МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

Н.И. БАУРОВА, В.А. ЗОРИН

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ

СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ

КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

МОСКОВСКИЙ АВТОМОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(МАДИ)

Кафедра «Производство и ремонт автомобилей и дорожных машин»

Утверждаю Проректор (направление по учебной и воспитательной работе) _____________ Л.Л. Зиманов «____» __________ 2017 г.

Н.И. БАУРОВА, В.А. ЗОРИН

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ

СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ

КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

МОСКВА МАДИ 2017

УДК 621.763-036.84 ББК 35.20:35.71

Б295

Баурова, Н.И. Б295 Методы оценки эксплуатационных свойств деталей из поли-

мерных композиционных материалов: метод. пособие / Н.И. Бау-рова, В.А. Зорин. – М.: МАДИ, 2017. – 84 с.

В данном методическом пособии излагаются основные свойства, которые необходимо учитывать при выборе полимерных композици-онных материалов для производства и ремонта машин, и современ-ные методы их определения.

Методическое пособие предназначено для обучающихся по на-правлениям подготовки 15.03.01 «Машиностроение»; 15.03.02 «Тех-нологические машины и оборудование»; 23.05.01 «Наземные транс-портно-технологические средства»; 23.05.02 «Транспортные средства специального назначения».

УДК 621.763-036.84 ББК 35.20:35.71 © МАДИ, 2017

3

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................. 4

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ДЕТАЛЕЙ МАШИН ........................................ 6 1.1. Понятие полимерных композиционных материалов (ПКМ) ........ 6 1.2. Классификация ПКМ, применяемых

при производстве и ремонте машин ........................................... 13 1.3. Области применения ПКМ в машиностроении

и смежных отраслях ...................................................................... 16 Контрольные вопросы ......................................................................... 22

2. ДЕФОРМАЦИОННО-ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ........................................................ 23 2.1. Прочностные и вязкоупругие свойства ПКМ ............................... 23 2.2. Определение твердости ПКМ ....................................................... 37 2.3. Определение предела выносливости ПКМ ................................. 40 Контрольные вопросы ......................................................................... 44

3. ТЕРМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ........................................................ 45 3.1. Термостойкость ПКМ ..................................................................... 47 3.2. Теплостойкость ПКМ ..................................................................... 48 3.3. Морозостойкость ПКМ ................................................................... 62 Контрольные вопросы ........................................................................ 63

4. СПЕЦИАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ............................................... 64 4.1. Стойкость к воздействию агрессивных сред .............................. 64 4.2. Теплозащитные свойства и горючесть ПКМ ............................... 70 4.3. Фрикционные свойства ПКМ ......................................................... 74 4.4. Электрические свойства ПКМ ...................................................... 77 4.5. Акустические свойства ПКМ ......................................................... 79 Контрольные вопросы ......................................................................... 80

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .......................................................................... 81

4

ВВЕДЕНИЕ

История применения полимерных композиционных материалов (ПКМ) берет свое начало с древнейших времен, когда человек начал сознательно конструировать новые материалы. Уже на ранних стади-ях развития цивилизации люди использовали для строительства кир-пич из глины, в которую замешивалась солома, придававшая повы-шенную прочность. Использование природных битумов позволило по-высить водостойкость природных материалов при изготовлении мор-ских и речных судов из камыша, пропитанного битумом.

В истории применения ПКМ в машиностроении можно выделить 4 основных этапа.

Первый этап приходится на начало ХХ в. Этот этап связан с соз-данием техники, в том числе и автомобилей. Первое серийное изде-лие из полимерных материалов, содержащих дисперсные наполните-ли, произведено в 1916 г., это – ручка переключателя скоростей авто-мобиля «Роллс-ройс». На этом этапе происходил процесс накопления экспериментальных данных по свойствам наполненных полимеров. Первый патент на ПКМ был выдан в 1909 г., он предусматривал уп-рочнение синтетических смол природными волокнами [6].

Второй этап приходится на конец 50-х гг. ХХ в. Этот этап связан с разработкой ракетного топлива, которое на 80% состояло из твер-дых частиц горючего, соединенных с помощью эластичного связующе-го материала. Это позволило создать научные основы механики про-цессов разрушения дисперсно-наполненных полимеров.

Третий этап приходится на конец 70-х гг. ХХ в. Этот этап связан с массовым применением полимеров в быту, когда для придания им требуемых эксплуатационных свойств и снижения себестоимости в со-став полимеров начали вводить жесткие неорганические частицы. На-чиная с конца 1970-х гг., подавляющее большинство термопластичных полимерных материалов имели в своем составе дисперсный наполни-тель. На этом этапе разработано много нового оборудования для про-мышленного производства изделий из дисперсно-наполненных ПКМ.

5

Четвертый этап приходится на конец 80-х гг. ХХ в. Этот этап свя-зан с созданием нанокомпозитов, в которых в качестве наполнителей использовались наноразмерные частицы. На этом этапе созданы на-учные основы адгезионного взаимодействия на межфазной границе. Разработаны новые технологии диспергирования.

Сегодня в промышленно развитых странах производство изде-лий из полимерных композиционных материалов неуклонно растет, поскольку эти материалы позволяют добиться существенного улуч-шения качества и снижения веса изделий и конструкций, в том числе работающих в экстремальных условиях, при одновременном увеличе-нии их надежности и ресурса [2]. Одним из важнейших условий конку-рентоспособности полимерных композиционных материалов является оптимальное сочетание их технологичности в производстве деталей с высокими эксплуатационными характеристиками (прочностью, жест-костью, износостойкостью) и низкой стоимостью.

Для успешного развития дорожно-строительного и автомобиль-ного машиностроения требуется постоянное совершенствование су-ществующих и внедрение новых материалов при производстве и ре-монте деталей машин, которые удовлетворяли бы таким противоре-чивым требованиям, как надежность, простота технологического про-цесса производства и возможности его автоматизации. В настоящее время перспективы развития в этой области во многом связаны с ис-пользованием полимерных композиционных материалов.

Успехи химии в области синтеза новых полимерных материалов обеспечили возможность их широкого применения в самых различных отраслях машиностроения. Дальнейшему расширению их использо-вания препятствует недостаточная осведомленность инженерных и научных работников в вопросах их прочности, надежности, долговеч-ности и других эксплуатационных свойств.

Целью данного издания является изложение в доступной и ком-пактной форме методов определения основных эксплуатационных свойств деталей машин, изготовленных из полимерных композицион-ных материалов.

6

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ

ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Характерными особенностями большинства деталей современ-ных машин являются: высокая энергонасыщенность, большая масса, многофункциональность и высокий уровень металлоемкости. Следст-вием перечисленных особенностей являются значительные экологи-ческие нагрузки в процессе эксплуатации техники, вызванные токсич-ными отработанными газами и эксплуатационными материалами, по-вышенным давлением на грунт, электромагнитными полями, высоким уровнем шума, вибрации и др. Устранение перечисленных недостат-ков в значительной степени может быть достигнуто благодаря увели-чению доли неметаллических материалов, применяемых в машино-строительном производстве.

Структуру ПКМ упрощенно можно представить в виде матрицы, представляющей основу материала, и наполнителей, обеспечиваю-щих необходимые эксплуатационные свойства деталей.

В зависимости от материала матрицы конструкционные мате-риалы принято классифицировать на следующие основные группы:

– металлические композиционные материалы (с металлической матрицей);

– полимерные композиционные материалы (с полимерной матрицей);

– резиновые композиционные материалы (с резиновой матрицей); – керамические композиционные материалы (с керамической

матрицей). В данном издании мы рассмотрим только полимерные компози-

ционные материалы.

1.1. Понятие полимерных композиционных материалов (ПКМ)

Полимерные композиционные материалы представляют собой гетерогенные системы, состоящие из двух или более компонентов,

7

различающихся по химическому составу, физико-механическими ха-рактеристиками и разделенных в материале четко выраженной грани-цей, причем одни из компонентов являются армирующими состав-ляющими, а другие – связующими их матрицами [2, 6].

Основное назначение наполнителя (рис. 1.1 – 1) – армировать, т.е. упрочнять матрицу, придавать материалу требуемые специаль-ные свойства при условии сохранения приемлемой стоимости детали. От свойств наполнителя практически полностью зависят: предел прочности при растяжении, модуль упругости, твердость, коэффици-ент трения, износостойкость, теплопроводность, электрические и аку-стические свойства.

В «идеальном» случае наполнитель должен обладать следую-щими свойствами:

– большим модулем упругости (чем больше, тем лучше); – хорошей адгезией к используемому связующему (τсд > 20 МПа).

Рис. 1.1. Простейшая схема ПКМ: 1 – наполнитель; 2 – межфазный слой; 3 – матрица (связующее)

Выбор наполнителя определяется следующими факторами: – предполагаемой технологией формования; – назначением детали и ее эксплуатационными свойствами; – геометрическими особенностями и массой детали; – экономическими факторами. Основное назначение связующего (рис. 1.1 – 3) – связывать ме-

жду собой наполнитель, обеспечивать совместную работу всех моно-волокон (или частиц, если используется дисперсный наполнитель), обеспечить монолитность материала и передачу (распределение) на-пряжений.

1

2

3

8

От свойств связующего практически полностью зависят: тепло- и термостойкость, стойкость к действию различных рабочих сред (вода, пар, топливо, масла и др.), ударная вязкость, ударная прочность, стойкость к длительному воздействию знакопеременных нагрузок, ползучесть, релаксация напряжений.

После отверждения (для термореактивных материалов) или за-стывания (для термопластичных) связующее превращается в матри-цу. Матрица представляет собой непрерывную фазу, толщина слоя которой может изменяться от 1 до 1000 мкм [2].

Рис. 1.2. Схема превращения связующего в матрицу

В «идеальном» случае связующее должно обладать следующи-ми свойствами:

– деформационные свойства матрицы должны быть не ниже, чем у наполнителя εм > εн;

– связующее должно иметь относительно большой модуль упру-гости (Е > 2000 МПа);

– связующее должно обладать хорошей адгезией к наполнителю (τсд > 20 МПа).

Выбор связующего определяется следующими факторами: – технологией формования; – типом производства; – геометрическими особенностями и массой детали; – технологическими и эксплуатационными свойствами детали. Матрица и наполнитель должны иметь хорошую совместимость,

но при этом не должны растворяться друг в друге. В одном материале может быть несколько матриц или несколько

типов наполнителей (рис. 1.3). В зависимости от типа упаковок частиц наполнителя ПКМ могут

включать: – наполнитель одного типа;

Матрица Отверждение / застывание Связующее

9

– несколько однотипных наполнителей; – волокна, распределенные среди дисперсных наполнителей, и

наоборот.

а

б

Рис. 1.3. Фото структуры гибридных материалов: а – структура стеклопластика на основе полиэфирной матрицы

с содержанием гидроксида алюминия 50 масс. ч; б – углеродная лента, содержащая органическую нить

Если в качестве связующего используют смеси полимеров (или олигомеров), то такие связующие называют гетерогенными, полимат-ричными или гетероматричными.

Если в качестве наполнителей используются разные типы воло-кон или дисперсных наполнителей, то такие материалы называют гибридными.

Для оптимальной реализации всего комплекса свойств ПКМ не-обходимо обеспечение прочного взаимодействия матрицы и наполни-теля по всей площади их контакта. Свойства материала на границе раздела матрица – наполнитель существенно отличаются от свойств каждого из этих компонентов. Этот слой получил название – межфаз-ный слой (рис. 1.1 – 2) или межфазная зона. Его толщина обычно со-ставляет несколько атомов. Формирование межфазной зоны происхо-дит в течение определенного времени, причем длительность процес-са зависит от вязкости связующего, его молекулярной массы, физико-химических свойств, скорости его отверждения, размеров и структуры пор в волокне и, наконец, свойств аппрета [2, 11].

10

Достаточно часто межфазный слой является наиболее слабым ме-стом ПКМ, и именно по этой границе начинается разрушение материала.

Силы межфазного взаимодействия складываются из следующих сил (табл. 1.1):

– водородных сил (их величина составляет 4…50 Ккал/моль); – адсорбционных (их величина составляет 10…15 Ккал/моль); – донорно-акцепторных (их величина составляет 2…40 Ккал/моль); – сил Ван-дер-Ваальсового взаимодействия (их величина со-

ставляет 0,5…20 Ккал/моль). Таблица 1.1

Средние значения межмолекулярных сил

Тип связей Величина взаимодействия, Ккал/моль Химический 300…800 Водородный 4…50 Донорно-акцепторный 2…40 Адсорбционный 10…15 Ван-дер-Ваальсовый 0,5…2

Диапазон изменения сил связан с особенностями строения кон-кретных пар материалов (связующего и наполнителя).

Адсорбционные силы возникают в том случае, если полимерные молекулы ориентируются на поверхности частиц наполнителя, и воз-никает адсорбционный слой с повышенными физико-механическими характеристиками. До определенного количества наполнителя увели-чение его концентрации приводит к повышению степени структуриро-вания. Именно по этой причине широкое применение находят методы повышения активности поверхностей наполнителей.

Донорно-акцепторная связь (так же как химическая и водород-ная) является одним из видов связи с переносом заряда. Молекула, с которой имеет место переход электрона, называется донором (Д). Молекула, которая получает электрон – акцептором (А). Чтобы такой переход был возможен, они должны подойти достаточно близко друг к другу. Первоначально между молекулами полимера и наполнителя возникают дипольные взаимодействия, далее – дисперсионные, затем образуются водородные связи и только потом происходит донорно-акцепторное взаимодействие.

11

Ван-дер-Ваальсовое взаимодействие относится к межмолеку-лярным силам, которые, так же как и обычные (валентные), имеют электрическую природу, но в отличие от валентных не обладают свойством насыщаемости. Величина межмолекулярных сил опреде-ляется природой и структурой контактирующих молекул (которые мо-гут быть полярными или неполярными): чем больше расстояние, тем меньше сила. Из всех вышеназванных видов межфазного взаимодей-ствия наиболее существенными для пары материалов связующее – наполнитель являются Ван-дер-Ваальсовые силы, которые возникают не только между отдельными молекулами, но и между конденсиро-ванными фазами.

Полимерные макромолекулы (независимо от химической приро-ды) всегда характеризуются большой протяженностью и полярностью, поэтому суммарный вклад водородных, адсорбционных и Ван-дер-Ваальсовых сил, несмотря на их незначительную величину по срав-нению с химическими связями, является большим.

Свойства ПКМ в значительной степени отличаются от свойств каждого из составляющих компонентов в отдельности. Композицион-ный материал может состоять из двух, трех и более компонентов. Размеры частиц входящих компонентов могут колебаться от сотых долей микрометра до нескольких миллиметров.

Единой классификации наполнителей для полимерных мате-риалов не существует. По своей природе наполнители подразделяют на органические и неорганические, а по форме частиц – на порошко-образные (дисперсные), сферические (в виде полых микросфер) и во-локнистые. К органическим наполнителям относятся целлюлоза, дре-весная мука, угольная ткань, шунгит и др., к неорганическим – моло-тая слюда, кварцевая мука, графит, асбест и др. В качестве наполни-телей используют и газонаполненные микросферы, существенно сни-жающие массу полимера.

