19.04.2019
219.017.32dc

ПОЛИМЕРНЫЙ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к полимерным нанокомпозиционным антифрикционным материалам, которые могут быть использованы в системах, работающих при высоких деформирующих нагрузках и в узлах трения. Материал получен совместной механоактивацией смеси порошкообразного сверхвысокомолекулярного полиэтилена и предварительно механоактивированной порошкообразной ультрадисперсной бронзы. Размер частиц смеси 10-10 м. Полученный материал характеризуется высокими прочностными показателями и износостойкостью, упругостью, низкой хрупкостью, высокой величиной разрушающего напряжения при изгибе, низкой температурой текучести, оптимальной для прессования, и невысокой насыпной плотностью. 1 табл., 6 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Предлагаемое изобретение относится к области технологии получения нанокомпозиционных материалов и может быть использовано для получения материалов, изделий, используемых в системах, работающих при высоких деформирующих нагрузках и в узлах трения.

Известен полимерный композиционный антифрикционный материал на основе полимерного связующего, порошкообразного наполнителя (RU 2172751, 27.08.2001 г.).

Недостатком данной композиции является недостаточно высокие физико-механические показатели, такие как упругость, механическая прочность, трибологические показатели.

Наиболее близким аналогом предлагаемой композиции является антифрикционный полимерный нанокомпозиционной материал, содержащий порошкообразный сверхвысокомолекулярный полиэтилен, порошкообразный наполнитель, в состав которого входит в количестве от 10 до 20 мас.% - бронза, и добавки, такие как 2-6 мас.% порошка графита, 2-6 мас.% углеродного волокна, 1-5 мас.% силикагеля (см. CN 101104789 А, 16.01.2008, реферат DWPI).

Известный полимерный материал обладает хорошими трибологическими показателями. В то же время введение нанонаполнителя в полимерную матрицу традиционным смешением не позволяет существенно улучшить трибологические показатели, такие как упругость и эластичность.

Задача изобретения - обеспечение комплекса трибологических показателей, высокая механическая прочность готового полимерного нанокомпозиционного антифрикционного материала, его повышенная упругость, эластичность и низкая хрупкость, снижение температуры текучести, необходимого при прессовании давления и насыпной плотности.

Технический результат достигается тем, что полимерный нанокомпозиционный антифрикционный материал выполнен из смеси, содержащей полимерное связующее и порошкообразный наполнитель. В качестве полимерного связующего смесь содержит порошкообразный сверхвысокомолекулярный полиэтилен, в качестве порошкообразного наполнителя - предварительно механоактивированную измельченную порошкообразную бронзу, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

порошкообразная бронза - 10-97,

сверхвысокомолекулярный полиэтилен - остальное.

При этом смесь порошкообразного сверхвысокомолекулярного полиэтилена и порошкообразной ультрадисперсной бронзы совместно механоактивирована до размеров частиц 10-7-10-9 м.

Предлагаемый полимерный нанокомпозиционный фрикционный материал получают следующим образом.

Первоначально порошкообразные материалы подвергают интенсивной пластической деформации или механоактивации. В результате размола порошковых материалов методом механоактивации в шаровых мельницах в режиме высокоскоростного вращения получают дисперсные частицы. Пористость малых частиц внутри твердой матрицы достаточно высока. Экспериментально было выявлено влияние деформации на структурно-фазовые превращения в матрице, обобщение полученных данных привело к возможности теоретически вывести физическую модель, основанную на предположении, что при механоактивации измельчается кристаллическое зерно порошкообразных материалов. При достижении размера зерна некоторого критического значения (нескольких нанометров) измельчение прекращается, но остается зернограничное вращение, при этом часть кристаллических зерен оказывается переведенной в некоторое новое состояние (наночастицы). При вращении зерен в металлической матрице образуется свободный объем. Этот свободный объем эквивалентен действию на металлическую матрицу напряжений всестороннего растяжения.

Существование свободного объема, с одной стороны, обособляет малую частицу - зерно. Обособленное зерно начинает формировать собственную структуру.

Если зерно имеет наноразмеры, то внутри такой частицы металлическая связь меняется на ковалентную. Валентные связи, как известно, обладают свойством насыщаемости. В результате, часть межатомных связей перестает действовать, часть атомов покидает зерно, меняется атомное строение, возникает новая структура.

