АНТИФРИКЦИОННЫЙ ПОЛИМЕРНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2014 года по МПК C08L27/18 C08K3/04 C08K3/10 B82B3/00 

Изобретение относится к области материаловедения, в частности к антифрикционным полимерным композиционным материалам, предназначенным для изготовления деталей смазываемых и несмазываемых узлов трения машин и агрегатов.

Известны антифрикционные полимерные композиционные материалы на основе политетрафторэтилена, например, антифрикционный композиционный материал (А.С. №1812190 МПК C08J 5/16). Он содержит политетрафторэтилен (ПТФЭ), порошки дисульфида молибдена, оловянно-свинцовой бронзы и углеродный наполнитель в виде углеродного волокна с длиной волокон 0,05-0,5 мм. Углеродные волокна получают из выдержанного в течение 48 часов в жидком фреоне карбонизированного углеволокнистого материала, высушенного и измельченного в присутствии порошка ПТФЭ до волокон указанной длины.

Известным композиционным материалам присущи недостатки, ограничивающие область их применения и снижающие надежность и долговечность узлов трения машин. Основным недостатком является недостаточная износостойкость известных композиционных материалов. Кроме того, технология подготовки углеродного материала и порошка бронзы достаточно сложна и малопроизводительна (длительная обработка углеродного материала в жидком фреоне и последующая сушка, длительная обработка порошка бронзы в водородной среде для восстановления окисленных частиц бронзы), но необходима для усиления адгезионного взаимодействия компонентов материала с полимерной матрицей.

Известен также полимерный антифрикционный композиционный материал (Патент на изобретение №2307130 С1), который содержит компоненты в следующем соотношении, масс. %: политетрафторэтилен - 81,5-87,0; дисульфид молибдена - 1,5-2,0; скрытокристаллический графит - 6,0-10,0; углеродное волокно - 4,0-7,0 с длиной волокон 0,05-0,5 мм. Этот материал наиболее близок по своей физической сущности к предлагаемому композиционному материалу, однако этому известному материалу также присущи недостатки, снижающие технический уровень, надежность и долговечность узлов трения и в целом машин, где применяются детали узлов трения, изготовленные с использованием этого материала, поскольку его износостойкость остается недостаточной и не удовлетворяет современным требованиям к надежности и долговечности узлов трения и машин в целом. Кроме того, технология подготовки углеродного волокна и контроля длины волокон достаточно сложна и трудоемка.

Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости и снижение трудоемкости изготовления композиционного материала.

Указанный технический результат достигается тем, что в антифрикционном полимерном композиционном материале, включающем политетрафторэтилен, дисульфид молибдена и два углеродных наполнителя, один из которых представляет собой ультрадисперсный порошок скрытокристаллического графита с удельной поверхностью 50-75 м²/г, согласно заявленному изобретению вторым углеродным наполнителем служат углеродные нанотрубки, причем компоненты взяты в следующем соотношении масс: политетрафторэтилен 86-95%; дисульфид молибдена 1,0-2,3%; скрытокристаллический графит 1,5-6%; углеродные нанотрубки 1,0-3,8%. Данное техническое решение позволяет исключить длительную и трудоемкую операцию подготовки и измельчения углеродного волокна. Повышение износостойкости композиционного материала достигается благодаря чрезвычайно высокой структурно-энергетической активности нового наноразмерного компонента - углеродных нанотрубок (УНТ), выполняющего роль структурно-активного модификатора полимерной матрицы. Он оказывает существенное влияние на адгезионное взаимодействие компонентов, эффективность структурообразующих процессов и способствует формированию аморфно-кристаллической плотноупакованной структуры полимерного нанокомпозита с повышенными триботехническими свойствами.

Пример. Для изготовления композиционного материала берут политетрафторэтилен - фторопласт-4 марки ПН в количестве 90 мас.% от массы образца, дисульфид молибдена 1,5 мас.%, скрытокристаллический графит - 6 мас.% и углеродные нанотрубки - 2,5 мас.% и смешивают в смесителе с частотой вращения ротора не менее 7000 мин^-1 в течение 2,0-2,5 мин. Композиционную смесь равномерно засыпают в пресс-форму и прессуют при давлении 90-100 МПа. Отпрессованную заготовку спекают в печи при температуре 360±5°С с выдержкой при названной температуре из расчета 8-9 мин на 1 мм толщины стенки заготовки. Нагрев заготовок до температуры спекания производят со скоростью 1,5-2,0 град/мин, охлаждение от температуры спекания до 327°С - со скоростью 0,3-0,4 град/мин и от 327°С до 20-25°С охлаждают вместе с печью.

Оценку степени повышения триботехнических свойств предлагаемого композиционного материала и определение оптимального содержания компонентов производили путем изготовления образцов предлагаемого материала по технологии, описанной в примере, и последующего испытания. В таблице 1 приведены составы четырех композиций и показатели триботехнических свойств (скорость изнашивания, коэффициент трения) материалов.

Таблица 1 Состав композиционных материалов Свойства материалов Композиция Содержание, масс.% Скорость изнашивания, г/ч·10^-4 Коэффициент трения ПТФЭ СКГ MoS₂ УНТ 1 90,0 6 1,5 2,5 10,2 0,09 2 94,2 1,5 1,2 3,1 11,4 0,08 3 91,7 4,5 1,9 1,9 8,2 0,07 4 91 3 2,3 3,7 13,4 0,08

Приведенные в таблице результаты показывают, что заявленный полимерный композиционный материал имеет среднее значение скорости изнашивания 10,8·10^-4 г/ч и коэффициент трения 0,08. В то же время прототип имеет средние показатели триботехнических свойств - 20,2·10^-4 г/ч и 0,078 (см. Патент на изобретение №2307130). Таким образом, заявленный антифрикционный полимерный композиционный материал имеет меньшую в 1,9 раза среднюю скорость изнашивания при почти одинаковом с прототипом коэффициенте трения.

Следовательно, применение заявленного материала, обладающего более высокой износостойкостью, обеспечит повышение надежности и долговечности соответствующих узлов трения машин в 1,9 раза без увеличения потерь мощности на трение при прочих равных условиях.

Изобретение может быть использовано в материаловедении для изготовления деталей смазываемых и несмазываемых узлов трения машин и агрегатов. Антифрикционный полимерный композиционный материал включает политетрафторэтилен, дисульфид молибдена, ультрадисперсный порошок скрытокристаллического графита с удельной поверхностью 50-75 м²/г и углеродные нанотрубки. Изобретение позволяет повысить износостойкость композиционного материала, снизить трудоемкость его изготовления, а также повысить надежность и долговечность соответствующих узлов трения машин в 1,9 раза без увеличения потерь мощности. 1 табл., 1 пр.

Антифрикционный полимерный композиционный материал, состоящий из политетрафторэтилена, дисульфида молибдена и двух углеродных наполнителей, один из которых представляет собой ультрадисперсный порошок скрытокристаллического графита с удельной поверхностью 50-75 м²/г, отличающийся тем, что второй углеродный наполнитель представляет собой углеродные нанотрубки, при этом компоненты взяты в следующем соотношении, масс.%:
политетрафторэтилен 86-95% дисульфид молибдена 1,0-2,3% скрытокристаллический графит 1,5-6,0% углеродные нанотрубки 1,0-3,8%