В данном издании мы будем условно все наполнители подраз-делять на дисперсные и волокнистые. По механизму упрочнения и со-ответственно механизму разрушения волокнистые и дисперсные на-полнители существенно отличаются между собой (табл. 1.2).

12

Таблица 1.2 Сравнение ПКМ с различными типами наполнителей

Характеристики ПКМ

Дисперсно-упрочненные Армированные волокнистыми наполнителями

Роль матрицы Несет основную нагрузку Передает нагрузку на волокно

Роль наполнителя

Упрочняет матрицу. Степень упрочнения зависит от формы частиц наполнителя, их коли-чества и распределения

Волокно несет основную нагрузку при растяжении

Степень наполне-ния, масс. ч. 1…200 65…75

Коэффициент упрочнения * 1,1…15 2…50

Прочность ПМ Зависит от прочности поли-мерной матрицы и мало зави-сит от количества наполнителя

Зависит от прочности волокон, схемы армирования и изменяет-ся пропорционально объемному содержанию волокон

Свойства ПМ Изотропные Анизотропные

Области примене-ния при ремонте машин

Устранение различных дефек-тов (раковин, трещин, коррози-онных повреждений и пр.) машин

Системы диагностирования. Уст-ранение различных типов дефек-тов (раковин, трещин, коррозион-ных повреждений и пр.) машин

* Коэффициент упрочнения представляет собой отношение предела теку-чести полимерных материалов (ПМ) к пределу текучести полимерной матрицы.

В дисперсно-наполненных ПКМ матрица несет основную нагруз-ку, а наполнитель упрочняет матрицу. Степень упрочнения зависит от формы частиц наполнителя, их количества и распределения в объеме ПКМ. Прочность дисперсно-наполненного ПКМ зависит от прочности полимерной матрицы и мало зависит от количества наполнителя.

В ПКМ, содержащих волокнистые наполнители, матрица пере-дает нагрузку на волокно, обеспечивает жесткость и перераспределя-ет напряжения. Волокно воспринимает основную нагрузку при растя-жении. Прочность ПКМ, содержащих волокнистые наполнители, зави-сит от прочности волокон, схемы армирования и изменяется пропор-ционально содержанию волокон.

Упрочняющее действие наполнителя заключается в том, что он тормозит процессы, вызывающие пластическую деформацию, которая приводит к разрушению [7]. В табл. 1.3 показано влияние различных типов наполнителей на прочностные свойства ПКМ. Как следует из приведенных в табл. 1.3 данных, увеличение количества наполнителя

13

не всегда приводит к увеличению прочности ПКМ. Введение в состав ПКМ волокнистых наполнителей в виде одиночных волокон не приво-дит к увеличению прочности, тогда как волокнистые ленточные на-полнители позволяют получать максимальное повышение механиче-ских характеристик материала детали [10].

Физико-механические свойства ПКМ в зависимости от концен-трации компонентов, их геометрических параметров и ориентации, а также технологии производства, изменяются в широких пределах [2, 6, 24]. Это обеспечивает возможность конструирования материалов с заранее заданными свойствами.

Таблица 1.3 Влияние волокнистых и дисперсных наполнителей на прочность ПМ

(ЭД-20 – 100масс.ч. + ПЭПА – 12 масс.ч.)

Тип наполнителя и его содержание в ПМ, %

Предел прочности при изгибе, МПа Коэффициент упрочнения До

наполнения После

наполнения Углеродное волокно УКН-2-500

60…90

75…110 1,2

Углеродное волокно НШ 83…119 1,36

Углеродная лента Кулон 94…150 1,8

Алюминиевая пудра: 10 25 50

69…103,5 75…112,5 78…117

1,15 1,25 1,3

Шунгит: 10 25 50

82…95 80…93 67…76

1,36 1,33 1,12

Нитрид бора: 10 25 50

84…126 96…144 102…153

1,4 1,6 1,7

1.2. Классификация ПКМ, применяемых при производстве и ремонте машин

Классификация ПКМ может осуществляться по различным кри-териальным признакам (рис. 1.4):

– по типу используемого связующего;

14

– по типу используемого наполнителя; – по типу ориентации армирующих компонентов (схеме арми-

рования); – по назначению; – по эксплуатационным свойствам. По типу используемого связующего ПКМ подразделяются на

термопластичные и термореактивные (подробнее влияние связующе-го на свойства ПКМ рассмотрено в разд. 2.2).

По типу используемого наполнителя ПКМ подразделяются на дисперно- и волокнисто-наполненные (влияние различных типов на-полнителей на свойства ПКМ рассмотрено в разд. 2.3 и 2.4). ПКМ, со-держащие в качестве наполнителя волокна (ткани, ленты, нити, жгу-ты), получили название по упрочняющему волокну. Так, композицию, содержащую наполнитель в виде длинных стекловолокон, распола-гающихся ориентированно отдельными прядями, называют ориенти-рованным стеклопластиком [12]. Неориентированные стеклопластики содержат в качестве наполнителя короткое волокно. ПКМ, содержа-щий углеродное волокно, называют углепластиком, борное волокно – боропластиком, органическое волокно – органопластиком (органитом). Использование различных наполнителей позволяет создавать мате-риалы с заданными свойствами.

По типу ориентации армирующих компонентов композиционные материалы подразделяют на изотропные и анизотропные.

Изотропные композиционные материалы имеют одинаковые свойства во всех направлениях. К этой группе относят композицион-ные материалы с порошкообразными наполнителями [4, 10].

ПКМ, армированные короткими (дискретными) волокнами, назы-вают квазиизотропными, т.е. изотропными в объеме всего изделия, но анизотропными в микрообъемах.

У анизотропных материалов свойства зависят от направления армирующего материала. Их подразделяют на однонаправленные, слоистые и трехмернонаправленные [6, 25]. В промышленности также широко применяются так называемые гибридные композиционные материалы, состоящие из трех и более компонентов.

15

Рис. 1.4. Классификация ПКМ по различным критериальным признакам

По назначению различают материалы для изготовления кор-пусных деталей, устройств и передач (зубчатых, червячных, ремен-

Классификация ПКМ

По типу связующего

По типу ар-мирования

По типу на-полнителя

По назначению

Термопластичные

Для корпусных деталей

Для деталей устройств и передач

Для емкостей

Для трубопроводов

Для уплотнений

Термореактивные

Волокнистые

Дисперсные

Гибридные

Изотропные

Анизотропные

16

ных), материалы для изготовления емкостей, трубопроводов, уплот-нений. В зависимости от назначения ПКМ иногда классифицируют по эксплуатационным свойствам (термостойкие, фрикционные, анти-фрикционные и др.).

1.3. Области применения ПКМ в машиностроении и смежных отраслях

В настоящее время полимерные композиционные материалы применяются в различных областях промышленности [2, 6, 24, 26]:

– в строительстве – при производстве железобетона (стальная арматура – наполнитель, цементобетон – матрица), ДСП (деревянная стружка и клей) и др.;

– в авиации – при изготовлении обшивки, обтекателей и фюзе-ляжей самолетов, элементов отделки салонов, рулей, стабилизато-ров, шасси и др.;

– в автомобилестроении – при производстве кузовных деталей, элементов отделки кабины и др.

На рис. 1.5 показано соотношение объемов производства изде-лий из стали и ПКМ по годам. Анализ данных показывает, что доля изделий из ПКМ с каждым годом существенно увеличивается.

Рис. 1.5. Объемы производства изделий из стали и ПКМ по годам, млн м3 [3]

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

ПКМСталь

17

В машиностроении в настоящее время широко применяют ком-позиционные материалы на основе фторопласта для изготовления подшипников скольжения, манжет, уплотнительных колец, прокладок гидравлических систем (станков, автомобилей), механических уст-ройств, уплотнений поршневых и плунжерных компрессоров, направ-ляющих тросов автомобилей, промышленных и строительных машин, скользящих опор машин, дисков сцепления для точных механизмов, деталей систем управления, системы нейтрализации газа, системы реверсивного устройства двигателя [6, 25].

Одним из наиболее распространенных на сегодняшний день видов неметаллических материалов является капролон – материал конструкционного и антифрикционного назначения, применяемый в различных отраслях промышленности для изготовления таких дета-лей, как [6, 25]:

– втулок, подшипников скольжения, облицовок, направляющих и вкладышей узлов трения, работающих при нагрузке до 20 МПа;

– шкивов, блоков, колес и роликов грузоподъемных механизмов с тяговым усилием до 30 т, гидравлических тележек, кран-балок, транспортеров, конвейеров;

– корпусов, кронштейнов для различных приборов и автоматов, ступиц колес тележек, вагонеток, вакуумных и карусельных фильтров, к которым предъявляются повышенные требования по ударопрочности;

– шестерен, звездочек и червячных колес для приводов редук-торов (снижают вибрации и уровень шума до 15 ДБ);

– деталей уплотнения (вместо фторопласта) для дозаторов, се-параторов, арматуры, оборудования для производства резино-технических изделий (РТИ) и манжет для систем высокого давления (до 500 атм).

Капролон имеет низкий коэффициент трения в паре с любыми металлами, хорошо и быстро прирабатывается, в 6…7 раз легче брон-зы и стали, которые им заменяют. Этот материал не подвержен корро-зии, не токсичен, экологически чист. Известно, что изделия из капроло-на в 2 раза снижают износ пар трения, повышая их ресурс [23].

18

Особо следует отметить технологичность ПКМ. Более низкая температура плавления, высокий уровень пластичности, хорошая об-рабатываемость неметаллических материалов обеспечивают значи-тельные преимущества в технологичности производства из них изде-лий машиностроения. Кроме того, снижение шума, вибрации, динами-ческих нагрузок, рабочей температуры в сочетании с повышением коррозионной стойкости и надежности изделий из ПКМ позволяют от-казаться от ряда специальных проектно-конструкторских и технологи-ческих мероприятий, направленных на обеспечение комфорта и безо-пасности машин. Применение ПКМ обеспечивает значительную эко-номическую эффективность.

Основным назначением ПКМ остается обеспечение комфортных условий эксплуатации машин. Расширение применения ПКМ в маши-ностроении объясняется также необходимостью обеспечения совре-менных экологических норм (Правила ЕЭК ООН № 51) и норм безо-пасности.

Пример применения композиционных материалов в автомоби-лестроении в настоящее время показан на рис. 1.6, в строительно-дорожном машиностроении – на рис. 1.7.

Рис. 1.6. Детали автомобилей, производимые из ПКМ

19

Рис. 1.7. Основные области применения ПКМ при производстве и ремонте дорожно-строительных машин

В табл. 1.4 приведены некоторые примеры областей примене-ния ПКМ на основе термопластичных и термореактивных связующих.

Как показывает мировой опыт [6, 24, 28], в ряде тяжелонагружен-ных узлов дорожно-строительных машин альтернативы использованию деталей из ПКМ нет. Это относится, например, к применению в конст-рукции балансирного узла дорожной машины«Caterpillar-16G» и авто-грейдера ДЗ-140А втулок и шайб из ПКМ. Опыт лабораторной отработ-ки балансирного узла и натурных испытаний автогрейдера ДЗ-140А подтвердил правильность принятых конструктивных решений и пер-спективность использования ПКМ в узлах трения дорожных машин [27].

В зависимости от поставленных задач можно подобрать ПКМ, обладающие высокой эластичностью или механической прочностью, относительно низкой удельной массой, термической и химической стабильностью, высокими электроизоляционными характеристиками или хорошей электропроводимостью, оптической прозрачностью или непроницаемостью и т.п.

Частично из углепластика в последние годы изготавливают на-кладки ведомого диска сцепления (при их производстве также исполь-

Элементы ходовой части

Элементы отделки кабин, сиденье

Элементы двигателя и ходовой части

Элементы навесного рабочего

оборудования

Корпусные элементы кузовов, крылья, фартуки, капоты и др.

Шумо- и теплоизо-

ляция

Детали систем управления, фары, фонари Элементы

гидросистем

20

зуются органопластики, а в качестве дисперсного наполнителя приме-няют керамику). По фрикционным свойствам они существенно пре-восходят всех своих предшественников и дополнительно отличаются повышенной (в 2…4 раза) четкостью включения сцепления и тепло-стойкостью. Однако все-таки самым большим преимуществом дисков из ПКМ является их высочайшая долговечность и надежность, что связано с тем, что они не изнашивают рабочие поверхности махови-ков и прижимных дисков.

Таблица 1.4 Области применения ПКМ

Материал Области применения ПКМ на основе термопластичных связующих

Полиэтилен низкой плотности

Шланги, заглушки, листы, пленки для упаковки, бочки и др. детали бытового назначения

Полиэтилен высокой плотности

Мебельная фурнитура, вентиляционные короба, крышки и детали с повышенными механическими свойствами

Фторопласт Уплотнительные кольца, арматура трубопроводов, сальники, подшипники

Поливинилхлорид Трубы и шланги строительного назначения, вибропоглощающие прокладки, уплотнители

Поликарбонат Детали светотехнических приборов, конденсаторная пленка, детали экстерьера

Полиамиды Антифрикционные и электроизоляционные изделия, подшипни-ки, муфты, шестеренки, электроустановочная арматура

Полипропилен Ручки, гайки и корпуса аппаратуры, фильтровальные ткани, канаты, корпуса аккумуляторов

ПКМ на основе термореактивных связующих

Фенопласты Изделия с повышенными диэлектрическими свойствами, работающие при повышенной влажности, циклических температурах и вибрациях

Аминопласты Дуго- и крекингостойкие детали, применяемые в узлах зажигания автомобилей

Стеклопластики Корпусные детали

Органопластики Бронежилеты и др. изделия с повышенной устойчивостью к воздействию ударных нагрузок

Углепластики Конструкционные детали и изделия самого широкого назначения

В табл. 1.5 приведены данные о температуре и продолжитель-ности эксплуатации различных типов ПКМ.

Сейчас в конструкциях современной автомобильной техники черные металлы составляют около 60…70%; цветные металлы – 5…7%; полимерные композиционные материалы – 9…13%; текстиль – 4%; стекло – 3% [2, 6, 24].

21

Возможность создания неметаллических материалов с заранее заданными физико-механическими свойствами обеспечивает опти-мальные эксплуатационные свойства деталей машин и позволяет значительно повысить их безотказность и долговечность.

Таблица 1.5 Продолжительность эксплуатации деталей из ПКМ

при различных температурах

Химическая основа связующего

Области применения

Температура эксплуатации, °С

Продолжитель-ность эксплуата-

ции, ч

Эпоксидное Восстановление посадочных мест ≈150 ≤30000

Фенольное Дисковые тормозные колодки ≈150 ≤35000

Акрилатное Крепление кронштейнов ≤100 ≤10000

Кремнийорганическое Герметизация соединений ≤100 ≤5000

Меньшая по сравнению с металлами удельная масса большин-ства ПКМ обеспечивает возможность значительного снижения массы изделий машиностроения, что в свою очередь обеспечивает снижение энергетических и эксплуатационных затрат в течение всего жизненно-го цикла машин. Особенности строения, структуры и производства ПКМ обеспечивают возможности снижения затрат на их утилизацию после завершения жизненного цикла машины.

