avroenОмский научный вестник. Серия "Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение"Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering2588-03732587-764XОмский государственный технический университет10.25206/2588-0373-2025-9-3-114-122UUSEYFavroen-107Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВMATERIAL SCIENCE AND PROCESSING TECHNOLOGYВлияние модулированного ультразвука на формирование структуры, механических и триботехнических свойств композита на основе политетрафторэтилена и многостенных углеродных нанотрубокInfluence of the modulated ultrasound on the structure, mechanical and tribotechnical properties of polytetrafluoroethylene composite and multi-layered carbon nanotubeshttps://orcid.org/0000-0002-5713-5470НегровД. А.NegrovD. A.

НЕГРОВ Дмитрий Анатольевич, кандидат техниче­ских наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой «Материаловедение и технологии материалов»

644050, г. Омск, пр. Мира, 11

AuthorID (РИНЦ): 684462

AuthorID (SCOPUS): 54959361600

ResearcherID: D-8411-2019

NEGROV Dmitriy Anatolyevich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Materials Science and Materials Technology Department

Omsk, Mira Ave., 11, 644050

AuthorID (RSCI): 684462

AuthorID (SCOPUS): 54959361600

ResearcherID: D-8411-2019

negrov_d_a@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2003-0819ПутинцевВ. Ю.PutintsevV. Yu.

ПУТИНЦЕВ Виталий Юрьевич, кандидат техни­ческих наук, доцент кафедры «Материаловедение и технологии материалов»

644050, г. Омск, пр. Мира, 11

AuthorID (РИНЦ): 827297

AuthorID (SCOPUS): 57203584921

ResearcherID: Z-1795-2019

PUTINTSEV Vitaliy Yuryevich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Materials Science and Materials Technology Department

Omsk, Mira Ave., 11, 644050

AuthorID (RSCI): 827297

AuthorID (SCOPUS): 57203584921

ResearcherID: Z-1795-2019

putintsev_vit@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9567-2808ШилькоС. В.Shil'koS. V.

ШИЛЬКО Сергей Викторович, кандидат техниче­ских наук, заведующий лабораторией «Механика композитов и биополимеров»

246050, г. Гомель, ул. Кирова, 32А

AuthorID (РИНЦ): 481434

AuthorID (SCOPUS): 6602552174

ResearcherID: AIA-6998-2022

SHIL'KO Sergey Viktorovich, Candidate of Technical Sciences, Head of the Mechanics of Composites and Biopolymers Laboratory

Gomel, Kirova St., 32 A, 246050

AuthorID (RSCI): 481434

AuthorID (SCOPUS): 6602552174

ResearcherID: AIA-6998-2022

shilko_mpri@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6450-5364КнязевЕ. В.KnyazevE. V.

КНЯЗЕВ Егор Владимирович, кандидат техниче­ских наук, доцент кафедры «Материаловедение и технологии материалов»

644050, г. Омск, пр. Мира, 11

AuthorID (РИНЦ): 666119

AuthorID (SCOPUS): 55657278600

ResearcherID: AAU-4486-2020

KNYAZEV Egor Vladimirovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Materials Science and Materials Technology Department

Omsk, Mira Ave., 11, 644050

AuthorID (RSCI): 666119

AuthorID (SCOPUS): 55657278600

ResearcherID: AAU-4486-2020

knyazevyegor@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0005-4722-1278ГлотовА. И.GlotovA. I.

ГЛОТОВ Алексей Игоревич, аспирант кафедры «Материаловедение и технологии материалов»

644050, г. Омск, пр. Мира, 11

AuthorID (РИНЦ): 1189428

ResearcherID: JZT-6618-2024

GLOTOV Aleksey Igorevich, Postgraduate of the Materials Science and Materials Technology Department

Omsk, Mira Ave., 11, 644050

AuthorID (RSCI): 1189428

ResearcherID: JZT-6618-2024

aiglotov@omgtu.ruВеберД. А.VeberD. A.

