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 21-30 of 64 items.
18.05.2019
№219.017.547f

Пороховой нож

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для одновременного экстренного прерывания без восстановления нескольких электрических цепей. Пороховой нож для резки электрических проводов с обеспечением нарушения электрической связи между источником тока и потребителем содержит...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002287411
Дата охранного документа: 20.11.2006
18.05.2019
№219.017.562f

Запорный клапан

Изобретение относится в области машиностроения, в частности к пневмоавтоматике, и предназначено для перекрытия потока газа в выходной канал при импульсной подаче давления во входной канал. Запорный клапан содержит корпус с проточной частью, входным и выходными каналами, седло и запорный орган,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002390683
Дата охранного документа: 27.05.2010
18.05.2019
№219.017.5635

Способ контроля контейнеров с хранящимися в них материалами

Изобретение относится к области испытательной техники и может быть использовано для обнаружения факта несанкционированного вскрытия контейнеров или доступа к их содержимому. Изобретение направлено на обеспечение достоверного установления факта несанкционированного вскрытия контейнера с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002390742
Дата охранного документа: 27.05.2010
18.05.2019
№219.017.5702

Грузоподъемное устройство

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к грузоподъемным устройствам, предназначенным для подъема, поворота и кантования грузов. Грузоподъемное устройство состоит из закрепляемого на грузе болтами П-образного корпуса, на внутренних поверхностях боковых сторон которого имеются...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002381170
Дата охранного документа: 10.02.2010
18.05.2019
№219.017.571f

Устройство защиты окружающей среды от продуктов взрыва

Изобретение относится к средствам защиты от воздействия взрыва. Устройство защиты содержит преграду из двух слоев, установленных вокруг взрывоопасного объекта один за другим и состоящих из фрагментов поглотителей, имеющих форму пирамид или призм, размещенных с радиальным смещением фрагментов...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002386102
Дата охранного документа: 10.04.2010
18.05.2019
№219.017.573c

Устройство для получения высокотемпературной плазмы на основе многопроволочного лайнера, способ сборки устройства и приспособление для его осуществления

Группа изобретений, относящихся к физике высоких плотностей энергии и термоядерного синтеза, может использоваться при получении мощных потоков мягкого рентгеновского излучения (МРИ), необходимого для решения ряда практических задач, например, для исследования процессов генерации МРИ при...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002388193
Дата охранного документа: 27.04.2010
18.05.2019
№219.017.573d

Опора

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к устройствам для установки блоков линейного ускорителя на рельсовый путь, с возможностью последующего регулирования положения блоков с целью юстировки тракта транспортировки пучка ионизирующего излучения ускорителя. Опора содержит...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002385423
Дата охранного документа: 27.03.2010
18.05.2019
№219.017.573e

Способ защиты аппаратуры от ударных воздействий

Изобретение относится к способам защиты от механических воздействий, а именно к конструированию радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), и может быть использовано в аппаратуре и оборудовании, которые эксплуатируются в условиях воздействия интенсивных механических нагрузок. Способ защиты аппаратуры от...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002385554
Дата охранного документа: 27.03.2010
18.05.2019
№219.017.579e

Способ испытания на герметичность проходных гермоэлементов в сосудах и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области испытательной техники и направлено на обеспечение возможности проведения испытания качества монтажа уплотнителей проходных гермоэлементов без заполнения внутреннего объема сосуда каким-либо компонентом, без применения громоздкого стационарного оборудования,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002371689
Дата охранного документа: 27.10.2009
18.05.2019
№219.017.57b0

Автоматизированная система водоподготовки

Изобретение относится к области многоступенчатой очистки воды с автоматизированной системой управления и контроля для использования сверхчистой воды с удельным электрическим сопротивлением до 18 МОм·см, например, в качестве жидкого диэлектрика в ускорительных комплексах. В автоматизированной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002377193
Дата охранного документа: 27.12.2009
Showing 21-30 of 57 items.
25.08.2017
№217.015.990a

Концентрат на основе квазикристаллических фаз для получения наполненных термопластичных полимерных композиций и способ его получения