Важным является и то, что в отходы при изготовлении деталей из полимерных композитов идет не более 10…30% материала, в то время как у аналогичных деталей из высокопрочных сплавов алюми-ния и титана, применяемых в авиации, отходы могут в 4…12 раз пре-вышать массу изделия [24].

Кроме того, при изготовлении деталей из ПКМ требуются мень-шие трудовые и энергетические затраты, уменьшается количество производственных циклов. В табл. 1.6 приведены средние удельные затраты энергии при изготовлении материала и изделий из металлов и армированного пластика на основе углеродных волокон и эпоксид-ного связующего (углепластик).

22

Таблица 1.6 Удельные затраты энергии, кВт·ч, на производство изделий

из различных материалов [3]

Материал Удельные затраты энергии, кВт·ч

Расчет на 1 кг материала

Расчет на 1 кг изделия

Углепластик 33…35 72…74 Алюминий 48…50 390…395 Сталь 35…37 220…225 Титан 188…190 1540…1550

Таким образом, применение ПКМ обеспечивает существенную экономическую эффективность. Но применение ПКМ для производства изделий машиностроения требует предварительного глубокого изучения строения материалов и закономерностей изменения их физико-механических свойств в специфических условиях эксплуатации машин.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение полимерного композиционного материала. 2. Какие свойства ПКМ определяются в основном связующим? Ка-

кими свойствами должно обладать связующее в «идеальном» случае? 3. Какие свойства ПКМ зависят в основном от наполнителя? Каки-

ми свойствами должен обладать наполнитель в «идеальном» случае? 4. Дайте определение межфазного слоя. Какие силы определя-

ют межфазное взаимодействие на границе матрица – наполнитель? 5. Какую основную функцию выполняют наполнитель и связую-

щее в дисперсно-упрочненном ПКМ? 6. Какую основную функцию выполняют наполнитель и связую-

щее в ПКМ, армированных волокнами? 7. От каких факторов зависит степень упрочнения матрицы в

дисперсно-наполненных ПКМ? 8. От каких факторов зависит прочность ПКМ, содержащих во-

локнистые наполнители? 9. Дайте определение и приведите примеры изотропных и ани-

зотропных материалов. 10. Назовите основные области применения ПКМ при производ-

стве машин.

23

2. ДЕФОРМАЦИОННО-ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И

МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Ресурс и срок службы изделий из полимерных композиционных материалов зависят от их способности воспринимать без разрушения статические и динамические нагрузки при длительном воздействии климатических факторов. Ниже рассмотрены основные свойства ПКМ и наиболее распространенные методы испытаний, которые использу-ются при создании деталей машин из ПКМ.

2.1. Прочностные и вязкоупругие свойства ПКМ

Под термином «прочность» понимают способность материала воспринимать внешние нагрузки, при действии которых в ПКМ возни-кают внутренние механические напряжения. Если значения напряже-ний равны или превышают величину разрушающего напряжения, то ПКМ разрушается. Прочность ПКМ является сложной функцией упру-гих и релаксационных свойств. В процессе эксплуатации деталей, из-готовленных или восстановленных с использованием ПКМ, эти свой-ства непрерывно меняются.

Оценивая прочность деталей из ПКМ, чаще всего используют два понятия [11]:

– напряжение, которое определяет уровень нагруженности; – разрушающее напряжение, которое определяет предел нагру-

женности. Прочностные свойства деталей из ПКМ существенным образом

зависят от условий нагружения (табл. 2.1). Детали изделий машино-строения в процессе работы испытывают самые различные по харак-теру нагрузки (рис. 2.1): работают на растяжение, сжатие, изгиб, кру-чение, срез и т.д. или подвергаются совместному действию несколь-ких видов нагружения (например, растяжению и изгибу). В соответст-вии с этим существует множество методов механических испытаний, позволяющих учесть характерные для конкретной детали из ПКМ ви-ды нагружения, режимы работы и условия эксплуатации.

24

Таблица 2.1 Условия нагружения и факторы, определяющие прочность ПКМ

Условия нагружения Основные факторы Вспомогательные факторы

Поперечное растяжение

– когезионная прочность полимерной матрицы; – адгезионная прочность на границе раздела волокно-полимерная матрица

– концентрация пор; – внутренние напряжения

Продольное растяжение

– угол к оси волокна, под кото-рым прикладывается нагрузка; – объемное содержание волокна

Прочность при межслоевом сдвиге

– адгезионная прочность на границе раздела волокно-полимерная матрица

Продольное сжатие – жесткость матрицы; – объемное содержание волокна

Поперечное сжатие – адгезионная прочность на границе раздела волокно-полимерная матрица

Рис. 2.1. Схемы деформации при разных способах нагружения: а – растяжение, б – сжатие, в – изгиб, г – кручение (пунктиром показана начальная форма образцов)

В зависимости от направления действия вектора внешней на-грузки напряжения подразделяют на нормальные σ и касательные (или тангенциальные) τ:

;pNS

σ = (2.1)

;uMW

σ = (2.2)

а б в г

25

;cNS

τ = (2.3)

кр ,kpp

MW

τ = (2.4)

где σp – нормальные напряжения растяжения (сжатия); σu – нормаль-ные напряжения изгиба; М – изгибающий момент от действия прило-женного усилия; W – момент сопротивления сечения; N – приложен-ное усилие; S – площадь наименьшего по вектору поперечного сече-ния; Мкр – приложенный крутящий момент; Wр – полярный момент со-противления сечения образца.

Расчетные значения напряжений не должны превышать допус-тимых величин [ ], [ ] :σ τ

[ ] ,p

nσ

σ = (2.5)

[ ] ,c

nτ

τ = (2.6)

где n – коэффициент запаса прочности. Для обеспечения работоспособности изделий из ПКМ необхо-

димо выполнение условий [ ]σ ≤ σ и [ ].τ ≤ τ Следует различать понятия длительной прочности и выносливо-

сти [4], хотя обе эти величины измеряют в МПа и достаточно часто определяют при различных температурных условиях. Длительная прочность определяется в результате испытаний при статической на-грузке в течение установленного промежутка времени, тогда как вы-носливость определяет прочность после воздействия определенного числа циклов нагружения (табл. 2.2). Как правило, значения выносли-вости меньше длительной прочности.

Изучение выносливости и длительной прочности ПКМ имеет большое практическое значение, поскольку такие виды нагружения отражают условия эксплуатации деталей машин.

При длительном воздействии на ПКМ постоянной нагрузки раз-виваются деформации ползучести (иногда вместо длительной проч-ности при статических нагрузках говорят о явлении «ползучесть»), ко-

26

торые при нагрузках, превышающих определенное значение (выше пределов долговременного сопротивления), приводят к разрушению материала. Некоторые значения коэффициентов запаса прочности в зависимости от вида нагрузки, способа изготовления, условий сборки и др. факторов приведены в табл. 2.3 [5, 10, 14, 25].

Таблица 2.2 Пределы длительной прочности и выносливости фенольных ПКМ,

используемых при изготовлении тормозных колодок [6]

Длительная прочность, МПа Выносливость, МПа

Время испытаний, ч

При температуре испытаний, °С Число

циклов

При температуре испытаний, °С

20,0 30,0 20,0 30,0 1 9,5 5,0 10000 7,0 3,2 10 9,0 4,8 100000 6,8 2,9 100 8,8 4,6 1000000 6,3 2,4 1000 6,5 1,2 10000000 6,0 1,8

Таблица 2.3 Значения коэффициентов запаса прочности для ПКМ

Группа параметров Наименование параметра

Значения коэффициентов запаса прочности

Прочностные показатели

Растяжение 1,4…1,8 Сжатие 1,1…0,65 Изгиб 1,0…1,1 Кручение 1,4…1,6

Технология формования

Литье под давлением 1,05…1,1 Прессование 1,05…1,15 Намотка 1,1…1,15 Экструзия 1,0…1,05

Вид нагрузки

Статический 1,0 Циклический 1,2 Циклический знакопеременный 1,5

Наличие агрессивных сред

Вода 1,1 Горячая вода 1,4 Пар 1,5 Разбавленные кислоты или щелочи 1,2

Концентрированные кислоты или щелочи 2,0

При приложении усилий может иметь место изменение геомет-рических размеров деталей из ПКМ, которое чаще всего оценивают понятием «относительное удлинение» ε:

27

0

100%,llΔ

ε = (2.7)

где l0 – исходный размер ненагруженного образца; Δl – изменение размера образца под действием приложенной силы.

Относительное удлинение при растяжении εp определяют пу-тем растяжения образцов с постоянной скоростью до разрыва. При проведении испытаний проводят измерение силы при заданных удли-нениях и в момент разрыва образца, а также удлинение образца в мо-мент разрыва. Образец для испытаний изготавливается из ПКМ мето-дом заливки в форму и имеет форму двухсторонней лопатки. Форма образцов для определения механических характеристик ПКМ устанав-ливается следующими стандартами: ГОСТ 11262-80 «Пластмассы. Ме-тод испытания на растяжения» (рис. 2.2 – а) и ГОСТ 12015-66 «Пласт-массы. Изготовление образцов для испытания из реактопластов. Об-щие требования» (рис. 2.2 – б). Испытания проводят при температуре (23±2)°С и скорости движения активного захвата (500±50) мм/мин. До-пускается проводить испытания при повышенных температурах.

По результатам испытаний получают диаграмму растяжения, за-писанную в координатах деформация – нагрузка, пример которой при-веден на рис. 2.3 [6].

На участке 0–I зависимость ( )N f= ε практически пропорцио-нальна и имеет характер, близкий к линейному. Такая ситуация соот-ветствует упругому поведению материала (в соответствии с законом Гука σ = Е·ε). Таким образом, в начальный момент времени ПКМ ве-дет себя как упругое тело, деформация которого полностью обратима.

На участке I–II графическая зависимость приобретает криволи-нейный характер (с увеличением относительной деформации). Когда величина относительной деформации достигает нескольких процен-тов, рост напряжений замедляется. Это объясняется тем, что кроме упругой, проявляется и пластическая деформация.

Далее, величина деформации при практически постоянном на-пряжении характеризуется большими относительными деформация-ми, которые имеют обратимую и необратимую составляющую. На участке II–III преобладает пластическая деформация.

28

Рис. 2.2. Форма образцов для механических испытаний: по ГОСТ 11262-80 «Пластмассы. Метод испытания на растяжения» – а и

по ГОСТ 12015-66 «Пластмассы. Изготовление образцов для испытания из реактопластов. Общие требования» – б

Рис. 2.3. Зависимость усилие – относительная деформация растяжения ПКМ (без разрушения)

Таким образом, при нагружении в деталях из ПКМ одновременно развивается не одна, а два вида деформации – упругая и пластическая.

0

N

ε

I

IIIII

а

б

29

Пластичность характеризует свойства твердых тел деформи-роваться под действием нагрузки и, как только нагрузка исчезает, мгновенно возвращаться в исходное состояние с сохранением перво-начальной формы и размеров. Получаемая энергия «хранится» в ма-териале. Общим свойством всех твердых тел является их пластич-ность до определенного предела, который называют пределом упру-гости. За этим пределом пластическая деформация становится необ-ратимой и часть энергии рассеивается в виде тепла.

Характеристиками пластичности являются: относительное удли-нение образца после разрыва и относительное сужение образца по-сле разрыва (эти величины измеряются в процентах).

По соотношению жесткости и пластичности ПКМ принято под-разделять на четыре группы:

– материалы с очень высокой жесткостью, но с небольшой пла-стической деформацией. Таким материалам свойственна повышенная хрупкость;

– материалы со средними значениями жесткости в сочетании с небольшими деформационными характеристиками (σγ ≈ 100 МПа, εγ ≈ ≈ несколько %). Примерами таких полимеров являются эпоксидные материалы, в состав которых введены аморфные полимеры с повы-шенной температурой стеклования (например, полисульфоны);

– материалы со средней жесткостью в сочетании с высокой эла-стичностью, что способствует рассеиванию энергии (такими свойст-вами обладает полиэтилен);

– материалы с очень высокими значениями деформаций, но не обладающие пластичными свойствами.

Упругие характеристики ПКМ Отличительной особенностью ПКМ, по сравнению с остальными

конструкционными материалами, является существенная зависимость модуля упругости от температуры. Для определения упругих характе-ристик ПКМ используется метод динамомеханического анализа (ДМА) (рис. 2.4). Типовой прибор ДМА (DMA 242 E Artemis) состоит из изме-рительной части, систем нагрева и охлаждения, а также контролле-

30

ров. Методика проведения испытаний регламентируется следующими стандартами: DIN 53513, DIN 53440, ASTM D 4065, ASTM D 4092) [17].

Рис. 2.4. Общий вид прибора DMA 242 E Artemis

При использовании методов ДМА могут применяться образцы различной геометрической формы, но чаще всего используются пло-ские прямоугольные образцы, к которым прикладывается осцилли-рующая нагрузка, амплитуда и частота которой могут задаваться в широком диапазоне (например, частота может изменяться в диапазо-не от 100 до 0,01 Гц). Авторы работы [16] при определении упругих характеристик ПКМ рекомендуют следующие режимы испытаний: час-тота колебаний 1 Гц; амплитуда 60 мкм; динамическая сила 7 Н; ста-тическая сила 0,5 Н; коэффициент пропорциональности 1,1; скорость подъема температуры 2 К/мин.

При проведении испытаний методом ДМА могут использоваться различные виды нагружения: изгиб (двух- или трехточечный), растя-жение, сжатие или сдвиг. Наибольшее распространение получил трехточечный изгиб (рис. 2.5).

С помощью метода ДМА определяют модули упругости и потерь, а также тангенс угла механических потерь.

Модуль упругости E' (этот показатель также называют модулем сохраняемости или модулем накопления) характеризует способность материала накапливать энергию, т.е. представляет собой меру жест-кости ПКМ.

31

Рис. 2.5. Внешний вид образца ПКМ при испытании на трехточечный изгиб

Модуль потерь E'' (этот показатель также называют модулем вязкости) характеризует способность материала рассеивать энергию (в том числе и тепловую). Именно эта характеристика ПКМ является мерой его демпфирующих свойств.

Тангенс угла механических потерь tgδ представляет собой от-ношение между модулем потерь и модулем упругости:

tg .EE′′

δ =′

(2.8)

Этот показатель характеризует механическое демпфирование или внутреннее трение ПКМ. Комплексное значение модуля упругости Е* для ПКМ равно: * ,E E jE′ ′′= + (2.9) где j – комплексный коэффициент.

Зависимость значений тангенса угла механических потерь от температуры (рис. 2.6) достаточно часто используют и при определе-нии значений температуры стеклования, поскольку именно этот метод является одним из наиболее точных (в точке температуры стеклова-ния имеет место перегиб кривой).

Чаще всего упругие свойства ПКМ определяются разработчика-ми в процессе обоснования оптимального состава материала.

Модуль упругости при деформации сдвига G (модуль сдвига), определяется из уравнения: G = E/2 (1 + μ), (2.10)

32

где μ – коэффициент Пуассона, характеризующий измерение попе-речного сечения в процессе продольного растяжения; E – модуль уп-ругости.

Модуль упругости является интегральной характеристикой, дающей представление, прежде всего, о жесткости конструкционного материала.