ВЕБЕР Денис Александрович, аспирант кафедры «Материаловедение и технологии материалов»

644050, г. Омск, пр. Мира, 11

AuthorID (РИНЦ): 112315

ResearcherID: OHT-1810-2025

VEBER Denis Aleksandrovich, Postgraduate of the Materials Science and Materials Technology Department

Omsk, Mira Ave., 11, 644050

AuthorID (RSCI): 112315

ResearcherID: OHT-1810-2025

den.veber.19@bk.ruОмский государственный технический университетРоссияOmsk State Technical UniversityRussian FederationИнститут механики металлополимерных систем имени В. А. Белого Национальной академии наук БеларусиБеларусьV. A. Belyi Metal-Polymer Research Institute of National Academy of Sciences of BelarusBelarus20253009202593114122Copyright © Негров Д.А., Путинцев В.Ю., Шилько С.В., Князев Е.В., Глотов А.И., Вебер Д.А., 20252025Негров Д.А., Путинцев В.Ю., Шилько С.В., Князев Е.В., Глотов А.И., Вебер Д.А.Negrov D.A., Putintsev V.Y., Shil'ko S.V., Knyazev E.V., Glotov A.I., Veber D.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ariem.omgtu.ru/jour/article/view/107

В работе проведено комплексное исследование структуры, механических и триботехнических свойств полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена (фторопласт-4), наполненного многостенными углеродными нанотрубками. Проведены испытания механических и три­бологических свойств и исследована надмолекулярная структура. Установлены закономерности изме­нения комплекса функциональных характеристик полимерных композиционных материалов в зависи­мости от концентрации наполнителя и режима технологического процесса изготовления. Предложени реализован метод холодного прессования с ультразвуковым воздействием при его низкочастот­ной амплитудной модуляции. Метод обеспечивает интенсификацию деагрегации частиц наполнителя, повышение однородности их распределения и усиление межфазного взаимодействия. Это приводит к более эффективной передаче контактной нагрузки между компонентами полимерного композици­онного материала и повышению долговечности трибосопряжения в результате снижения абразивного износа. В частности, применение ультразвукового прессования изучаемого полимерного композици­онного материала при содержании 1,5 масс. % нанотрубок обеспечивает повышение предела проч­ности при растяжении на 10 %, модуля упругости — на 16 % и снижение скорости массового износа на — 15 % по сравнению с традиционной технологией прессования. Полученные результаты свиде­тельствуют о корреляции параметров режима прессования, структуры и механико-трибологических свойств, что позволяет получить антифрикционные композиты с повышенной прочностью и износо­стойкостью.

The article presents a comprehensive study of the structure, mechanical, and tribotechnical properties of polymer composite materials based on polytetrafluoroethylene (fluoroplastic-4) filled with multi-walled carbon nanotubes. The mechanical and tribotechnical properties are tested, and the supramolecular structure are investigated. The authors establish the patterns of changes in the complex of functional characteristics of polymer composite materials, depending on the filler concentration and the manufacturing process. A method of cold pressing with ultrasonic exposure and low-frequency amplitude modulation is proposed and implemented. The method provides intensification of the filler particles deaggregation, increasing the homogeneity of their distribution and strengthening the interfacial interaction. Moreover, the method leads to more efficient transfer of the contact load between the polymer composite material components and increase the durability of the tribosystem as a result of reducing the abrasive wear. In particular, the use of ultrasonic pressing, studied by polymer composite material at a content of 1.5 wt. % of nanotubes, the use of ultrasonic pressing provides an increase in the tensile strength by 10 %, the modulus of elasticity by 16 % and a decrease in the mass wear rate by 15 % compared to the traditional pressing technology. The results indicate the correlation of the pressing mode parameters, structure and mechanical- tribotechnical properties, which allow obtaining antifriction composites with increased strength and wear resistance.