С другой стороны, наличие свободного объема в металлической матрице создает упругие растягивающие напряжения. Эти напряжения изменяют значения локальных химических потенциалов отдельных компонентов сплава, что приводит к появлению нескомпенсированных потоков атомов. В результате, изменяются условия стабильности отдельных фаз. В предлагаемом материале порошкообразные материалы измельчают до оптимальной дисперсности, при этом смесь порошкообразного сверхвысокомолекулярного полиэтилена и порошкообразной ультрадисперсной бронзы имеет размеры частиц 10-7-10-9 м.

Элементы узлов трения, где используются композиционные материалы, не испытывают ударных нагрузок, и композиционные материалы для них могут быть модифицированы сферическими частицами - упрочнителями без использования дорогостоящих волокнистых материалов - стекловолокна и, особенно, углеродного волокна. Это позволяет наиболее эффективно применять механохимические методы модификации и синтеза исходных материалов для полимерного композита (ПМК). К полимерной матрице предъявляются такие требования, как высокая (или достаточная) механическая прочность, стойкость к воздействию агрессивных сред, удовлетворительные трибологические характеристики, прежде всего антифрикционные свойства, достаточная термостойкость и противоизносная стойкость.

Наноструктурный наполнитель должен характеризоваться более высокой твердостью и прочностью, чем у материала матрицы, высокими или удовлетворительными антифрикционными свойствами, высокой теплопроводностью, удовлетворительной адгезией к материалу матрицы или реакционной связью с ней.

Экспериментально были исследованы составы ПМК на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) с наполнителем, в качестве которого использовался ультрадисперсный порошок бронзового сплава (БПК), подвергнутый предварительной механоактивационной обработке. Режимы этой обработки выбраны исходя из требуемых размеров и сфероидизации частиц наполнителя. После чего следовал механохимический синтез порошковых композиционных смесей, в процессе которого в аппарате механохимического синтеза в ходе низкотемпературного процесса обрабатываются порошки наполнителя и полимерной матрицы. Для приготовления порошковых композиционных смесей применены высокоэнергетические активаторы двух типов: шаровой планетарный и вибрационный. Проводят контроль обрабатываемой массы через каждые 5 минут. Таким образом, были подготовлены порошковые композиционные смеси полимерной матрицы и наполнителя с различным соотношением их массовых частей. После чего смесь формуют методом прямого гидравлического прессования. При разработке полимерматричных композитов важным фактором представляется прочность сцепления полимерной матрицы с армирующим наполнителем. От него зависят структурная прочность композита, механические и триботехнические характеристики. Межфазное сцепление создается силами адгезии между поверхностями компонентов композита.

Управление адгезионной прочностью в исследуемых полимерматричных композитах осуществлялось за счет выбора соответствующих режимов механохимической обработки и последующего термопрессования.

Экспериментальные исследования показали высокую эффективность применяемых мероприятий для составов ПМК в заявленных диапазонах значений компонентов, результаты которых приведены в таблице 1.

Таким образом, при получении полимерного нанокомпозиционного фрикционного материала были достигнуты более высокие трибологические характеристики и показатели механической прочности готового материала, а также упругости и разрушающего напряжения при изгибе. Была снижена температуры текучести, величины необходимого при прессовании давления и насыпной плотности, чем в прототипе.

Возможность промышленной применимости предлагаемого способа и композиционного полимерного материала подтверждаются следующими примерами реализации.

Пример 1. В лабораторных условиях были изготовлены экспериментальные образцы для исследования механических и триботехнических характеристик горячим прессованием порошковых композиционных смесей.

Готовые образцы были подвергнуты испытаниям, результаты которых сведены в таблицу 1 (приведены результаты исследования влияния на интенсивность изнашивания ПМК (планетарный активатор) состава композита, контактного давления и микротвердости поверхности трения).

Исследования свойств ПМК с различной концентрацией наполнителя проводились по стандартным методикам. В ходе механических испытаний на растяжение определялись следующие характеристики: модуль упругости ЕР, предел прочности σР и относительное удлинение εР, предел текучести σТ и соответствующее ему относительное удлинение εТ. Некоторые результаты исследования механических характеристик ПМК представлены на фиг.1-3. Для этой серии испытаний порошковые композиционные смеси получены в шаровом планетарном активаторе. Влияние особенностей планетарного и вибрационного активаторов на механохимический синтез порошковых композиционных смесей и механические характеристики ПМК представлены на фиг.4.