Рис. 2.6. Типовая зависимость тангенса угла механических потерь от температуры

В процессе эксплуатации (нагружения) деталей из ПКМ в них происходят явления релаксации.

Релаксация – это физический процесс перехода системы в рав-новесное состояние, адекватное изменившимся внешним энергетиче-ским условиям. Размерность релаксации – время. По существу, именно релаксационные процессы являются причиной изменения свойств ПКМ.

Различают релаксацию напряжений и релаксацию деформаций (ползучесть). Релаксация напряжений при неизменной деформации (ε = const) описывается уравнением Максвелла

0 ,reτ⎛ ⎞−⎜ ⎟

⎝ ⎠τσ = σ (2.11)

где τσ – напряжение, действующее в изделии через интервал вре-

мени τ; 0σ – исходное значение напряжений при τ = 0; r – время ре-

лаксации.

33

Релаксация деформации при постоянном напряжении (σ = const) описывается уравнением Кельвина-Фойгта:

0 1 ,reE

τ⎛ ⎞−⎜ ⎟⎝ ⎠

τ

⎛ ⎞σ ⎜ ⎟ε = −⎜ ⎟⎝ ⎠

(2.12)

где τε – относительная деформация изделия за время τ; 0σ – напря-

жение, приложенное к изделию; Е – модуль упругости материала из-делия; r – время релаксации.

В зависимости от свойств ПКМ релаксация может продолжаться от нескольких минут до десятков часов. Увеличение температуры спо-собствует ускорению релаксации напряжения и ползучести.

Способность ПКМ сопротивляться нагрузкам, приложенным с большой скоростью, оценивают ударной вязкостью (иногда эту ве-личину называют ударной прочностью). Ударная вязкость – это спо-собность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки. Ударная вязкость – это широко распространенная характеристика ПКМ, кото-рая не имеет никакого отношения к реологической вязкости. Основ-ным отличием ударных нагрузок от испытаний на растяжение – сжа-тие или изгиб является более высокая скорость выделения энергии. Таким образом, ударная вязкость характеризует способность мате-риала к быстрому поглощению энергии.

Определяется ударная вязкость при испытании ПКМ на попе-речный удар, ударное растяжение, ударное сжатие или многократный удар. Наибольшее распространение получил метод оценки ударной вязкости при поперечном ударе, который реализуется на маятниковых копрах. В современных копрах измерительное устройство располага-ется непосредственно в маятнике и фиксирует усилие разрушения и длительность импульса.

Ударная вязкость ка определяется по ГОСТ 19109-84:

к0

,WаS

= (2.13)

(cos cos ),W mgl= β − α (2.14)

34

где W – работа, необходимая для разрушения образца; S0 – площадь поперечного сечения, измеренная в плоскости симметрии надреза; m – масса маятника; g – ускорение свободного падения; l – длина маятника.

Сущность данного метода заключается в разрушении консольно-закрепленного образца с надрезом ударом маятника поперек образца на определенном расстоянии от места закрепления. Образец для ис-пытаний представляет собой пластинку размером 55х10х10. По цен-тру пластины делают надрез 2х2. Образец должен разрушиться за один удар маятника по стороне, противоположной надрезу. Скорость нагружения зависит от угла падения α и составляет 3…7 м/с.

а

б

в

Рис. 2.7. Образец для определения вязкости разрушения ПКМ – а; схема приложения нагрузки – б и типичная кривая разрушения – в:

F – сила при распространении трещины; h – толщина балки; L – длина трещины; θ – угол изгиба балки; H – расстояние между концами балки

35

Трещиностойкость ПКМ оценивают через величину вязкости разрушения. Для количественной оценки величины вязкости разруше-ния ПКМ наибольшее распространение получил метод изгиба упругой балки [9, 15]. При реализации данного метода образец из ПКМ, в ко-тором сделан надрез (создана искусственная трещина), закрепляют в приспособление для растяжения таким образом, чтобы происходил рост трещины (рис. 2.7 – а). Схема приложения нагрузки и типичная кривая разрушения показаны на рис. 2.7 – б, в). Образец из ПКМ рас-тягивается со скоростью 1 мм/мин и усилие постепенно нарастает до определенного значения, затем трещина практически мгновенно уве-личивается на некоторую величину, и в этот момент времени нагрузка скачкообразно падает [9]. Так повторяется несколько раз до полного разрушения (раскалывания) образца.

Трещиностойкость характеризуют критическим значением рас-крытия δс, при котором начинается распространение трещины: G1c ≈ σуδс, (2.15) где σy – предел текучести ПКМ; G1с – вязкость разрушения.

ПКМ используются в соединениях машин, работающих при вы-соких динамических нагрузках. В таких условиях эксплуатации важно определение демпфирующих свойств ПКМ. В условиях динамических нагрузок основными параметрами, позволяющими определить демп-фирующие свойства полимеров, являются: тангенс угла потерь, ко-эффициент потерь, логарифмический декремент, коэффициент по-глощения. Указанные величины можно определить по следующим со-отношениям:

0

1

ln ;AA

δ = (2.16)

;2

η =ψπ

(2.17)

,WWΔ

ψ = (2.18)

где δ – логарифмический декремент колебаний; η – коэффициент по-терь; ψ – коэффициент поглощения; ∆W – часть энергии деформаций,

36

поглощенной материалом за один цикл; W – потенциальная энергия материала; A0 – начальная амплитуда колебаний; A1 – последующая амплитуда колебаний.

Демпфирование ПКМ объясняется теорией релаксации, в основе которой лежит процесс перехода системы к термодинамическому рав-новесию. Время, в течение которого осуществляется данный переход, называется временем релаксации. Считается, что наиболее высокая удельная демпфирующая способность проявляется у полимеров при температуре стеклования Тс. В этот период происходит увеличение сегментальной подвижности цепей полимера. Последняя в свою оче-редь связана с внутренним вращением в молекулярной цепи, а также с межатомными расстояниями. Вращение определяется формами внут-римолекулярных движений атомных групп вокруг осей [6, 26].

С увеличением плотности пространственной сетки полимера воз-растает температура стеклования и, следовательно, область эффек-тивного вибропоглощения смещается в сторону более высоких темпе-ратур. Увеличение демпфирующей способности ПКМ возможно осуще-ствить несколькими способами, основными из которых является введе-ние пластификаторов или наполнителей. Пластификаторы позволяют снизить температуру стеклования и тем самым снизить область эф-фективного вибропоглощения в сторону более низких температур. Смещение Тс происходит пропорционально площади поверхности на-полнителя и возрастает с повышением содержания наполнителя или уменьшения размеров его частиц, так как эффект обусловлен адсорб-ционным взаимодействием полимер – наполнитель. Адсорбция поли-мера на поверхности наполнителя ограничивает подвижность макро-молекул, изменяет плотность упаковки полимерных цепей, их конфор-мацию и ориентацию вблизи твердой поверхности [26].

На демпфирующие способности ПКМ также влияет размер напол-нителей. При увеличении содержания наполнителя наблюдается сни-жения коэффициента потерь и увеличение модуля упругости. Для улуч-шения вибропоглощающих свойств ПКМ необходимо, чтобы модуль уп-ругости наполнителя был выше модуля упругости полимера [6, 26].

37

Можно оценивать прочностные свойства не только готовых ПКМ, но и их компонентов (матриц, волокон, тканей). Матрицы, так же как и ПКМ, оцениваются при испытаниях на растяжение, сжатие и изгиб, волокна (ткани) испытывают только при растяжении. Деформацион-ные свойства матриц и волокон определяют по характеристике – от-носительное удлинение. По этому показателю матрицы различной химической природы отличаются между собой на несколько порядков, например, относительное удлинение матриц на основе эпоксидной смолы не превышает, как правило, 1…3%, тогда как этот показатель для кремнийорганической матрицы может составлять 300% и более.

2.2. Определение твердости ПКМ

Значение разрушающих напряжений можно с высокой степенью точности определить, измеряя твердость ПКМ, Под твердостью пони-мают способность материала сопротивляться вдавливанию в него дру-гих тел. Твердость характеризует механические свойства поверхности и является одной из важнейших характеристик материалов. Она опреде-ляет механические свойства. Твердость, наряду с прочностью, характе-ризует способность материала сопротивляться деформированию. По величине твердости можно судить о модуле упругости, значении коэф-фициента Пуассона, пределе текучести и разрушающем напряжении.

Различают относительную и абсолютную твердость. Относи-тельной называют твердость одного материала относительно другого. Она является важнейшим диагностическим свойством. Абсолютная твердость (она же инструментальная) измеряется методами вдавли-вания. Твердость характеризует механические свойства поверхности.

Методы определения твердости основаны на том, что в испыты-ваемый материал вдавливают индентор и пластическую деформацию материала рассматривают как меру твердости [6]. Известные методы измерения твердости отличаются геометрией индентора. По методу Бринелля вдавливают стальной шарик (рис. 2.8 – а), по методу Рок-велла – конус (рис. 2.8 – б), по методу Виккерса – алмазную пирамид-ку (рис. 2.8 – в). При оценке твердости измеряют либо глубину вдав-ливания индентора h, либо размеры получаемого отпечатка l, d.

38

При определении твердости по Бринеллю шарик в течение уста-новленного времени вдавливается с определенной силой в испытывае-мый образец. При стандартных измерениях нагрузка на шарик устанав-ливается из условия его вдавливания на глубину не менее 0,15 мм, но не более 0,35 мм. Продолжительность приложения усилия – 2 мин, точ-ность отсчета глубины вдавливания – не менее 0,01 мм. В результате на поверхности образца появляется отпечаток в виде части сферы диа-метром d и глубиной h.

Значение твердости по Бринеллю (НВ) рассчитывают из выра-жения:

,NHBdh

=π

(2.19)

где N – усилие, приложенное к индентору; d – диаметр шарика; h – глубина вдавливания.

а б в

Рис. 2.8. Схемы инденторов при определении твердости по Бринеллю – а, Роквеллу – б и Виккерсу – в

Значение остаточной деформации h1 определяют через 60 с по-сле снятия нагрузки.

Величина модуля упругости Е может быть определена из вы-ражения:

1

.3

NEh hd

= (2.20)

Значение коэффициента Пуассона ν соответственно равно:

39

41 ,6

hK dEN

ν = − (2.21)

11 .hhKh

= − (2.22)

Можно для предварительной оценки также использовать эмпи-рические зависимости при определении разрушающего напряжения σр или предела текучести σT:

0,930,86 ,p HBσ = (2.23)

0,930,35 .T HBσ = (2.24)

Твердость по Виккерсу (HV) определяют аналогично, как по Бри-неллю. Различие заключается лишь в твердости и форме индентора. Для определения площади отпечатка измеряют его диагональ d при помощи микроскопа. При указанном выше угле пирамиды число твер-дости по Виккерсу вычисляется по формуле: HV = 0,189F/d2. (2.25)

Определение твердости по методу Роквелла (HR) является са-мым распространенным видом технологического контроля металли-ческих деталей и весьма ограниченно применяется при контроле ПКМ. Твердость по Роквеллу, выражаемую в условных единицах, вычисля-ют как линейную функцию разности глубин, на которые вдавливается конический индентор под действием двух последовательно прикла-дываемых нагрузок – предварительной F0 и общей F, которая равна сумме предварительной и основной F1 нагрузок: HR = A – (h – ho)/c, (2.26) где А – некоторая постоянная, которая выбирается в зависимости от применяемой шкалы; ho – глубина вдавливания при действии предвари-тельной нагрузки; h – глубина вдавливания при действии общей нагруз-ки, измеренная после снятия основной; С – цена деления шкалы изме-рительного устройства в условных единицах твердости (С = 0,002 мм); для шкал А и С принимают A = 100 мкм, а для шкалы В – А = 130 мкм. Нагрузки при измерении по методу Роквелла строго регламентированы: предварительная – 98 Н, общие – 589, 981 и 1471 Н.

40

Для определения твердости относительно мягких материалов по Роквеллу вместо алмазного конуса используется стальной закаленный шарик диаметром 1,588 мм. Чаще всего на практике применяется шка-ла С. Шкала А применяется для очень твердых материалов, например твердых сплавов, а шкала В – при использовании сферического инден-тора. Число твердости по Роквеллу обозначается через HR с добавле-нием обозначения соответствующей шкалы: HRA, HRC, HRB [6].

По твердости оценивают возможные области применения ПКМ. Мягкие, эластичные, имеющие низкую твердость ПКМ используются в качестве герметизирующих, уплотнительных и прокладочных мате-риалов. Твердые и прочные ПКМ могут применяться в производстве деталей конструкционного назначения: зубчатых колес и венцов, тя-жело нагруженных подшипников, деталей резьбовых соединений и пр.

Характеристикой контактной жесткости сопрягаемых поверхно-стей является величина J, которая равна:

,k

pJ y= (2.27)

где р – давление на поверхности контакта сопрягаемых деталей; yk – величина контактных перемещений.

Определить истинные значения величины контактного переме-щения для конкретного изделия (сборочного узла или сборочной еди-ницы) – задача сложная, и для этих целей применяются как расчет-ные, так и экспериментальные методы. Однако самыми значимыми величинами, влияющими на контактные перемещения деталей из ПКМ, являются погрешности формы:

0,5,ky a b= ⋅ (2.28)

где a, b – коэффициенты, характеризующие погрешности формы и геометрические размеры соединения.

2.3. Определение предела выносливости ПКМ

В динамических условиях ПКМ находится в неравновесном, не-релаксируемом состоянии, в результате чего происходит постепенное накопление повреждений, приводящее к изменению свойств, образо-

41

ванию трещин и их развитию. Этот процесс называют усталостью. Ус-талость (или предел выносливости) характеризует долговечность де-тали и определяется не только свойствами материала, но и геометри-ческой формой детали, а также во многом зависит от ее взаимодейст-вия со смежными элементами (от конструкции узла).

Пределом выносливости называется такое наибольшее на-пряжение, повторное приложение которого не вызывает разрушение детали (соединения) в данном его состоянии после некоторого услов-ного числа циклов. Для подавляющего большинства ПКМ существует определенный предел амплитуд напряжений, ниже которого разруше-ния не происходит при увеличении числа циклов до бесконечности.

Испытания на выносливость заключаются в определении числа циклов нагружения до разрушения детали (соединения) при различ-ных условиях эксплуатации. Напряжения задают в интервале 0,4…0,8 от разрушающих при сдвиге или отрыве. Первоначально испытания проводят при максимальных напряжениях и для каждого последующе-го образца их понижают на 8…12% до тех пор, пока i-й образец вы-держивает без разрушения базовое число циклов нагружения.

В аналитической форме эта зависимость имеет вид:

вК( ) ,mN −= σ − σ (2.29)

где N – число циклов нагружения до разрушения; σ – напряжение;

вσ – предел выносливости; К, m – коэффициенты, зависящие от

свойств ПКМ и режима нагружения соответственно.

