Влияние модулированного ультразвука на формирование структуры, механических и триботехнических свойств композита на основе политетрафторэтилена и многостенных углеродных нанотрубок

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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. Истомин Н. П., Семенов А. П. Антифрикционные свой­ства композиционных материалов на основе фторполимеров. Москва: Наука, 1981. 146 с.

8. 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.

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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.