Как следует из фиг.1 и 3, с ростом концентрации БПК до 40 мас.% характеристики ЕР и σР возрастают соответственно в 4,0 и 1,4 раза (в сравнении с образцом без БПК). Однако пластичность ПМК резко снижается при концентрации БПК свыше 10 мас.% (фиг.2). Для ПМК, порошковые композиционные смеси (с концентрацией БПК 10 мас.%) которых обработаны в вибрационном активаторе, характерны меньшие значения всех механических характеристик (за исключением σР) в сравнении с обработкой в планетарном активаторе (фиг.4). Однако в сравнении с образцом без БПК использование обоих активаторов при синтезе ПМК с БПК улучшает механические характеристики σР, εР, σТ, εТ (фиг.4).

Исследование трибологических характеристик ПМК осуществлялось в режиме сухого трения, который является экстремальным при функционировании подшипниковых и уплотнительных конструкций различных механизмов. Применена следующая схема трения: экспериментальный образец-пластина из ПМК размером 33×14×2 мм - вращающийся диск из стали 40Х диаметром 98 мм с твердостью 55 HRC и Rz≤1 мкм. Нагрузка Q на контакте варьировалась в пределах 7-19 Н, скорость скольжения υ=2,56 м/с.

По результатам испытаний для каждого образца определялись величины коэффициента трения f, интенсивности изнашивания I (отношение толщины изношенного слоя к пути трения), микротвердости Н поверхности трения.

Проведены две серии триботехнических испытаний. В первой серии исследовали влияние на коэффициент трения состава ПМК и нагрузки. Были получены некоторые результаты испытаний ПМК с концентрацией БПК, изменяющейся от 0 до 40 мас.%. Механохимический синтез порошковых композиционных смесей этих образцов ПМК выполнен в шаровом планетарном активаторе.

Во второй серии испытаний исследовались трибологические и механические характеристики ПМК, механохимический синтез БПК которых проводился в планетарном и вибрационном активаторах. Нагрузка в этих испытаниях равнялась 19Н, длительность испытаний - 30 минут. На фиг.5 и 6 представлены результаты испытаний образцов ПМК с концентрацией БПК, равной 0 и 10 мас.%.

Как следует из анализа результатов трибологических испытаний образцов ПМК (фиг.5а, 6а), оптимальная концентрация наполнителя, при которой получены минимальные коэффициенты трения, составила 20 и 10 мас.% в композитах, порошковые смеси которых были обработаны соответственно в планетарном и вибрационном активаторах.

Как отмечено выше, на износостойкость ПМК испытывались при максимальной нагрузке на контакте. Максимальное пятно износа получено при испытании ненаполненого образца. С ростом концентрации наполнителя противоизносная стойкость полимерматричных композитов повышается. Этому процессу соответствует также увеличение микротвердости поверхности трения (на фиг.5б и 5в приведены характеристики композитов с концентрацией БПК: 1-10 мас.%; 2-20 мас.%; 3-40 мас.%; планетарный активатор, а на фиг.6б и 6в - характеристики композитов с концентрацией БПК: 1-10 мас.%; 2-20 мас.%; 3-40 мас.%; вибрационный активатор).

В качестве исходных материалов использовались порошок СВМПЭ GUR производства Ticona Gmbh (ФРГ). Молекулярная масса СВМПЭ составляла 3-6·106, температура начала плавления составляла 152°С, и бронзовый порошок марки БПК по ТУ 8-08-09-7-85. Содержание Cu в порошковой бронзе составляло 82,8 мас.%, содержание Sn - 16,5 мас.%, содержание Fe - 0,39 мас.%, и содержание лубриканта составляло около 0,3 мас.%.

Приготовление композиционного материала осуществляли совместной механоактивацией порошков СВМПЭ и бронзы с использованием планетарной шаровой мельницы МПФ-1 и тороидальной вибрационной мельницы МВ-0,05. Продолжительность механоактивации выбирали таким образом, чтобы количество механической энергии, передаваемой на единицу массы обрабатываемого материала, было приблизительно равным для обоих мельниц; согласно эмпирической оценке, обработка в течение 30 мин с помощью планетарной мельницы приблизительно соответствует обработке в течение 24 ч на вибрационной мельнице.

Примеры 2, 3 выполнены в условиях примера 1, но концентрация БПК выбрана соответственно 20 и 40 мас.%.