Рис. 2.9. Типовая зависимость между амплитудой напряжения σ и логарифмом числа циклов N нагружения до разрушения ПКМ

42

В большинстве случаев усталость описывается кривой Веллера, которая представляет собой зависимость между амплитудой напря-жения σ и логарифмом числа циклов N нагружения до разрушения ПКМ (рис. 2.9, 2.10) [4, 27]. Эта предельная амплитуда называется пределом выносливости, и его величина всегда намного меньше, чем величина предела прочности для этого же материала.

Рис. 2.10. Зависимость логарифма числа циклов до разрушения эпоксидного связующего от напряжения при растяжении (1) и изгибе (2)

Если напряжения изменяются синусоидально, то имеет место циклическое нагружение (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Диаграмма циклических напряжений

Параметрами циклического нагружения ПКМ являются среднее напряжение цикла ,mσ амплитуда напряжения aσ и коэффициент

асимметрии ar :

max min ;2m

σ + σσ = (2.30)

σmin

σmax

+ σ

- σ

43

max min ;2a

σ − σσ = (2.31)

min

max

.arσ

=σ

(2.32)

При σmin = 0 коэффициент асимметрии также равен r = 0 и такой цикл называют пульсирующим. При min maxσ = −σ значения коэффици-

ента асимметрии равны r = –1 и такой цикл называют симметричным, а напряжения обозначаются 1.−σ

Области допускаемых напряжений находят по диаграммам пре-дельных амплитуд напряжений (рис. 2.12) [4]. Для их построения не-обходимо знать предел выносливости при симметричном 1−σ и асим-

метричном циклах нагружения (при фиксированной базе испытаний), предел прочности σВ и предел текучести.

Рис. 2.12. Схематизированная диаграмма предельных амплитуд напряжений

Схематично диаграмма предельных амплитуд напряжений при средних растягивающих напряжениях характеризуется двумя линиями 1–2 и 2–3. При всех напряжениях, находящихся внутри области 0–1–3–2, усталостного разрушения не происходит. Построив такую диа-грамму для заданного ПКМ, легко определить значения амплитуд на-пряжений, которые будет выдерживать испытываемый материал без разрушения при определенном среднем напряжении .mσ

44

При действии циклических напряжений значительно ускоряются коррозионные процессы, которые приводят к уменьшению жесткости, что в свою очередь приводит к дальнейшему увеличению амплитуды колебаний.

Контрольные вопросы

1. От каких факторов зависят прочностные свойства ПКМ? 2. Какие методы используются для определения относительного

удлинения ПКМ при растяжении? 3. Какие методы используются для определения пластичности и

модуля упругости ПКМ? 4. Какие методы используются для определения твердости

ПКМ? В чем их основное отличие друг от друга? 5. О чем свидетельствует величина вязкости разрушения ПКМ?

Как ее определяют? 6. Какие методы используются для определения трещиностойко-

сти ПКМ? 7. На какие характеристики ПКМ оказывают влияние процессы

релаксации? 8. От каких факторов зависят демпфирующие свойства деталей

из ПКМ? 9. В чем отличие длительной прочности ПКМ от выносливости? 10. Дайте определение предела выносливости ПКМ. В чем за-

ключаются испытания деталей из ПКМ на выносливость?

45

3. ТЕРМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Существует множество методов определения термо- и тепло-стойкости ПКМ. Наиболее известные термические методы и области их применения представлены в табл. 3.1 [10, 17].

Таблица 3.1 Термические методы определения свойств ПКМ

Метод Измеряемое свойство Область применения Сокра-

щение Термогравиметрический анализ (термогравиметрия) Масса Распад фазы, дегидрата-

ция, окисление ТГ ТГА

Дифференциальный тер-мический анализ и скани-рующая калориметрия

Температурная разность между стандартным и исследуемым образцами

Температура и теплота фа-зовых переходов и химиче-ских реакций, теплоем-кость, температура стеклования

ДТА ДСК

Термомеханический анализ. Динамический механический анализ

Деформации Механические изменения, деформации

ТМА ДМА

Анализ газовыделения (анализ выделяющихся газов)

Состав газовой фазы (летучее вещество)

Разложение, катализ и по-верхностные реакции АВГ

Термооптометрия Оптические свойства

Фазовые изменения, по-верхностные реакции, цве-товые изменения

ТО

Диэлектрический термический анализ

Диэлектрическая проницаемость Фазовые изменения –

Термодилатометрия Размеры

Температурный коэффици-ент расширения, темпера-тура стеклования, точка размягчения, температура и кинетика плавления и кристаллизации

ТД

Термосонометрия Термоакустометрия

Акустические свойства

Характеристики акустических волн ТАА

Термоэлектрометрия Электрические свойства

Электрофизические пара-метры и критерии подобия ТЭ

Термомагнетометрия Магнитные свойства

Фазовая однородность, температура магнитного перехода

Эманационный термический анализ

Радиоактивный распад

Удельная поверхность об-разца, коэффициент диф-фузии эманации, измене-ния свойств твердого тела при различного рода воздействиях

ЭТА

46

Применительно к ПКМ методы термического анализа могут быть использованы для определения фазовых переходов, т.е. процессов, в которых происходят изменения термодинамических функций: энталь-пии, энтропии, внутренней энергии, объема и др. [2, 17]. Кроме того, данные методы используются для идентификации образцов, для опре-деления рациональных режимов отверждения ПКМ, степени конверсии функциональных групп, термической стабильности, температуры нача-ла окисления и деструкции, концентрации различных примесей и т.д.

При использовании одного и того же метода могут быть приме-нены различные программы, которые отличаются между собой скоро-стью нагрева и охлаждения, продолжительностью выдержки при за-данной температуре, типом используемого эталона, комбинацией ре-жимов нагрева, прикладываемых нагрузок, частот, амплитуд и др.

Наибольшее применение в последнее десятилетие нашел метод ДСК, поскольку с использованием одного прибора можно определять различные характеристики ПКМ в разных фазовых состояниях (в жид-ком до отверждения и в твердом после отверждения), а также с его помощью можно оценивать степень отверждения ПКМ при использо-вании любых термореактивных связующих [17]. Методы ТМА и ДМА имеют несколько более узкие области применения, однако в сумме с ДСК они позволяют определять большинство важнейших теплофизи-ческих характеристик ПМК.

Методом ТГА определяют потери массы в зависимости от тем-пературы при заданной скорости нагрева, что позволяет получать ин-формацию о составе материала. В последнее десятилетие появился новый метод – синхронный термический анализ (СТА), который со-вмещает методы дифференциальной сканирующей калориметрии и термогравиметрического анализа при одном измерении.

Методы ДТА постепенно вытесняются методами ДСК, поскольку при одинаковой стоимости последние являются более информатив-ными. Дилатометрические методы широко используются при изучении твердофазных химических реакций и, так же как и методы термоаку-стометрии, термоэлектрометрии, термомагнетометрии, относятся к узкоспециализированным.

47

Метод ЭТА относится к наиболее дорогим методам термическо-го анализа, однако с его помощью можно оценить адсорбционную способность, что особенно важно, если в качестве наполнителей в ПКМ применяются пористые материалы.

3.1. Термостойкость ПКМ

В качестве важнейших характеристик ПКМ следует различать термо- и теплостойкость материала. У большинства конструкционных материалов: металлов, керамики, стекла и т.д. – обе эти характери-стики полностью взаимозаменяемы, и только для ПКМ существует различие между значениями термо- и теплостойкости материала.

Термостойкость характеризует устойчивость ПКМ к деструкции (химическому разложению) при действии высоких температур. О раз-ложении ПКМ судят по изменению его массы, которая оценивается методом термогравиметрического анализа (ТГА), суть которого состо-ит в том, что измеряется масса (точнее, ее потери) исследуемого ПКМ в процессе его нагревания с заданной скоростью.

Этот метод исследования может быть использован только при исследовании свойств твердых тел (и не применим для изучения свойств неотвержденного связующего). Изменение массы ПКМ во время нагревания связано с его деструкцией, которая сопровождается выделением газов. Методом ТГА регистрируется потеря массы образ-ца, и поэтому получаемая зависимость (рис. 3.1) часто называется кривой потери массы [2, 28].

На первой стадии процесса нагревания (до 100°С) уменьшение массы образца из ПКМ может быть связано с испарением воды, кото-рую, например при длительном хранении, могли сорбировать свя-зующее или наполнитель (например, в результате неправильного хранения). Эти физические процессы никак не связаны с процессами деструкции, однако они также могут быть точно определены методом ТГА и в значительной степени характеризуют качество исходных ком-понентов ПКМ. Современные приборы ТГА оснащены дополнитель-ным блоком (например, ИК-спектрометр), который позволяет иденти-фицировать выделяющиеся при температуре летучие фракции.

48

Рис. 3.1. Кривая ТГА для полимера, содержащего термочувствительный наполнитель

Термогравиметрический анализ позволяет решать ряд практи-ческих задач: устанавливать предельные температуры переработки ПКМ, выбирать добавки для регулирования свойств и др.

В табл. 3.2 приведены температурные характеристики некото-рых связующих и ПКМ на их основе (СВ – стекловолокно, УВ – угле-волокно). Как видно из данных табл. 3.2, термостойкость ПКМ практи-чески полностью определяется химической природой полимера.

3.2. Теплостойкость ПКМ

Под теплостойкостью понимают способность ПКМ сохранять форму (исходные жесткостные свойства) при одновременном воздей-ствии нагрузки и температуры. Эта характеристика является во мно-гом условной, поскольку даже незначительное повышение температу-ры приводит к потере жесткостных характеристик любого ПКМ. Все зависит только от того, с какой степенью точности определять это снижение жесткости.

Традиционно при определении теплостойкости ПКМ использо-вали два метода: Вика и Мартенса [4, 6].

Теплостойкость по методу Вика (или иногда говорят – темпера-тура размягчения по Вика) – это температура, при которой индентор внедряется в полимер на глубину 1 мм (рис. 3.2) [4, 6].

Образец 2 размещают в термокамере 1, температура в которой поднимается с заданной скоростью. В образец под действием груза 4 вдавливается цилиндрический индентор 3 диаметром 1,13 мм. Глуби-на вдавливания определяется с помощью рычажного устройства 5, 6.

49

Таблица 3.2 Температурные характеристики термостойких ПКМ [2, 6]

Связующее Наполнитель

Температура, °С

длительного использования

потери жесткости под нагрузкой

1,85 МПа

Полисульфон Без наполнителя 140…150 172 30% СВ 140…150 175…181

Полиимиды

Без наполнителя 220…265 360 40% СВ 220…265 >300 65% СВ 220…265 >300 40% графит 220…265 >300

Полиэфиримид Без наполнителя 170…180 198…200 30% СВ 175 208…210

Полиэфирсульфон Без наполнителя 180 201…203 30% СВ 180…190 214…216

Полиэфиркетон Без наполнителя 260–300 186 30% СВ 260 358

Полиэфирэфиркетон Без наполнителя 230…290 160…315 30% СВ 240…290 286 30% УВ 250-290 300

Полифенилен-сульфид

Без наполнителя 185 135…185 40% СВ 170…210 215…262 30% УВ – 262

Рис. 3.2. Схема прибора для определения теплостойкости по Вика: 1 – термокамера; 2 – испытываемый образец;

3 – цилиндрический индентор; 4 – груз; 5 – устройство для определения глубины вдавливания; 6 – шкала результатов [23]

50

Основной недостаток данного метода состоит в том, что при на-гружении индентора в нем создается такое напряжение сжатия, кото-рое может превышать предел прочности исследуемого ПКМ.

Теплостойкость по Мартенсу определяется в условиях, когда образец испытывает напряжение изгиба (рис. 3.3) [6].

Образец 2 в виде бруска прямоугольного сечения 120х10х15 вер-тикально размещают в термокамере 1, температура в которой подни-мается с заданной скоростью. Образец нагружается консольно с по-мощью устройства 3 и груза 4, которые обеспечивают создание в об-разце напряжения изгиба s = 5 МПа. Измерительное устройство 5, 6 фиксирует возникающую деформацию. За теплостойкость по Мартенсу принимается температура, при которой указатель сместится на 6 мм.

Несмотря на очевидную условность испытаний при определении теплостойкости по Мартенсу, этот метод позволяет характеризовать потерю устойчивости конструкции при повышении температуры. По-этому теплостойкость по Мартенсу используется для оценки наи-большей температуры эксплуатации деталей из ПКМ. Однако этот ме-тод не позволяет получить полную картину о температурных характе-ристиках ПКМ.

Рис. 3.3. Схема прибора для определения теплостойкости по Мартенсу: 1 – термокамера; 2 – испытываемый образец;

3 – консольное нагружающее устройство; 4 – груз; 5 – измерительное устройство; 6 – шкала результатов [23]

51

Для регистрации изменения деформации используют высоко-чувствительные приборы, называемые дериватографами, главным элементом которых является высокоточное нагревательное устройст-во. С помощью этих приборов определяют одну из важнейших зави-симостей, которая получила название «термомеханическая кривая». Она представляет собой зависимость деформации от температуры при постоянной нагрузке. Типичная термомеханическая кривая термо-пластичного полимера приведена на рис. 3.4 (I участок характеризует стеклоообразное состояние, для которого характерны незначитель-ные обратимые деформации; участок II – высокоэластическое состоя-ние, для которого характерны большие обратимые деформации; уча-сток III – вязкотекучее состояние, для которого характерны необрати-мые деформации или течение). Показатели температуры Тс – означа-ют температуру стеклования, а Тт – температуру текучести.

Полимерный материал переходит из одного состояния в другое при изменении температуры, которая оказывает существенное влия-ние на запас тепловой энергии макромолекул. Типичная термомеха-ническая кривая для термореактивного ПКМ показана на рис. 3.5.

Рис. 3.4. Типичная термомеханическая кривая термопластичного полимера

Для термореактивных полимеров (в отличие от термопластов) исчезает область III (вязкотекучего состояния) и появляется участок IY, который характеризует область начала деструкции полимера.

Температура начала этого процесса Тд характеризует темпера-туру, при которой начинается процесс термодеструкции, т.е. выше этой температуры ПКМ не может быть использован.

I II III

Тc Тт Температура

Деформация

52

Рис. 3.5. Типичная термомеханическая кривая термореактивного полимера

Для объяснения причин процесса стеклования используются две теории: Гиббса и Журкова. Теория стеклования Гиббса рассматривает процессы, происходящие в ПКМ, с позиций термодинамики. Все воз-можные способы ориентации звеньев макромолекулы можно свести к двум крайним случаям, отвечающим наиболее низким и самым высо-ким значениям энергии. При температуре T > Tс для полимера харак-терен большой конформационный набор и большая конформацион-ная энтропия. С уменьшением температуры снижается гибкость цепи, и поэтому большие конформации «вымораживаются». Температуру, при которой фазовое движение сегментов макромолекулы полностью прекращается, называют температурой фазового перехода второго рода T2. На практике всегда Tс > T2, но при бесконечно малых скоро-стях охлаждения условно предполагают, что Tс = T2.

Кинетическая теория стеклования Журкова была разработана для полярных полимеров, для которых характерны сильные межмоле-кулярные взаимодействия. В соответствии с этой теорией стеклова-ние – это прекращение теплового движения сегментов макромолеку-лы, что обусловлено образованием пространственной сетки (чем больше полярность, тем сильнее связи и тем более жестким является

I II IY

Тc Тд

Температура

Деформация

53

полимер). С понижением температуры энергия теплового движения уменьшается и когда ее не хватает для преодоления сил межмолеку-лярного взаимодействия, происходит стеклование.

