направлением является повышение надежности, долговечности и безопасности изделий, в том числе, за счет использования качественных деталей, обладающих набором высоко ресурсных свойств, например, материалов с малым коэффициентом трения, повышенной износостойкостью, высокими прочностными характеристиками и малыми негативными воздействиями на окружающую природную среду и т. д.

Особое и перспективное место среди новых материалов с малым трением и высокой огнестойкостью занимают композиционные огнестойкие полимерные материалы с (КОПМ), сокращенно - КМ. Их применяют в разных машинах, в том числе, в узлах уплотнительной техники, гидро- и пневмосистемах оборудования; в качестве покрытий направляющих узлов станков и роботов; подшипниках скольжения; в колодочных тормозах подъемно-транспортных устройств и в другом оборудовании и узлах, где КОПМ незаменимы.

Одной из задач любых исследований, в том числе наших, является определение рациональных технических возможностей, проявляющихся в условиях реальной эксплуатации разнообразных деталей из КМ. Это позволяет не только определить и уточнить области применения полимерных композиций, но и дает возможность прогнозировать, проектировать компоненты оборудования с высокой надежностью и высокими эксплуатационными свойствами, включая высокую огнестойкость.

Проведем анализ имеющихся данных основных физико-механических характеристик композиционных материалов и изделий из них. Это необходимо, чтобы уточнить требования к условиям изготовления изделий и рациональной эксплуатации Различных технических систем.

Рассмотрим результаты (табл. 1), полученные авторами различных работ [1, 2] при исследовании прочности на растяжение исходных материалов и композиций. Сравнивая показатели, видим, что не только слой полимеров разной толщины (это моноблоки и пленки), но также различие каркаса и наполнителя (фторопластовая или иная ткань) оказывают влияние на прочностную характеристику композиционного материала.

Анализ показывает, что изменения технологических параметров получения композиций существенно сказывается на прочностных показателях изделий. Так, увеличение температуры сварки пленки и основы с 350 до 370°С способствует изменению прочности при растяжении пленки на 14-19% для «Нафтлена» и на 50-52% для «Даклена». Существует диапазон рациональных температур сварки (близких для обоих материалов) к 350 °С. Показатель прочности при растяжении образцов, полученных при рациональной температуре 350 °С, на 25% (для «Нафтлена») и на 56% (для «Даклена») выше, чем прочность образцов, полученных при температуре 370 °С. Вероятно, что при этой температуре происходит полное спекание волокон и пленки фторопласта-4 в монолитный блок.

Отметим два важных момента, отмеченных в указанной работе. Первый это то, что наличие монолитного слоя фторопласта-4 на лицевой поверхности тканого материала оказывает положительное влияние на увеличение прочности образцов при сжатии. При силовом воздействии из вне на деталь на основе сложного КОПМ имеем равномерное нагружение волокон, что способствует равномерному распределению нагрузки между ними.

Второе, установлено, что фторопластовая пленка в КОПМ играет роль своеобразного связующего, фактора, стабилизирующего прочностные характеристики материала при его нагружении по основе и утку, т.к.

Температура Прочность ар, МПа, КОПМ при разной толщине пленки

исходного Толщина пленки ^ мкм

материала, (°С) 20 80 140 200

по основе по по основе по по основе по по основе по

утку утку утку утку

Ткань «Нафтлен» и приваренная пленка Ф-4

330 53,5 51,4 53,8 52,9

33,5 35,3 34,5 35,1

350 56,2 56,3 55,9 55,7

35,2 36,2 35,7 35,0

370 45,3 44,9 45,1 45,2

21,1 21,3 20,8 20,8

Ткань «Даклен» и приваренная пленка Ф-4

330 63,5 63,8 62,9 62,5

55,7 54,8 54,0 54,1

350 64,0 65,0 63,9 64,3

54,1 55,8 56,0 55,2

370 42,1 40,8 41,0 41,5

19,5 20,8 21,1 22,1

Таблица 1. Величины прочности при растяжении КОПМ

уменьшается степень анизотропии механической прочности материала. Исследуем влияние процесса сжатия, проявляющегося в различных условиях эксплуатации на свойства полимерных материалов. Это важно с тех позиций, что при работе на высоких пожароопасных скоростях, например, в подшипниковых узлах скольжения рабочие поверхности воспринимают немалые контактные нагрузки сжатия, а это сказывается на условиях работоспособности изделия.

Известно [2] что тканевый материал «Нафтлен» имеет прочность при сжатии 430 МПа. До этой нагрузки исходная структура не меняется. При дальнейшем увеличении нагрузки происходит нарушение ткани и разрушение на исходные составляющие волокон. Структура материала «Даклена» обладает более высокими прочностными характеристиками при сжатии, выдерживая нагрузку до 520 МПа.