Экспериментальные исследования показали, что в предлагаемом способе и полученном с использованием его композиционном наноматериале обеспечены высокие трибологические характеристики, показатели механической прочности готового материала, упругости, снижение температуры текучести, величины необходимого при прессовании давления и насыпной плотности.

Полимерный нанокомпозиционный антифрикционный материал, выполненный из смеси, содержащей полимерное связующее и порошкообразный наполнитель, отличающийся тем, что в качестве полимерного связующего она содержит порошкообразный сверхвысокомолекулярный полиэтилен, в качестве порошкообразного наполнителя - предварительно механоактивированную измельченную порошкообразную бронзу при следующем соотношении компонентов, мас.%: при этом смесь порошкообразного сверхвысокомолекулярного полиэтилена и порошкообразной ультрадисперсной бронзы совместно механоактивирована до размеров частиц 10-10 м.
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 1-10 of 64 items.
27.10.2015
№216.013.87e5

Комплект оборудования для проведения испытаний изделия

Изобретение относится к испытательному оборудованию, предназначенному для проведения заводских испытаний большегрузного и габаритного изделия на заключительном этапе его изготовления, и может быть использовано для имитации экстремальных ситуаций, появление которых возможно в процессе...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002566392
Дата охранного документа: 27.10.2015
01.03.2019
№219.016.c9b6

Устройство для формирования установочного импульса

Изобретение относится к области автоматики и импульсной техники и может быть использовано для формирования импульсов. Достигаемый технический результат - формирование установочного импульса гарантированной длительности при подаче на шину питания напряжения с любой длительностью фронта...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002296419
Дата охранного документа: 27.03.2007
11.03.2019
№219.016.d645

Взрывозащитная камера

Использование: для обеспечения безопасности при транспортировке, ликвидации и экспериментальной отработке взрывных устройств с энерговыделением до 60 кг ТЭ, в состав которых могут входить экологически опасные высокотоксичные вещества. Задача: расширение диапазона применения и обеспечение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002273821
Дата охранного документа: 10.04.2006
11.03.2019
№219.016.d647

Устройство для инициирования

Использование: в пиротехнике, в конструкциях воспламенителей. Сущность изобретения заключается в том, что в корпусе соосно через перегородку установлены инициирующий и воспламенительный заряды, выполненные из пиротехнических составов. Инициирующий заряд выполнен из безгазового пиротехнического...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002276319
Дата охранного документа: 10.05.2006
11.03.2019
№219.016.d65a

Кумулятивный заряд

Область применения: кумулятивные боеприпасы. Сущность изобретения: кумулятивный заряд содержит корпус 1, заряд взрывчатого вещества (ВВ) 2, средство инициирования 3, размещенное на оси заряда, и разнотолщинную кумулятивную облицовку 4 в форме раструба с увеличенной толщиной от вершины к...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002262060
Дата охранного документа: 10.10.2005
10.04.2019
№219.017.07e6

Устройство для определения упруго - пластичных свойств материала при одноосном растяжении дугообразных образцов

Изобретение относится к исследованию механических свойств материала, в частности к определению технологических параметров процессов (усилий, напряжений, деформаций, перемещений). Технический результат заключается в повышении точности определения механических свойств материала тонкостенных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002402009
Дата охранного документа: 20.10.2010
10.04.2019
№219.017.0819

Устройство управления и связи

Изобретение относится к средствам обработки цифровых данных, области защиты от несанкционированного доступа к информации и может быть использовано для обработки и преобразования информации. Техническим результатом является повышение быстродействия и расширение функциональных возможностей....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002400805
Дата охранного документа: 27.09.2010
19.04.2019
№219.017.2c1e

Устройство для получения последовательности кадров изображения

Изобретение относится к телевизионной технике и может быть использовано в системах наблюдения быстропротекающих процессов. Устройство для получения последовательности кадров изображения содержит оптически связанные и последовательно соединенные оптоволоконный преобразователь и камеру с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002286589
Дата охранного документа: 27.10.2006
19.04.2019
№219.017.2c5b

Пассивный пробоотборник

Изобретение может быть использовано при экологическом мониторинге природных и сточных вод для оценки качества окружающей среды. Пассивный пробоотборник содержит контейнер с открытой верхней частью, крышку с отверстием, съемно соединенную с открытой частью контейнера, и пробоотборный узел....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002287144
Дата охранного документа: 10.11.2006
19.04.2019
№219.017.2ca0