Фактически температура стеклования – это предельное значе-ние температур, при которых может эксплуатироваться ПКМ, и именно по этой причине этот показатель является одним из важнейших харак-теристик ПКМ. Низкие температуры стеклования характерны для по-лимеров с гибкими макромолекулами (например, кремнийорганиче-ских), высокие – для полимеров с жесткими макромолекулами (напри-мер, эпоксидных). Введение пластификатора всегда снижает Тс, тогда как введение наполнителя, наоборот, приводит к ее незначительному повышению.

Значения температуры стеклования закладываются в расчеты при оценке жесткостных характеристик элементов конструкций из ПКМ [28]. Эта же характеристика является определяющей и при разработке новых технологических процессов изготовления деталей из ПКМ. Зна-ние точных значений температуры стеклования является важнейшим при определении областей применения новых составов связующих, например, именно этот показатель использовался при выборе бисма-леимидной матрицы для ПКМ трибологического назначения [2].

Величина температуры стеклования в большей степени опреде-ляется химической природой используемого связующего [21], однако тип и количество наполнителя также будет влиять на величину темпе-ратуры стеклования. Это относится не только к дисперсным наполни-телям, но и к некоторым волокнистым, например, высокомодульным углеродным волокнам, для которых характерно образование адгези-онных связей на границе раздела волокно – связующее [8, 21].

Область высокоэластического состояния (рис. 3.4, участок II) ха-рактеризуется относительно высокой подвижностью сегментов мак-ромолекул. Высокоэластическое состояние присуще только полимер-ным материалам, так как вследствие гибкости макромолекул возмож-но изменение их формы и перемещение отдельных частей макромо-лекул без смещения их в целом относительно друг друга. Высокоэла-стическая деформация протекает во времени, является релаксацион-

54

ным молекулярно-кинетическим процессом и связана с изменением энтропии. Высокоэластическое состояние у полимеров может наблю-даться в широком интервале температур, вплоть до +200°С.

Предельные значения высокоэластической деформации факти-чески определяют значения допустимых перемещений, при которых не будет происходить процесс разрушения ПКМ.

Вязкотекучее состояние (рис. 3.4, участок III) имеет место только в области высоких температур, при которых тепловая энергия доста-точно велика и структура полимера с изменением температуры успе-вает переходить в новое состояние при изменении внешних условий. Кинетические элементы структуры (отдельные сегменты, группы или атомы), участвующие в движении и обладающие большой тепловой энергией, легко преодолевают энергетические барьеры, которые пре-пятствуют любым изменениям структуры полимера (к таким барьерам относятся, например, межмолекулярное взаимодействие и объемные препятствия, связанные с близостью окружающих макромолекул). Температура текучести Тт полностью определяет все режимы формо-вания изделий из ПКМ на основе термопластичных полимеров.

На рис. 3.6 приведены термомеханические кривые для поли-амидного (термопластичного) полимера без наполнителя 1 и с содер-жанием 40 масс. ч шунгита 2. Присутствие в системе наполнителя приводит к тому, что процессы стеклования несколько замедляются, что ведет к отличиям в форме термомеханической кривой.

Для определения температур стеклования и текучести наиболее широко используются методы термомеханического анализа (ТМА), методы дифференциально-термического анализа (ДТА) и дифферен-циально-сканирующей калориметрии (ДСК), которые также позволяют оценивать практически весь комплекс теплофизических свойств ПКМ. Простой термический анализ имеет небольшую чувствительность и если в процессе отверждения полимера выделяется (или поглощает-ся) небольшое количество тепла, то перегибы на термических кривых могут быть мало заметны. Чувствительность приборов очень сущест-венно повышается, если использовать дифференциальные методы, в основе которых лежит метод сравнения температур между измеряе-

55

мым образцом и эталоном, в качестве которого обычно используют термически стабильный материал. Слово «дифференциальный» оз-начает, что определяется производная теплоты по времени с учетом разности температур между образцом и эталоном. В последние годы исследователи все чаще стали использовать в качестве эталона пус-той тигель [17].

Рис. 3.6. Кривые ТМА для термопластичного (полиамидного) полимера без наполнителя 1 и с содержанием 40 масс. ч шунгита 2:

Тс – температура стеклования; Тт – температура текучести

Методы ДТА и ДСК связаны с измерением изменений энергии и дают однотипную информацию (разница заключается в принципах уст-ройства и работы приборов: в ДТА измеряют разность температур ме-жду пробой и эталоном, тогда как в ДСК температуры пробы и эталона поддерживают равными и контролируют разницу мощности нагрева). Измерения абсолютной температуры образца и разницы температур, возникающей между образцом и эталоном, которая пропорциональна разности теплового потока между ними, позволяют проводить количе-ственную оценку тепловых эффектов, протекающих в ПКМ.

Современные приборы ДСК позволяют проводить исследования ПКМ при различных температурных режимах: линейном, изотермиче-ском и специальном. Линейное нагревание/охлаждение представляет собой наиболее распространенный режим нагрева в заданном интер-

Тс Тт

ε, %

Т, °С

2

1

56

вале температур с заданной постоянной скоростью. Скорость измене-ния температуры, как правило, выбирается в диапазоне 1…20 К/мин. Изотермическая выдержка при определенной температуре в задан-ном временном интервале характерна больше при изучении свойств термореактивных полимеров, например, при определении оптималь-ных режимов их отверждения. Специальный режим нагрева (его также называют термомодулированный режим) характеризуется тем, что на линейное изменение температуры накладываются ее периодические колебания.

При возникновении в исследуемом образце ПКМ каких-либо процессов, связанных с поглощением или выделением тепла (плав-ление, структурный фазовый переход, испарение и др.), на кривых ДСК отмечаются характерные пики (рис. 3.7). Изучение этих пиков по-зволяет получать информацию о протекающих в исследуемом образ-це процессах. Верхняя кривая описывает поведение связующего в процессе его отверждения. Две нижние кривые характеризуют свойст-ва уже отвержденного материала. Точка перегиба на кривой ДСК ха-рактеризует температуру стеклования.

Рис. 3.7. Кривая ДСК для ненаполненного эпоксидного связующего после трех нагревов

Диапазон рабочих температур ПКМ можно несколько увеличить путем введения в их состав наполнителей с высоким коэффициентом

57

теплопроводности. Однако наиболее существенное влияние наполни-тель оказывает не на теплостойкость, а на электрофизические свой-ства полимеров и их теплопроводность, например, с увеличением до-ли наполнителя в ПКМ коэффициент теплопроводности материала будет возрастать практически линейно. Аналогичные закономерности наблюдаются и для электропроводности.

В табл. 3.3 приведены показатели теплопроводности для наибо-лее распространенных теплопроводных наполнителей [2, 25], которые вводятся в составы как термопластичных, так и термореактивных ПКМ.

Таблица 3.3 Температурные характеристики наполнителей для ПКМ

Тип наполнителя Температура, °С Коэф. теплопроводности, Вт/(м·°К)

Алюминиевая пудра 20 126 100 200

Медный порошок 20 165 100 181

Асбест (переработанный) 20 0,09 100 0,11

Двуокись титана 100 6,53 200 4,99 400 3,91

Нитрид бора 20 20 100 36,4

Карбид титана 20 29 100 41,8

Шунгит 100 5,2 200 7,3 400 8,9

Графит 100 110 200 128 400 140

Для повышения термо- и теплостойкости ПКМ наиболее часто используют в качестве наполнителей следующие материалы: порошок железа (наибольшее распространение получила марка ПЖР 3.200.26), порошкообразную медь, алюминиевый порошок, технический углерод, двуокись титана и др. Наиболее перспективными теплопроводными наполнителями для модификации свойств полимерных материалов, используемых при производстве и ремонте машин, являются шунгит и различные типы графита (природный и синтетический).

58

Достаточно часто при определении теплостойкости ПКМ исполь-зуют стандартные методы испытаний (растяжение, сжатие, изгиб) при различных температурах. В табл. 3.4 приведены свойства эпоксидного ненаполненного полимера, отвержденного при комнатной температу-ре с использованием различных типов отвердителей (ПЭПА – поли-этиленполиамин, ДЭТА – диэтилентриамин, ТЭТА – триэтилентриа-мин) при различных температурах.

Таблица 3.4 Свойства отвержденных эпоксидных полимеров

при различных температурах испытаний

Свойства Марки отвердителей ПЭПА ДЭТА ТЭТА

Разрушающее напряжение при изгибе, МПа при температурах °С:

20 80 100

105 85 63

111 109 88

122 88 56

Разрушающее напряжение при сжатии, МПа при температурах °С:

20 60 100

62 55 36

82 79 43

98 79 35

Разрушающее напряжение при растяжении, МПа при температурах °С:

20 60 100

50 42 −

72 70 58

78 63 35

Для полимерных материалов, которые используются в качестве клеев, при определении стойкости клеевых соединений к воздейст-вию повышенных температур используют стандартные методы испы-тания на сдвиг или отрыв. В табл. 3.5 приведены значения прочности эпоксидных и кремнийорганических клеев при склеивании стали мар-ки 30ХГСА. В качестве эпоксидного клея использован полимер на ос-нове смолы ЭД-20 и два типа отвердителей. Первый отвердитель – полиэтиленполиамин (ПЭПА) – позволял проводить процесс отвер-ждения при комнатной температуре (этот тип материалов получил название холодное отверждение), второй тип отвердителя, наоборот, позволял проводить процесс перехода полимера из жидкого состоя-ния в твердое только при повышенной температуре (этот тип мате-

59

риалов получил название горячее отверждение). В качестве отвер-дителя горячего отверждения использован диаминодифенилсульфон (ДАДФС), который обеспечивает отверждение смолы при температу-ре 180°С в течение 5 ч.

Таблица 3.5 Прочность при сдвиге эпоксидных и кремнийорганических клеев

Свойства и температура испытания, °С

Химическая природа клея Эпоксидный Кремнийор-

ганический Холодного отверждения

Горячего отверждения

Разрушающее напряжение при сдвиге, МПа при температуре

20 100 200

18 6 −

24 23 14

8 8 8

Разрушающее напряжение при отрыве, МПа при температуре

20 100 200

22 12 −

28 26 17

11 10 10

При определении прочности полимеров под воздействием по-вышенных температур необходимо указывать не только значение температуры, но и продолжительность выдержки образца в термока-мере при определенной температуре. Как правило [23], продолжи-тельность воздействия заданной температуры на образец ПКМ в про-цессе испытаний составляет 20 мин.

Достаточно часто проводят циклические термоиспытания, при которых режимы нагрева и охлаждения чередуются по заданной про-грамме. В этом случае указываются условия термоциклирования и ко-личество циклов, а для полимеров указывают не абсолютные значе-ния прочности, а их потери, например, как это показано в табл. 3.6.

По сравнению со стандартными испытаниями (сдвиг, отрыв, рас-слаивание и др.) еще более чувствительным методом оценки стойко-сти полимеров к воздействию повышенных температур является метод pull-out (рис. 3.8), суть которого заключается в определении разру-шающей нагрузки F при выдергивании волокна из отвержденного по-лимера. Его высокая чувствительность связана с очень малыми разме-

60

рами образцов. Данный метод получил широкое распространение при оценке влияния на адгезионную прочность и теплостойкость различных типов наполнителей, как волокнистых, так и дисперсных [8, 21].

Таблица 3.6 Результаты термоциклических испытаний анаэробных клеев

Свойства и условия испытаний Марки анаэробных клеев АН-8К АН-17 АН-260

Предел прочности при отвинчивании, МПа при 20°С 3,2 2,5 3,0

Остаточная прочность, % от исходной после воздействия 60°С в течение 30 суток

100 100 100

Остаточная прочность, % от исход-ной после термоциклирования при -60°С до +150°С в течение 10 циклов, продолжительность одного цикла 2 ч

100 100 100

Остаточная прочность, % от исход-ной после прогрева при 100°С в течение 1000 ч

98 95 100

Остаточная прочность, % от исход-ной после прогрева при 150°С в течение 5 ч

97 93 100

а

б

Рис. 3.8. Образец для испытания прочности методом pull-out – а и схема его закрепления при проведении испытаний – б

61

В табл. 3.7 приведены результаты прочностных испытаний ме-тодом pull-out эпоксидного клея, в состав которого вводилось различ-ное количество нитрида бора. Как видно из табл. 3.7, введение дис-персного наполнителя в эпоксидный полимер может приводить к уве-личению прочности при комнатной температуре, но он практически не оказывает влияния на механические характеристики при повышенных температурах.

Таблица 3.7 Прочность эпоксидного полимера

Содержание в полимере наполнителя, масс. ч.

Температура испытания, °С 20 100 150

Без наполнителя 32 8 4 10 37 9 9 50 30 7 4 100 22 5 −

Рис. 3.9. Зависимость прочности эпоксифенольного клея при сдвиге, в состав которого введены термочувствительные наполнители

Исключением из этого правила являются термочувствительные полимеры (рис. 3.9) [6]. Для полимеров такого типа характерны три области рабочих температур, которые принципиально отличаются между собой. Первый термочувствительный диапазон температур за-

σ, МПа

Т, °С 300 800 1500

4

12

20

28

62

ключается в пределах -60…+ 300°С. Прочность полимера полностью определяется свойствами отвержденного эпоксифенольного полиме-ра. Второй термочувствительный диапазон: +300…+800°С, в котором происходит карбонизация фенольного полимера с образованием кок-сового остатка с хорошими адгезионными свойствами (≈52%). Третий термочувствительный диапазон: +800…+1800°С, в котором при взаи-модействии коксового остатка с наполнителями образуются тугоплав-кие соединения.

Из термореактивных полимеров наибольшей теплостойкостью отличаются кремнийорганические материалы (300…350°С). Из термо-пластичных полимеров к классу теплостойких относятся некоторые типы полиамидов, полиимидов, полисульфонов и др.

3.3. Морозостойкость ПКМ

Морозостойкость помогает оценить способность находящегося под нагрузкой ПКМ сохранять свои деформационные свойства при низких температурах. Ниже температуры морозостойкости ПКМ ста-новится хрупким и растрескивается. Именно поэтому морозостойкость характеризуют температурой хрупкости.

Для проведения испытаний на морозостойкость используют об-разцы двух типов: в виде пластин 25х6х2, закрепленных консольно, или в виде полосок 40х6х0,5 мм, изогнутых в форме петли. На каждом уровне температур часть образцов изгибают или сжимают и после деформирования подсчитывают количество разрушенных образцов. За температуру морозостойкости принимают значение, при котором разрушается половина испытываемой группы образцов.

Косвенно оценить морозостойкость ПКМ позволяет метод оцен-ки вязкости разрушения (этот метод также называют методом опре-деления трещиностойкости) при различных температурах, в том числе и отрицательных. В качестве измеряемой характеристики используют величину вязкости разрушения G1c Дж/м2(рис. 2.7)

В отличие от металлов в ПКМ при воздействии нагрузок в доста-точно узком интервале температур происходит существенное измене-ние количества поглощаемой энергии, что оказывает определяющее

63

влияние на механизм процесса разрушения. При низких температурах ПКМ поглощает мало энергии и поэтому разрушение является хруп-ким, а температура, при которой это происходит, называется темпера-турой хрупкости.