Изобретение относится к способам получения концентратов на основе термопластичных матриц, наполненных квазикристаллическими частицами, предназначенных для получения полимерных композиционных материалов. Описан концентрат для получения термопластичных полимерных композиций, содержащий...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002609469
Дата охранного документа: 02.02.2017
25.08.2017
№217.015.d22c

Интерметаллический сплав на основе tial

Изобретение относится к области металлургии, в частности легированным сплавам на основе TiAl с преобладающей фазой γ-TiAl, и может быть использовано при изготовлении компонентов авиационных газотурбинных двигателей. Сплав на основе TiAl содержит, ат.%: алюминий 44-47, ниобий 5-8, хром 1-3,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002621500
Дата охранного документа: 06.06.2017
26.08.2017
№217.015.dbda

Способ получения композиционных мембранных материалов на основе гидридообразующих интерметаллических соединений и полимерных связующих

Изобретение относится к созданию селективных мембран, функционирующих за счет «сродства» гидридообразующего наполнителя к водороду. Описан способ получения композиционных мембранных материалов для выделения водорода из газовых смесей на основе гидридообразующих интерметаллических соединений и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002624108
Дата охранного документа: 30.06.2017
26.08.2017
№217.015.e0d0

Полимерный нанокомпозиционный материал триботехнического назначения с ориентированной структурой

Изобретение относится к нанокомпозиционному материалу с ориентированной структурой на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, который может быть использован для изготовления триботехнических изделий, таких как подшипники скольжения, втулки, применяемые в слабо- и средненагруженных узлах...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002625454
Дата охранного документа: 14.07.2017
26.08.2017
№217.015.e134

Способ обработки интерметаллических сплавов на основе гамма-алюминида титана

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению высококачественных слитков и заготовок изделий из легированных интерметаллических сплавов на основе гамма-алюминида титана. Способ обработки интерметаллических сплавов на основе гамма-алюминида титана, включающий направленную...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002625515
Дата охранного документа: 14.07.2017
26.08.2017
№217.015.e907

Термоаналитический способ определения энергии активации термодеструкции полимерного материала

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, касающейся исследования, измерения и прогнозирования свойств полимерных материалов, включая композиционные материалы на полимерной основе. Заявляется термоаналитический способ определения энергии активации термодеструкции Е...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002627552
Дата охранного документа: 08.08.2017
26.08.2017
№217.015.e931

Способ получения прессованного металлосплавного палладий-бариевого катода

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для изготовления эффективных термо- и вторично-эмиссионных катодов. Путем плавки получают интерметаллид РdВа, размалывают в атмосфере инертного газа или СО с получением порошка, полученный порошок смешивают с порошком...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002627707
Дата охранного документа: 10.08.2017
26.08.2017
№217.015.e93a

Способ получения катодного сплава на основе металла платиновой группы и бария

Изобретение относится к изготовлению металлосплавных катодов для приборов СВЧ-электроники. Способ получения катодного сплава на основе металла платиновой группы и бария включает прессование навески порошка металла платиновой группы, очистку поверхности бария от оксидов, совместную дуговую...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002627709
Дата охранного документа: 10.08.2017
29.12.2017
№217.015.f5e3

Биоактивная полимерная нить для осуществления послойной 3d-печати

Изобретение относится к композиционному материалу, выполненному в форме нити, на основе термопластичного полимера с добавлением биоактивного керамического компонента и может быть использовано для осуществления 3D-печати биорезорбируемых конструкций медицинского назначения методом наплавления...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002637841
Дата охранного документа: 07.12.2017
19.01.2018
№218.016.0407

Способ получения блочных изделий из неплавких полиимидов, состоящих из отходов производства полипиромеллитимидных пленок

Изобретение относится к области получения полиимидов, а именно к области получения термостойких пресс-материалов на основе порошкообразных полипиромеллитимидов, и может быть использовано для получения блочных изделий для продолжительной работы при повышенных температурах (до 300°C) и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002630538
Дата охранного документа: 11.09.2017

Похожие РИД в системе