политетрафторэтиленмногостенные углеродные нанотрубкиповерхность тре­нияабразивное изнашиваниесухое трениеультразвукмодуляция.polytetrafluoroethylenemultiwalled carbon nanotubesfriction surfaceabrasive weardry frictionultrasoundmodulation.ReferencesShoukat R., Khan M. I. Carbon nanotubes: a review on properties, synthesis methods and applications in micro and nanotechnology. Microsystem Technologies. 2021. Vol. 27, no. 12. P. 4183–4192. DOI: 10.1007/s00542-021-05211-6.Shoukat R., Khan M. I. Carbon nanotubes: a review on properties, synthesis methods and applications in micro and nanotechnology. Microsystem Technologies. 2021. Vol. 27, no. 12. P. 4183–4192. DOI: 10.1007/s00542-021-05211-6.Anzar N., Hasan R., Tyagi М., Narang J. Carbon nanotube — a review on synthesis, properties and plethora of applications in the field of biomedical science. Sensors International. 2020. Vol. 1. P. 100003. DOI: 10.1016/j.sintl.2020.100003.Anzar N., Hasan R., Tyagi М., Narang J. Carbon nanotube — a review on synthesis, properties and plethora of applications in the field of biomedical science. Sensors International. 2020. Vol. 1. P. 100003. DOI: 10.1016/j.sintl.2020.100003.Томишко М. М., Демичева О. В., Алексеев А. М. [и др.]. Многослойные углеродные нанотрубки и их применение // Российский химический журнал. 2008. Т. 52, № 5. С. 39–42. EDN: JWDTRT.Tomishko M. M., Demicheva O. V., Alekseev A. M. [et al.] Mnogosloynye uglerodnye nanotrubki i ikh primenenie [Multiwall carbon nanotubes and their applications]. Rossiyskiy Khimicheskiy Zhurnal. 2008. Vol. 52, no. 5. P. 39–42. EDN: JWDTRT. (In Russ.).Zhang X., Lu W., Zhou G., Li Q. Understanding the mechanical and conductive properties of carbon nanotube fibers for smart electronics. Advanced Materials. 2020. Vol. 32, no. 5. P. 1902028. DOI: 10.1002/adma.201902028.Zhang X., Lu W., Zhou G., Li Q. Understanding the mechanical and conductive properties of carbon nanotube fibers for smart electronics. Advanced Materials. 2020. Vol. 32, no. 5. P. 1902028. DOI: 10.1002/adma.201902028.Gupta N., Gupta S. M., Sharma S. K. Carbon nanotubes: synthesis, properties and engineering applications. Carbon Letters. 2019. Vol. 29, no. 5. P. 419–447. DOI: 10.1007/s42823-019-00068-2.Gupta N., Gupta S. M., Sharma S. K. Carbon nanotubes: synthesis, properties and engineering applications. Carbon Letters. 2019. Vol. 29, no. 5. P. 419–447. DOI: 10.1007/s42823-019-00068-2.Бадамшина Э. Р., Гафурова М. П., Эстрин Я. И. Моди­фицирование углеродных нанотрубок и синтез полимерных композитов с их участием // Успехи химии. 2010. Т. 79, №. 11. С. 1027–1064. EDN: MVWYTB.Badamshina E. R., Gafurova M. P., Estrin Ya. I. Modifitsirovanie uglerodnykh nanotrubok i sintez polimernykh kompozitov s ikh uchastiem [Modification of carbon nanotubes and synthesis of polymeric composites involving the nanotubes]. Uspekhi Khimii. 2010. Vol. 79, no. 11. P. 1027–1064. EDN: MVWYTB. (In Russ.).Истомин Н. П., Семенов А. П. Антифрикционные свой­ства композиционных материалов на основе фторполимеров. Москва: Наука, 1981. 146 с.Istomin N. P., Semenov A. P. Antifriktsionnye svoystva kompozitsionnykh materialov na osnove ftorpolimerov [Antifriction properties of composite materials based on fluoropolymers]. Moscow, 1981. 146 p. (In Russ.).Адаменко Н. А., Больбасов Е. Н., Бузник В. В. [и др.]. Фторполимерные материалы. Томск: Изд-во НТЛ, 2017. 596 с. ISBN 978-5-89503-596-2.Adamenko N. A., Bolbasov E. N., Buznik V. V. [et al.] Ftorpolimernye materialy [Fluoropolymer materials]. Tomsk, 2017. 596 p. ISBN 978-5-89503-596-2. (In Russ.).Alam K. I., Dorazio A., Burris D. L. Polymers tribology exposed: eliminating transfer film effects to clarify ultralow wear of PTFE. Tribology Letters. 2020. Vol. 68 (2). P. 1–13. DOI: 10.1007/s11249-020-01306-9.Alam K. I., Dorazio A., Burris D. L. Polymers tribology exposed: eliminating transfer film effects to clarify ultralow wear of PTFE. Tribology Letters. 