Наличие дефектов волокон и материала значительно снижают прочностные характеристики детали, причем эти величины могут составлять 45-50% от теоретически расчетной прочности. Следовательно, в перечень требований к дефектам из КОПМ должно входить условие -отсутствие дефектов на исходных материалах и тканевой основе.

В качестве критериев оценки композиционных полимеров целесообразно выбирать следующие показатели: сохранения структуры материала (особенно его тканевой основы); сохранение монолитного фторопластового слоя на лицевой стороне; отсутствие расслаивания на составляющие волокна основы конструкции, а также основные показатели

пожаро- и взрывоопасности (температуры вспышки, самовоспламенения и воспламенения веществ).

Измерение линейных размеров образцов [2], подвергаемых циклическому нагреву и охлаждению, показывает наличие усадки или увеличение линейных размеров, деталей (зависимости, рис. 1). Это очень важные условия необходимо включить в перечень требований, учитываемых при процессе изготовления различных узлов и деталей из КОПМ.

Из графиков видно, что максимальная усадка в результате нагрева происходит по основе материала. При этом наблюдаются изменения толщины всего тканевого материала, а итогом является значительная (от 15 до 30%) усадка по всему объему материала. Объяснение влияния циклического воздействия на материал таково: внутренние дефекты, полученные в процессе производства волокон «залечиваются» нагревом в свободном состоянии до температуры сварки, что соответствует минимальной поверхностной энергии, нередко называемой наличием «термической памяти» материала.

Предварительная термообработка тканей «Нафтлен» и «Даклен», так же как и волокон фторопласта-4, приводит к увеличению механических характеристик деталей за счет стабилизации текстуры тканей и исключения внутренних дефектов в волокнах. После термообработки прочность при растяжении тканевых материалов увеличивается на 10-15 %, а на сжатие -до 20 %.

-15

-45

2

Т, 0С

-6

15

-24

300 350 а)

Т, 0С

300 350

б)

4 0

2

2

Т,

300 3 50 0

в)

Рис. 1. Изменение линейных размеров образцов полимеров, подвергшихся циклическому нагреву и охлаждению: а)- усадка «Нафтлена»

1

(1) и «Даклена» (2) по основе; б)- усадка (1) и (2) по утку; в)- увеличение толщины материала для «Нафтлена» (1), «Даклена» (2) Известно, что температуры вспышки, самовоспламенения и воспламенения горючих веществ определяются экспериментально или расчетом (ГОСТ 12.1.044-89); нижний и верхний концентрационный предел

- экспериментально или руководствуясь «Расчетом основных показателей пожаро- и взрывоопасность веществ и материалов». При этом пожаро- и взрывоопасность определяется параметрами пожароопасности и количеством используемых в технологических процессах материалов, конструктивными особенностями и режимами работы машин и оборудования, наличием источников зажигания и условий для быстрого распространения огня. Исходят из того, что пожароопасность веществ характеризуется линейной (см/с) или массовой (г/с) скоростями горения, а также предельным содержанием кислорода.

При горении твердых веществ (в том числе КМ) скорость поступления летучих компонентов непосредственно связана с интенсивностью теплообмена в зоне контакта пламени и твердой поверхности. Массовая скорость выгорания (г/м2-с) зависит от теплового потока с поверхности, физико-химических свойств твердого горючего и выражается формулой: V = (Q1 - Q2)/ q, где V - массовая скорость выгорания материала, г/м2-с; Q1, -тепловой поток от зоны горения к твердому горючему, кВт/м2; Q2 -теплопотери твердого горючего в окружающую среду, кВт/м2; q -количество тепла для образования летучих веществ, кДж/г.

Таким образом, при создании (проектировании, изготовлении) КОПМ, из которого делают элементы машин и оборудования, необходимо учитывать ряд требований, относящихся к области технологической наследственности конструкции материала, имеющих хорошие показатель пожаро- и взрывоопасности и обладающие малыми негативными воздействиями на окружающую природную среду.

Список литературы

1. Козлов Г.В. Ангармонические эффекты и физико-механические свойства полимеров. [Текст]. Г.В. Козлов, Д.С. Солдатов. - Новосибирск: Наука, 1994.

- 257с.

2. Лагунов В.С. Системные исследования структурированных полимеров. Монография. [Текст]. В.С. Лагунов, В.Н. Старов, Е.А. Бойков. - Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2005. - 151 с.

3. Корбанова Н.И Токсикология фторорганических соединений и гигиена труда в их производстве. [Текст]. Н.И Корбанова, И.Д. Микулова, Е.И. Марченко. - М.: Медицина, 1995. - 183 с.

4. Лагунов В.С. Новые фторопласто-тканевые композиционные материалы // Технология и организация производства. Киев, 1991. № 1. С. 51- 53.