Способ имитации свойств плутония

Изобретение относится к области моделирования процессов диспергирования плутония при аварийном взрыве объектов и распространения его аэрозолей в атмосфере и может быть использовано для прогнозирования масштабов радиоактивного загрязнения местности при авариях. Способ имитации свойств плутония...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002298850
Дата охранного документа: 10.05.2007
Showing 1-10 of 57 items.
10.03.2013
№216.012.2dc6

Способ сборки огнестойкой конструкции

Предназначено для использования в технологиях изготовления огнестойких сборочных систем для хранения, транспортировки токсичных, огне- и взрывоопасных материалов, может быть использовано для предотвращения несанкционированного воздействия экологически опасных материалов на окружающую среду....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002477249
Дата охранного документа: 10.03.2013
20.07.2013
№216.012.57dd

Способ определения содержания наполнителя в полимерном композите

Изобретение относится к способам определения массового содержания наполнителя в полимерных композиционных материалах и может быть использовано для контроля технологии получения полимерных композитов, а также для контроля качества и однородности полученного материала. Сущность: нагревают образец...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002488101
Дата охранного документа: 20.07.2013
10.12.2013
№216.012.88c7

Способ получения композиционных материалов на полимерной основе, армированных углеродными волокнами

Изобретение относится к способам получения композиционных материалов на полимерной основе, армированных волокнами, и может быть использовано для получения полимерматричных композитов с улучшенными физико-механическими и трибологическими характеристиками. Способ заключается в получении композита...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002500697
Дата охранного документа: 10.12.2013
27.01.2014
№216.012.9af9

Способ получения нанопорошков оксида цинка с поверхностным модифицированием для использования в строительных герметиках

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению модифицированных нанопорошков оксида цинка. Может использоваться в качестве строительных герметиков, работающих при высоких деформирующих нагрузках и требующих повышенных значений обратимых относительных удлинений....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002505379
Дата охранного документа: 27.01.2014
20.03.2014
№216.012.ac47

Способ получения композиционного материала

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению композиционных материалов с металлической матрицей из алюминия или его сплавов, армированных керамическим наполнителем из нитридов или карбидов бора и вольфрамом. Может применяться в качестве конструкционных материалов в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002509818
Дата охранного документа: 20.03.2014
20.07.2014
№216.012.ddd3

Полимерная композиция для радиаторов охлаждения светоизлучающих диодов (сид) и способ ее получения

Изобретение относится к области электрорадиотехники, а именно к технологии разработки полимерных композиций для охлаждающих элементов, таких как радиаторы светоизлучающих диодов. Композиция содержит полимерную матрицу из полипропилена и смесь углеродных волокон и углеродных нанотрубок с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002522573
Дата охранного документа: 20.07.2014
20.08.2014
№216.012.eac2

Коррозионностойкое композиционное полимерматричное порошковое покрытие на основе полисульфона

Изобретение относится к коррозионно-стойким порошковым покрытиям на базе полимеров, предназначенных для защиты изделий из металлических сплавов от воздействия агрессивной среды. Состав порошковой композиции для покрытия включает порошковый полисульфон с температурой стеклования не менее 210°C и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002525906
Дата охранного документа: 20.08.2014
27.09.2014
№216.012.f772

Способ изготовления и демонтажа демонтируемой сборки

Изобретение относится к способам безопасной транспортировки экологически опасных веществ в места утилизации или переработки. Технический результат: обеспечение простоты последующего демонтажа сборки при сохранении прочности соединения отдельных элементов между собой при ее транспортировке или...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002529183
Дата охранного документа: 27.09.2014
27.10.2014
№216.013.034f

Способ нанесения покрытия на основе полифениленсульфида на металлическую подложку

Изобретение относится к области технологии создания полимерных покрытий, технологии повышения эксплуатационных свойств полимерных покрытий. Способ нанесения покрытия на основе полифениленсульфида на металлическую подложку характеризуется нанесением на поверхность металлической подложки 3 об.%...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002532245
Дата охранного документа: 27.10.2014
10.11.2014
№216.013.056e

Способ получения объемно-пористых структур сплавов-накопителей водорода, способных выдерживать многократные циклы гидрирования-дегидрирования без разрушения

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению объемно-пористых структур сплавов-накопителей водорода (СНВ), способных выдерживать многократные циклы гидрирования/дегидрирования без разрушения. Методом механической активации получают нанокристаллический порошок...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002532788
Дата охранного документа: 10.11.2014

Похожие РИД в системе