2020. Vol. 68 (2). P. 1–13. DOI: 10.1007/s11249-020-01306-9.Conte M., Fernandez В., Igartua A. Effect of surface temperature on tribological behavior of PTFE composites. Proceedings of the Surface Effects and Contact Mechanics X. 2011. Vol. 71. P. 219–230. DOI: 10.2495/SECM110191.Conte M., Fernandez В., Igartua A. Effect of surface temperature on tribological behavior of PTFE composites. Proceedings of the Surface Effects and Contact Mechanics X. 2011. Vol. 71. P. 219–230. DOI: 10.2495/SECM110191.Сученинов П. А., Адаменко Н. А., Сергеев Д. В. Разра­ботка и исследование композиционных материалов для уплот­нений воздушных поршневых компрессоров // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2009. № 11. С. 66–69. EDN: KYAJXX.Sucheninov P. A., Adamenko N. A., Sergeev D. V. Razrabotka i issledovanie kompozitsionnykh materialov dlya uplotneniy vozdushnykh porshnevykh kompressorov [Development and research of composite materials for seals of air piston compressors]. Izvestiya Volgogradskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Izvestia VSTU. 2009. No. 11. P. 66–69. EDN: KYAJXX. (In Russ.).Гракович П. Н., Шелестова В. А., Данченко С. Г., Жандаров С. Ф. [и др.]. Проблемы применения композици­ онных материалов «Флувис» и «Суперфлувис» в компрес­соростроении // Технические газы. 2013. № 3. С. 69–72. EDN: RSRNUJ.Grakovich P. N., Shelestova V. A., Danchenko S. G., Zhandarov S. F. [et al.]. Problemy primeneniya kompozitsionnykh materialov “Fluvis” i “Superfluvis” v kompressorostroenii [The problems of application of composite materials Fluvis and Superfluvis in the compressor engineering]. Tekhnicheskie Gazy. 2013. No. 3. P. 69–72. EDN: RSRNUJ. (In Russ.).Охлопкова А. А., Петрова П. Н., Гоголева О. В., Пар­никова А. Г. Разработка технологических приемов управления свойствами композитов на основе политетрафторэтилена, со­держащих наномодификаторы // Вопросы материаловедения. 2013. № 1 (73). С. 136–145. EDN: PZELHH.Okhlopkova A. A., Petrova P. N., Gogoleva O. V., Parnikova A. G. Razrabotka tekhnologicheskikh priemov upravleniya svoystvami kompozitov na osnove politetrafluoretilena, soderzhashchikh nanomodifikatory [Development of technological methods of controlling of composites’ properties based on polytetrafluoroethylene, containing nanomodifiers]. Voprosy Materialovedeniya. 2013. No. 1 (73). P. 136–145. EDN: PZELHH. (In Russ.).Панин С. В., Корниенко Л. А., Нгуен Суан Т. [и др.]. Механические и триботехнические характеристики нано- и микрокомпозитов на основе полимер-полимерной матрицы СВМПЭ-ПТФЭ // Трение и износ. 2015. № 6. С. 652–660. EDN: VINNSB.Panin S. V., Korniyenko L. A., Nguyen Suan T. [et al.] Mekhanicheskiye i tribotekhnicheskiye kharakteristiki nano- i mikrokompozitov na osnove polimer-polimernoy matritsy SVMPE- PTFE [Mechanical and tribological characteristics of nano- and microcomposites with UHMWPE–PTFE polymer-polymer matrix]. Treniye i iznos. Journal of Friction and Wear. 2015. No. 6. P. 652–660. EDN: VINNSB. (In Russ.).Машков Ю. К., Байбарацкая М. Ю., Кургузо­ва О. А. Влияние условий эксплуатации на износостой­кость нанокомпозитов на основе политетрафторэтилена // Наука и военная безопасность. 2021. № 2 (25). С. 78–83. EDN: VSKEYS.Mashkov Yu. K., Baybaratskaya M. Yu., Kurguzova O. A. Vliyaniye usloviy ekspluatatsii na iznosostoykost’ nanokompozitov na osnove politetraftoretilena [Influence of operating conditions on the wear resistance of nanocomposites based on polytetrafluoroethylene]. Nauka i Voyennaya Bezopasnost’. 2021. No. 2 (25). P. 78–83. EDN: VSKEYS. (In Russ.).Song J., Lei H., Zhao G. Improved mechanical and tribological properties of polytetrafluoroethylene rein-forced by carbon nanotubes. A molecular dynamics study. Computational Materials Science. 2019. Vol. 168. P. 131–136. DOI: 10.1016/j.commatsci.2019.05.058.Song J., Lei H., Zhao G. Improved mechanical and tribological properties of polytetrafluoroethylene rein-forced by carbon nanotubes. A molecular dynamics study. Computational Materials Science. 