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 61-64 of 64 items.
19.06.2019
№219.017.8840

Переход высоковольтный

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для ввода электрических проводников в загрязненную зону, используется, в частности, во взрывозащитной камере (ВЗК). Техническим результатом является создание герметичного ударопрочного высоковольтного перехода, работающего в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002322719
Дата охранного документа: 20.04.2008
19.06.2019
№219.017.887a

Способ определения конструктивных параметров порохового газогенератора

Изобретение относится к испытательной технике. Сущность: осуществляют расчет конструктивных и внутрибаллистических параметров ПГГ. Изготавливают модельный образец ПГГ. Регистрируют зависимость давления пороховых газов в рабочей полости от времени и осуществляют последующий выбор на основании...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002328712
Дата охранного документа: 10.07.2008
10.07.2019
№219.017.aa9a

Способ определения местоположения стрелка на местности

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к определению местоположения объекта с использованием звуковых волн, в частности местоположения стрелка на местности. Способ определения местоположения стрелка на местности заключается в том, что включают запись звуковых сигналов при...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002285272
Дата охранного документа: 10.10.2006
10.07.2019
№219.017.b035

Устройство для многоканальной сигнализации

Изобретение относится к технике автоматической сигнализации. Технический результат - расширение функциональных возможностей устройства. Результат достигается за счет обеспечения возможности контроля за состояниями датчиков контролируемых объектов в течение заданного времени после пропадания...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002406157
Дата охранного документа: 10.12.2010
Showing 51-57 of 57 items.
19.06.2019
№219.017.8497

Теплоизоляционный состав

Изобретение относится к технологии производства строительных материалов из минеральных веществ и может быть использовано для изготовления теплоизоляционных материалов для ненесущих конструкционных изделий. Технический результат: повышение технологичности при механической обработке за счет...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002285680
Дата охранного документа: 20.10.2006
07.09.2019
№219.017.c8df

Способ получения антиадгезионного слоистого покрытия

Изобретение относится к технологии нанесения антиадгезионных многослойных покрытий и может быть использовано при изготовлении формованных композиционных теплоизоляционных материалов, где требуется исключить риск повреждения поверхности ограничительных форм из-за отслаивания антиадгезионного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002699433
Дата охранного документа: 05.09.2019
19.11.2019
№219.017.e3a1

Способ изготовления, хранения и применения мобильного портативного модуля для ремонта повреждений в транспортируемых контейнерах с токсичными материалами

Группа изобретений относится к области технологий обеспечения безопасных методов хранения и транспортировки опасных материалов. Способ изготовления портативного модуля для ремонта повреждений включает первоначальное раздельное размещение реагентов в индивидуальных герметичных объемах для...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002706336
Дата охранного документа: 18.11.2019
12.12.2019
№219.017.ec05

Гибридная металлополимерная конструкция медицинского назначения

Изобретение относится к медицине. Гибридная металлополимерная конструкция для замещения костных дефектов трубчатых костей содержит сплошной внешний слой из сверхвысокомолекулярного полиэтилена и пористый слой из сверхвысокомолекулярного полиэтилена с размером пор 50-1000 мкм. Конструкция...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002708528
Дата охранного документа: 09.12.2019
12.12.2019
№219.017.ec3f

Способ получения трехмерных изделий сложной формы со структурой нативной трабекулярной кости на основе высоковязкого полимера

Изобретение относится к способу получения трехмерных изделий сложной формы. Техническим результатом является наибольшее соответствие полученного изделия структуре нативной трабекулярной кости. Технический результат достигается способом получения трехмерных изделий сложной формы, который...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002708589
Дата охранного документа: 09.12.2019
14.03.2020
№220.018.0bed

Способ напыления защитных покрытий для интерметаллического сплава на основе гамма-алюминида титана

Изобретение относится к способам защиты легированных сплавов на основе титаналюминидов с преобладающей фазой γ-TiAl. Сплавы этого типа отличаются малой плотностью, высокой удельной прочностью и стойкостью к окислению и предназначены для изготовления конструкций, работающих при высоких...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002716570
Дата охранного документа: 12.03.2020
01.07.2020
№220.018.2d2a

Полимерный вкладыш ацетабулярного компонента эндопротеза с биоактивным пористым слоем для остеосинтеза

Изобретение относится к области медицины, а именно травматологии, и раскрывает полимерный вкладыш ацетабулярного компонента эндопротеза тазобедренного сустава. Полимерный вкладыш характеризуется тем, что выполнен из сверхвысокомолекулярного полиэтилена методом термического прессования, имеющий...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002725063
Дата охранного документа: 29.06.2020

Похожие РИД в системе