Температура хрупкости для подавляющего большинства ПКМ лежит в области отрицательных температур и поэтому чем она ниже, тем более морозостойким является данный материал.

Морозостойкость ПКМ, так же как и термостойкость, полностью определяется свойствами полимера и несущественно зависит от ис-пользуемого типа наполнителя. Наибольшую морозостойкость имеют ПКМ на основе эпоксидных связующих.

Контрольные вопросы

1. В чем отличие термо- и теплостойкости ПКМ? 2. Какие методы используются для определения термостойко-

сти ПКМ? 3. Какие методы используются для определения теплостойко-

сти ПКМ? 4. В чем основное отличие термических методов друг от друга? 5. Какие методы используются для определения температуры

стеклования ПКМ? 6. Что характеризует термомеханическая кривая? 7. Каким методом определить области стеклообразного, высоко-

эластического и вязкотекучего состояния полимеров? 8. Что характеризуют значения модулей упругости и потерь? 9. Как определяется температура хрупкости ПКМ? 10. Какие свойства ПКМ можно определить с помощью термо-

аналитических методов?

64

4. СПЕЦИАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

К специальным относят свойства, продиктованные условиями эксплуатации деталей из ПКМ: стойкость к воздействию агрессивных сред, горючесть, фрикционные, электрические, акустические и др. свойства.

4.1. Стойкость к воздействию агрессивных сред

Известно, что при длительном воздействии различных рабочих сред (вода, пар, топливо, масла) ПКМ изменяют свой внешний вид и теряют исходную прочность [10]. Поэтому проблемы изменения свойств, связанные с деструкцией ПКМ под воздействием различных рабочих сред, должны рассматриваться одними из первых при реше-нии вопросов выбора материалов.

Перечень агрессивных агентов, влияющих на свойства ПКМ, чрезвычайно широк, но тем не менее может быть систематизирован в наиболее часто встречающиеся группы:

– минеральные и органические кислоты, а также их растворы в воде;

– растворы щелочей и окислителей; – алифатические и ароматические растворители; – горюче-смазочные материалы; – вода, пар. Воздействие агрессивной среды на ПКМ может сопровождаться

его набуханием, диффузией среды в ПКМ и химическим взаимодейст-вием, приводящим к деструкции ПКМ.

Даже если окружающая изделие среда не относится к числу аг-рессивных, она оказывает существенное воздействие на кинетику процесса деструкции ПКМ. Существует множество методов опреде-ления атмосферостойкости, которые позволяют оценить устойчивость ПКМ к воздействию естественных климатических факторов [10]. При проведении испытаний для каждого дня (недели, месяца, года) фик-

65

сируют: среднюю относительную влажность и температуру, среднюю максимальную и среднюю минимальную влажность и температуру, продолжительность солнечного сияния, количество атмосферных осадков.

Изменение свойств ПКМ в процессе воздействия климатических факторов может быть учтено через коэффициент сохранения свойств K:

0

100 ,K τ=

τ (4.1)

где 0τ и τ – значения прочности (при различных видах нагружения,

например, растяжение, сжатие и др.) до и после воздействия клима-тических факторов.

Ускоренные испытания на климатическое старение проводят в специальных «аппаратах искусственной погоды» (климатических ка-мерах), в которых величины температур, влажности, интенсивности ультрафиолетового излучения и продолжительность орошения водой могут изменяться. Чаще всего испытания проводят циклами, последо-вательно имитируя времена года, и после полного цикла испытаний определяют по (4.1) коэффициент сохранения свойств. В настоящее время промышленностью выпускается большая номенклатура раз-личных климатических камер, в которых возможно в автоматическом режиме устанавливать не только температуру и продолжительность ее воздействия, но и скорость ее изменения.

Суммарное воздействие повышенной температуры, влажности и ультрафиолетового воздействия приводит к синергетическому эффек-ту и вызывает ускоренное старение ПКМ. Как правило, при воздейст-вии ультрафиолетового излучения изменяется окраска ПКМ на основе кремнийорганической матрицы, которая в исходном состоянии в по-давляющем большинстве имеет белый цвет, постепенно изменяю-щийся в процессе старения на желтый и коричневый.

Изменение свойств ПКМ под действием повышенной температу-ры получило название – термодеструкция, под действием солнечного света – фотодеструкция (или фотохимическая деструкция), под дей-ствием высокой энергии – радиационная деструкция.

66

Метод водопоглощения (ГОСТ 4650-80) позволяет определить массу воды, поглощенной образцом из ПКМ в результате пребывания его в воде в течение установленного времени при определенной тем-пературе.

Содержание воды Wв, поглощенное образцом, определяют по формуле:

2 1в

1

100( ) ,m mWm

−= (4.2)

где m2 и m1 – масса образца после и до погружения в воду соответ-ственно.

Для испытания применяют образцы в форме диска диаметром (50±1) мм и толщиной (3,0±0,2) мм. Поверхность срезов должна быть гладкой.

Метод влагопоглощения (ГОСТ 21513-76) позволяет определить количество воды Wвл, сорбированной в единице массы ПКМ при за-данной температуре испытаний. Влагопоглощение чаще всего опре-деляют для пленок массой не более 0,2 г:

2 1вл

1 0

,m mWm m

−=

− (4.3)

где m0 – масса чистой пластинки; m1 – масса пластинки со слоем ПКМ до испытаний; m2 – масса пластинки со слоем ПКМ после испытаний.

Стойкость соединения к длительному воздействию воды опре-деляют по ГОСТ 17005-82. Образцы соединений (на сдвиг или равно-мерный отрыв) помещают в емкость с водой таким образом, чтобы они не соприкасались между собой. После выдержки в течение задан-ного промежутка времени образцы высушиваются и испытываются. Количество воды, сорбированной в единице массы ПКМ после воз-действия воды, вычисляют по формуле (4.3). Этим же методом опре-деляют стойкость к действию воды и для других типов соединений, например, стойкость при расслаивании или отслаивании.

Агрессивные среды, которые оказывают влияние на свойства ПКМ, подразделяются на минеральные и органические, растворы щелочей, ки-слот, окислителей, растворители и горюче-смазочные материалы.

67

К агрессивным рабочим средам относится и водно-солевой рас-твор, который имитирует эксплуатационные нагрузки машин в зимний период времени. Установки, в которых проводят данные испытания, получили название «камеры солевого тумана». Интенсивность старе-ния ПКМ в камерах солевого тумана существенно выше, чем при воз-действии большинства других климатических факторов. Особенно сильное влияние оказывает водно-солевой раствор на соединения ПМ с металлами.

Воздействие агрессивных сред на материал может сопровож-даться его набуханием, диффузией (жидкой среды в ПКМ) и (или) хи-мическим взаимодействием.

Подавляющее большинство ПКМ на основе термореактивных матриц обладают длительной стойкостью к маслам и различным ви-дам топлив, однако это обеспечивается только при полном отвержде-нии полимерной матрицы. Если же в результате каких-либо отклоне-ний от технологических режимов имеет место не полное отверждение (т.е. степень конверсии функциональных групп < 100%), то в этом слу-чае резко понижается стойкость к рабочим средам. Чаще всего от-слаивается полимерная матрица от наполнителя.

Из ПКМ на основе термопластичных матриц наименьшей стой-костью к воде обладают полиамиды, для которых характерна большая величина набухания.

Если ПКМ используются в качестве клеев при соединении ме-таллических деталей, то одним из определяющих факторов, влияю-щих на их устойчивость к длительному воздействию жидких агрессив-ных сред, является качество подготовки поверхности. Если при склеи-вании деталей из алюминиевых сплавов перед нанесением полимера применяется анодирование, то в этом случае удается обеспечить длительную работоспособность клеевых соединений в различных аг-рессивных средах.

В соответствии с ГОСТ 12020-72 стойкость материалов к агрес-сивным средам оценивается по изменению их массы по пятибалльной шкале: 5 – высокая; 4 – удовлетворительная; 3 – материал устойчив

68

не во всех случаях; 2 – стойкость недостаточная, к применению не ре-комендуется; 1 – материал нестоек и быстро разрушается.

Стойкость материала к различным агрессивным средам (ГОСТ 12020-72) определяют по изменению массы и (или) линейных разме-ров образца после выдержки его определенное время в различных агрессивных средах.

Стойкость соединения к различным агрессивным средам опре-деляют аналогично стойкости соединений к длительному воздействию воды. Температура агрессивных сред и продолжительность выдержки может быть любой в зависимости от программы испытаний. Предва-рительную оценку стойкости проводят в соответствии с табл. 4.1 [6].

Таблица 4.1 Оценка стойкости ПКМ к длительному воздействию агрессивных сред

Тип связующего Оценка стойкости

Изменение прочностных или деформационных свойств, %

Термопластичный Хорошая 0…10 Удовлетворительная ≥ 11…15 Плохая ≥ 16

Термореактивный Хорошая 0…15 Удовлетворительная ≥ 16…25 Плохая ≥ 26

Результаты испытаний, проведенных по ГОСТ 12020-72, так же как и данные, приведенные в табл. 4.1, требуют соответствующих до-полнений. Например, необходимо указывать промежуток времени ме-жду выемкой образцов из соответствующей агрессивной среды и вре-менем начала механических испытаний.

Кроме изменения средних значений деформационно-прочност- ных свойств, агрессивные среды оказывают влияние на дисперсию. Как правило, чем более продолжительным является воздействие аг-рессивной среды, тем в большей степени изменяется значение дис-персии. В табл. 4.2 приведены значения прочности клеевых соедине-ний и дисперсии в зависимости от качества подготовки поверхности (в качестве ПКМ использовался эпоксидный ПМ, содержание 9 масс. ч. ПЭПА, значение прочности определяли по ГОСТ 14759).

69

Таблица 4.2 Результаты механических испытаний

№ п/п

Технология подготовки поверхности

Зашкуривание, обезжиривание

(№ 1)

Обезжиривание, зашкуривание, обезжиривание

(№ 2)

Обезжиривание (№ 3)

Без подготовки (№ 4)

iτ срτ ; S iτ срτ ; S iτ срτ ; S iτ срτ ; S 1 13,6

ср 13,47τ =

3,969S =

12,6

ср 13,51τ =

0,761S =

14,7

ср 11,2τ =

4,477S =

9,6

ср 9,85τ = 5,052S =

2 12,8 12,9 10,5 8,5 3 11,4 14,2 9,8 14,9 4 15,7 14,8 9,1 6,9 5 14,6 14,3 8,4 11,2 6 17,5 14,4 14,7 11,0 7 11,2 13,3 11,5 10,3 8 12,2 12,5 10,6 9,6 9 12,4 12,4 10,8 8,9 10 13,2 13,6 11,9 7,6

Из полученных данных следует, что наилучшие результаты (т.е. максимальная прочность срτ и минимальное значение средне-

квадратического отклонения S ) получены при использовании тех-нологии № 2, при которой первоначально поверхности обезжирива-лись с использованием ацетона, далее они зашкуривались шлифо-вальной шкуркой и потом повторно обезжиривались. Упрощение технологии (поскольку технология № 1 лучше, чем технология № 3, которая в свою очередь лучше, чем технология № 4) наиболее су-щественным образом сказывается не на величине среднего разру-шающего напряжения, которое отличается на 27%, а на величине среднеквадратического отклонения (различия между технологиями составляют 84,95%).

Одним из факторов, снижающих долговечность деталей из ПКМ, является биоразрушение (повреждение материала различными мик-роорганизмами, бактериями, грибами, присутствующими в воздухе и рабочих средах). Эти простейшие существа способны «поедать» практически любые органические вещества. Продуктами их жизнедея-тельности нередко являются неорганические (серная, сероводород-ная), а также органические (муравьиная, уксусная, лимонная) кислоты, вызывающие коррозию многих металлов.

70

Био- и грибоустойчивость – стойкость к воздействию микроорга-низмов – определяют на образцах ПКМ размерами 50х50х2 мм или 30х30х1 мм. Продолжительность испытаний – 56 суток. Поверхность ПКМ после завершения испытаний осматривают под микроскопом.

Для повышения устойчивости ПКМ к воздействию микроорга-низмов (био- и грибоустойчивости) в их состав вводят биоциды. В ка-честве биоцидов используют растворы салициланилида или оксихи-нолята меди. Основные требования к этим добавкам: высокая эффек-тивность действия на грибы и бактерии разных таксономических групп, отсутствие токсического, раздражающего и аллергического действия на людей и домашних животных, устойчивость в том темпе-ратурном интервале, в котором предполагается эксплуатация машин.

4.2. Теплозащитные свойства и горючесть ПКМ

ПКМ, используемые в качестве теплозащитных материалов, должны обладать не только хорошими теплофизическими свойства-ми, но и высокими деформационными характеристиками, поскольку в процессе эксплуатации машины теплозащитные материалы чаще все-го деформируются, и этот процесс должен происходить без разруше-ния и отслаивания.

Теплозащитные (и теплоизоляционные) характеристики ПКМ и их горючесть, несмотря на кажущуюся схожесть, оценивают различ-ными показателями. Характеристиками горючести являются [6, 20]:

– температура воспламенения Тв – наименьшая температура вещества, при которой в условиях специальных испытаний вещество выделяет горючие пары и газы с такой скоростью, что при воздейст-вии на них источника зажигания наблюдается воспламенение;

– температура самовоспламенения Тсв – наименьшая темпера-тура окружающей среды, при которой в условиях специальных испы-таний наблюдается самовоспламенение вещества;

– температура тления Тт – температура вещества, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций окисления, заканчивающихся возникновением тления. Тлением назы-

71

вают беспламенное горение твердого вещества при сравнительно низких температурах, часто сопровождающееся выделением дыма;

– кислородный индекс – минимальное содержание кислорода в кислородно-азотной смеси, при котором возможно свечеобразное го-рение материала в условиях специальных испытаний;

– коэффициент дымообразования Кд – показатель, характери-зующий оптическую плотность дыма, образующегося при пламенном горении или термоокислительной деструкции (тлении) определенного количества твердого вещества в условиях специальных испытаний;

– индекс распространения пламени – условный безразмерный показатель, характеризующий способность веществ воспламеняться, распространять пламя на поверхности и выделять тепло;

– показатель токсичности продуктов горения – отношение коли-чества материала к единице объема замкнутого пространства, в кото-ром образующиеся при горении материала газообразные продукты вызывают гибель 50% подопытных животных;

– показатель возгораемости Кв, который представляет собой безразмерную величину, выражающуюся через отношение количест-ва тепла, выделенного при горении, к количеству тепла, затраченному на поджигание образца материала. Материалы с Кв > 0,5 являются го-рючими. Большинство термопластов являются негорючими, а боль-шинство реактопластов – горючими.