2019. Vol. 168. P. 131–136. DOI: 10.1016/j.commatsci.2019.05.058.Пат. 2546161 C2 Российская Федерация, МПК C 08 J 5/00, B 29 C 43/56, B 29 C 69/00. Способ изготовления изделий из полимерных композиционных материалов на основе по­литетрафторэтилена и устройство для изготовления изделий / Машков Ю. К., Кропотин О. В., Егорова В. А., Кургузова О. А. № 2013125074/05; заявл. 29.05.2013; опубл. 10.04.2015, Бюл. № 10.Patent 2546161 C2 Russian Federation, IPC C 08 J 5/00, B 29 C 43/56, B 29 C 69/00. Sposob izgotovleniya izdeliy iz polimernykh kompozitsionnykh materialov na osnove politetraftoretilena i ustroystvo dlya izgotovleniya izdeliy [Method to manufacture items from polymer composite materials based on polytetrafluorethylene and device for manufacturing of items] / Mashkov Yu. K., Kropotin O. V., Egorova V. A., Kurguzova O. A. No. 2013125074/05. (In Russ.).Kornopoltsev N. V., Rogov V. E., Lenskaya E. V., Kornopoltsev V. N. Development of materials and coatings based on polytetrafluoroethylene. Chemistry for Sustainable Development. 2004. Vol. 12, no. 6. P. 681–686. EDN: HRUUJL.Kornopoltsev N. V., Rogov V. E., Lenskaya E. V., Kornopoltsev V. N. Development of materials and coatings based on polytetrafluoroethylene. Chemistry for Sustainable Development. 2004. Vol. 12, no. 6. P. 681–686. EDN: HRUUJL.Негров Д. А., Путинцев В. Ю., Глотов А. И. Влияние усовершенствованной технологии прессования на струк­турообразование политетрафторэтилена // Ползуновский вестник. 2024. № 1. С. 240–244. DOI: 10.25712/ASTU.2072-8921.2024.01.031. EDN: JCAATM.Negrov D. A., Putintsev V. Yu., Glotov A. I. Vliyaniye usovershenstvovannoy tekhnologii pressovaniya na strukturoobrazovaniye politetraftoretilena [Impact of improved technologypressing on structure formation polytetrafluoroethylene]. Polzunovskiy Vestnik. 2024. No. 1. P. 240–244. DOI: 10.25712/ASTU.2072-8921.2024.01.031. EDN: JCAATM. (In Russ.).Qu H., Wen Z., Qu J., Song B. Study on effects of ultrasonic vibration on sliding friction properties of PTFE composites phosphor bronze under vacuum. Vacuum. 2019. Vol. 164. P. 1–6. DOI: 10.1016/j.vacuum.2019.02.022.Qu H., Wen Z., Qu J., Song B. Study on effects of ultrasonic vibration on sliding friction properties of PTFE composites phosphor bronze under vacuum. Vacuum. 2019. Vol. 164. P. 1–6. DOI: 10.1016/j.vacuum.2019.02.022.Негров Д. А., Путинцев В. Ю. Влияние низкочастотной модуляции на механические свойства и триботехнические ха­рактеристики полимерных композиционных материалов // Ползуновский вестник. 2021. № 4. С. 140–145. DOI: 10.25712/ASTU.2072-8921.2021.04.018. EDN: TOAMEW.Negrov D. A., Putintsev V. Yu. Vliyaniye nizkochastotnoy modulyatsii na mekhanicheskiye svoystva i tribotekhnicheskiye kharakteristiki polimernykh kompozitsionnykh materialov [Influence of low-frequency modulationon mechanical properties and tribotechnical characteristics of polymer composite materials]. Polzunovskiy Vestnik. 2021. No. 4. P. 140–145. DOI: 10.25712/ASTU.2072-8921.2021.04.018. EDN: TOAMEW. (In Russ.).Katiyar J. K., Sinha S. K., Kumar A. Effects of carbon fillers on the tribological and mechanical properties of an epoxy-based polymer (SU-8). Tribology-Materials, Surfaces & Interfaces. 2016. Vol. 10, no. 1. P. 33–44. DOI: 10.1080/17515831.2015.1126689.Katiyar J. K., Sinha S. K., Kumar A. Effects of carbon fillers on the tribological and mechanical properties of an epoxy-based polymer (SU-8). Tribology-Materials, Surfaces & Interfaces. 2016. Vol. 10, no. 1. P. 33–44. DOI: 10.1080/17515831.2015.1126689.Makowiec M. E., Blanchet T. A. Improved wear resistance of nanotube-and other carbon-filled PTFE composites. Wear. 2017. Vol. 374, no. 6. P. 77–85. DOI: 10.1016/j.wear.2016.12.027.Makowiec M. E., Blanchet T. A. Improved wear resistance of nanotube-and other carbon-filled PTFE composites. Wear. 2017. Vol. 374, no. 6. P. 77–85. DOI: 10.1016/j.wear.2016.12.027.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.