Образцы для испытаний на горючесть имеют форму полос 290х70 мм. Продолжительность испытаний – 12 с. Если после удале-ния пламени остаточного горения или тления не происходит, то дан-ный ПКМ относят к группе трудносгорающих материалов. Если после удаления источника пламени остаточное горение длится не более 15 с и длина прогоревшей части составляет менее 170 мм, то данный ПКМ относится к группе самозатухающих материалов. Если скорость распространения пламени не более 60 мм/мин, то данный ПКМ отно-сится к группе медленносгорающих материалов.

Для повышения устойчивости ПКМ к воздействию огня в их со-став вводят антипирены, Антипирены также обеспечивают способ-ность ПКМ к самозатуханию. Разложение антипирена под действием

72

пламени происходит с поглощением тепла (т.е. имеет место эндотер-мическая реакция, которая происходит за счет выделения воды. На-пример, при использовании в качестве антипирена Al(OH)3 количество воды составляет 34,6%.

Наибольшее распространение в качестве антипиренов получи-ли: соединения бора; фосфора; смеси солей неорганических кислот; сульфаты и карбонаты аммония; оксиды и гидроксиды металлов (Mg(OH)2, Al(OH)3. Подавляющее большинство антипиренов пред-ставляют собой дисперсные порошки и чем выше их дисперсность, тем они более эффективны в качестве антипиренов.

Уменьшение прихода тепла на ПКМ достигается за счет: – увеличения теплопотерь; – уменьшения теплоты горения; – понижения температуры пламени путем разбавления его него-

рючими продуктами термодеструкции (должно иметь место образова-ние карбонизированного, т.е. трудногорючего коксового остатка).

Основными характеристиками теплозащитных и теплоизоляцион-ных материалов являются: коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость и коэффициент температуропроводности. В табл. 4.3 приведены некоторые характеристики теплозащитных свойств наибо-лее распространенных теплозащитных материалов.

Таблица 4.3 Теплозащитные свойства ПКМ

Химическая природа

Теплозащитные свойства

Коэфф. теплопро-водности, вт/м·град

Удельная теп-лоемкость, кДж/кг·град

Коэфф. темпера-туропроводности

106 м2·с Фенолоформальдегидный олигомер 0,05 0,85 0,2–0,9

Кремнийорганический полимер 0,07 1,7 0,04

Эпоксидный олигомер 0,2 1,2 0,1–0,3

Еще одной важнейший характеристикой теплозащитных мате-риалов является коэффициент теплопроводности λ, значения которо-го для ПКМ находятся в диапазоне 0,15…0,4 Вт/ (м·К).

73

В качестве матриц теплозащитных и негорючих ПКМ используют фенолокаучуковые составы, в которые для повышения теплостойко-сти вводят кремнийорганические или эпоксидные полимеры. При про-изводстве теплозащитных и теплоизоляционных материалов также широкое применение нашли низкомолекулярные полиорганосилокса-ны. Из термопластичных материалов при создании теплозащитных ПКМ используют полиолефины, полиамиды, фторопласт, полиметил-метакрилат, полистирол и др.

Принцип теплозащитного действия термопластов основан на том, что их деструкция происходит с выделением большого количест-ва газообразных негорючих продуктов, которые препятствуют тепло-вому воздействию (за счет образования противотока).

В качестве наполнителей в теплозащитных ПКМ чаще всего ис-пользуют непрерывные волокна (ленты, ткани), короткие волокна, дисперсные наполнители (порошки или микросферы), нитевидные кристаллы, а также наноглины. Среди последних используют монтмо-риллонит. Этот наполнитель имеет слоистую структуру, при которой толщина листов составляет несколько нм, линейные размеры их по-верхности могут превышать 100 нм, а площадь поверхности достигает 700…800м2/г. Если при изготовлении ПКМ удается обеспечить хоро-шее расслоение наноглины и ее равномерное распределение в поли-мере, то в результате образуется структура, содержащая большое ко-личество воздушных пор, которая препятствует распространению те-плового потока через ПКМ.

В состав современных теплозащитных ПКМ (в качестве напол-нителя) входят микросферы, которые представляют собой оболочки правильной сферической формы диаметром 10…100 мкм, отличи-тельной особенностью которых является низкая теплопроводность. Микросферы изготавливают из стекла или фенолформальдегидных полимеров.

Из дисперсных наполнителей при изготовлении теплозащитных материалов используют аэросил, кварц, корунд, нитриды и карбиды кремния. Таким образом, не только химическая природа, но и структу-ра наполнителя (диаметр и длина волокон, плотность их укладки,

74

форма и количество воздушных пор) оказывают существенное влия-ние на эффективность теплозащитных и теплоизоляционных свойств ПКМ. В качестве материала волокон используют кремнезем, стекло-волокно, базальт, асбест.

Теплозащитные материалы подразделяют на обычные и жаро-стойкие, последние должны обеспечивать эксплуатацию при темпера-турах +1000°С и выше. Как правило, при создании жаропрочных теп-лозащитных материалов применяются не полимерные, а органиче-ские матрицы, и эти материалы уже не относятся к классу ПКМ.

4.3. Фрикционные свойства ПКМ

ПКМ, предназначенные для изделий, работающих в узлах тре-ния, называют трибопластами [23–24]. В зависимости от особенно-стей функционирования изделия трение деталей сопряжений может быть вредным или полезным.

В устройствах, предназначенных для поддержания движения (подшипники, зубчатые колеса, направляющие), сила трения является вредной.

В устройствах, предназначенных для прекращения движения (тормозные системы), передачи движения (ременные передачи, муф-ты сцепления), и в резьбовых соединениях сила трения, наоборот, яв-ляется полезной.

Процессы трения и сопровождающего его изнашивания характе-ризуются следующими параметрами:

1) коэффициент трения скольжения. По его величине все трибо-пласты подразделяются на фрикционные (μтр ≥ 0,3) и антифрикцион-ные (μтр ≤ 0,2);

2) интенсивность изнашивания, которая в свою очередь подраз-деляется на:

– линейную интенсивность изнашивания ;hhJ

LΔ

=

– массовую интенсивность изнашивания ;ggJ

LΔ

=

75

– энергетическую интенсивность изнашивания тр ,w

AJ

LΔ

=

где L – путь трения; Jh и Jg – толщина и масса изношенного слоя соот-ветственно; ΔAтр – работа трения на пути L;

3) параметры режима трения: давление номинальное Р и ско-рость относительного перемещения v. Произведение P⋅v имеет боль-шое практическое значение, и именно по этой величине судят о воз-можности использования ПКМ в подшипниках скольжения.

Косвенным методом оценки фрикционных свойств является оп-ределение тангенса угла механических потерь, или модуля потерь. Как правило, чем больше в ПКМ величина модуля потерь, тем более устойчив этот материал к триботехническим нагрузкам. В то же время для ПКМ, так же как и для металлов, характерным дефектом в парах трения является задир, при котором наряду с износом имеет место механическое повреждение поверхностного слоя. Термопластичные матрицы, в силу их относительно невысокой теплостойкости и жестко-сти при повышенных температурах, более подвержены этому дефекту по сравнению с ПКМ на основе термореактивных полимеров. Чем выше значение модуля потерь для полимера, тем в большей степени этот материал подвержен задирам.

Достаточно часто для оценки устойчивости ПКМ к фрикционным нагрузкам используют методы структурного анализа. В процессе тре-ния происходит износ материала (он получил название – третье тело). Общий вид «идеальной» зависимости величины износа от времени показан на рис. 4.1. Участок 1 характерен для этапа приработки, уча-сток 2 характеризует нормальную работу материала, и именно его протяженность определяет стойкость ПКМ к фрикционным нагрузкам, участок 3 характерен для «катастрофического» износа, когда следует прекратить эксплуатацию изделий из ПКМ.

Если на участке 2 толщина третьего тела не превышает не-скольких молекул, то в этом случае говорят о трении без износа (мо-лекулярное трение).

В антифрикционных ПКМ в качестве матриц используются термопласты: полиэтилен, полиакрилат, полиамид, полиуретан, фто-

76

ропласт. Также в качестве матриц применяют реактопласты: эпоксид-ные и фенолоформальдегидные олигомеры, отверждение которых проведено при повышенных температурах [6, 23]. В процессе трения происходит разогрев материала и поэтому в качестве матриц в таких ПКМ могут быть использованы только теплостойкие полимеры. Дета-ли машин из ПКМ, изготовленные на основе реактопластичных мат-риц, обеспечивают длительную эксплуатацию при более высоких тем-пературах, чем аналогичные детали, изготовленные из термопластич-ных матриц.

Рис. 4.1. Типичная зависимость износа от времени эксплуатации ПКМ

В качестве наполнителей для антифрикционных ПКМ применяют дисперсные порошки неорганических веществ, имеющих слоистую структуру, например, графит, дисульфид молибдена, нитрид бора и др. Содержание наполнителей в антифрикционных ПКМ не превыша-ет, как правило, 15%.

Во фрикционных ПКМ в качестве матриц применяют эпоксид-ные или эластомерные (каучуки или поливинилхлорид) связующие. Чаще всего используют комбинированную матрицу, содержащую жест-кую и эластичную составляющие [23]. В качестве наполнителей приме-

1 2

3

Износ

Продолжительность эксплуатации

77

няют стекло, аэросил, оксиды металлов, рубленные стеклянные или углеродные волокна. Содержание наполнителей во фрикционных ПКМ существенно выше, чем в антифрикционных, и составляет 60…90%.

Очень большое влияние на триботехнические свойства деталей из ПКМ оказывает технология их изготовления и качество используе-мой для формования оснастки. Это связано с тем, что любые, даже самые незначительные дефекты поверхности, приводят к повышен-ному трению.

4.4. Электрические свойства ПКМ

Под электрическими свойствами понимают совокупность па-раметров, характеризующих поведение ПКМ в электромагнитном по-ле. Электрическое поле, действующее на ПКМ, вызывает его поляри-зацию, связанную с химическим строением. О величине поляризации судят по диэлектрической проницаемости ε и тангенсу угла диэлек-трических потерь tgδ. Прохождение тока по поверхности или через объем ПКМ оценивают по удельному поверхностному ρS и удельному объемному ρV электрическим сопротивлениям. Если параметры внешнего электрического поля превышают предельные значения для ПКМ, то наступает полная потеря электрических свойств [6].

Диэлектрическая проницаемость является параметром, рав-ным отношению емкости электрического конденсатора, между обклад-ками которого находится ПКМ, к емкости того же конденсатора, между обкладками которого – вакуум:

0

.cc

ε = (4.4)

Измерения проводят на образцах, которые имеют форму диска диаметром 100 мм.

По величине диэлектрической проницаемости все ПКМ условно подразделяют на 4 группы (табл. 4.4). Условность такого деления за-ключается в том, что электрические свойства сильно зависят от тем-пературы, влажности и степени ионизации окружающего воздуха. При стандартизованных измерениях частота электромагнитного поля –

78

10 Гц, температура – 20°С, относительная влажность воздуха – 60%. С увеличением частоты электрического поля диэлектрическая прони-цаемость у большинства ПКМ незначительно снижается.

Диэлектрические потери ′ε – это энергия, которая рассеивается (диссипирует) в полимерном диэлектрике при прохождении через него электрического тока. Диссипация внешней энергии сопровождается нагреванием физического тела: tg .′ε = ε ⋅ δ (4.5)

Величина диэлектрических потерь определяется значением tgδ и чем меньше его величина, тем выше возможности ПКМ как диэлектрика.

Таблица 4.4 Классификация ПКМ по величине диэлектрической проницаемости

№ п/п Тип Значение диэлектрической

проницаемости 1 Неполярные 1,8 < ε < 2,3

2 Малополярные 2,3 < ε < 3,0

3 Полярные 3,0 < ε < 4,0

4 Сильнополярные ε > 4,0

Электрическая проводимость характеризуется удельной объ-емной проводимостью образца в виде куба, причем постоянный ток проходит через куб между двумя противоположными гранями. В при-кладных целях электропроводимость характеризуют величиной, об-ратной проводимости по физическому смыслу, а именно объемным электрическим сопротивлением ρV. По величине удельного объемного сопротивления все ПКМ подразделяют на три группы (табл. 4.5) [6].

Электрическая прочность характеризует значения пробоя ди-электрика. Упрощенно значение электрической прочности можно оп-ределить из выражения:

пр0

0,6 ,ЕЕ ≈ε ⋅ ε

(4.6)

где 0ε – постоянная величина, равная диэлектрической проницаемо-

сти вакуума 8,85·10–12 Ф/м.

79

Таблица 4.5 Классификация ПКМ

по величине удельного объемного сопротивления

№ п/п Тип Удельное объемное

сопротивление, ρV, Ом⋅м 1 Диэлектрики (изоляторы) > 108

2 Полупроводники 102…108

3 Проводники: – проводящие; – высокопроводящие

10–2…102 10–6…10–2

В качестве электропроводных наполнителей для ПКМ применя-ются: золото, мелкодисперсный серебряный порошок (электропро-водность повышается после вакуумной термообработки), никель, мо-либден, графит, медь, технический углерод, мелкодисперсные порош-ки металлов (например, цинка). Пористость ПКМ снижает их диэлек-трические свойства, а поглощенная влага резко меняет все электри-ческие характеристики.

4.5. Акустические свойства ПКМ

Акустические свойства характеризуют способность ПКМ пере-носить и поглощать энергию звуковых колебаний, которые в зависи-мости от частоты подразделяют на:

– инфразвуковые до 20 Гц; – звуковые от 20 Гц до 20 кГц; – ультразвуковые более 20 кГц. Под акустическими (или виброзвукопоглощающими) ПКМ приня-

то понимать материалы, предназначенные для поглощения акустиче-ской энергии в спектре частот от инфразвуковых до ультразвуковых колебаний [23].

В качестве матрицы для создания акустических ПКМ чаще всего используют полиуретаны или каучуки. В качестве наполнителей – слюду, технический углерод, технический графит. Часто в качестве вибро- и звукопоглощающих материалов используют вспененные ПКМ. Обычно вспененные материалы приобретают пониженную теп-лопроводность, что делает их еще и теплоизолирующими.

80

Вспенивание можно осуществить физическим или химическим способами. При химическом варианте в состав композиции вводят га-зообразователи, которые в процессе получения материала разлага-ются. При физическом варианте расплав ПКМ насыщается газом при избыточном давлении в смесителях. Максимальный коэффициент вспенивания ПКМ составляет 3,5. Поры могут быть открытыми или за-крытыми. Открытые поры дополнительно герметизируют.

Таким образом, модификация свойств полимерных материалов путем использования специальных наполнителей позволяет создать ПКМ, которые могут обладать рядом специальных свойств, необходи-мых в машиностроении.

Контрольные вопросы

1. Какие количественные методы используются для определе-ния стойкости ПКМ к воздействию агрессивных сред?

2. Какие качественные методы используются для определения стойкости ПКМ к воздействию агрессивных сред?

3. Какие показатели позволяют определить горючесть ПКМ? 4. Как называются материалы, позволяющие повысить стойкость

ПКМ к горению и препятствующие распространению пламени? 5. Какими показателями характеризуются теплозащитные и теп-

лоизоляционные свойства ПКМ? 6. Какими параметрами характеризуются процессы трения и со-

провождающего его износа ПКМ? 7. Какие типы матриц и наполнителей используются при созда-

нии фрикционных ПКМ? 8. Какие типы матриц и наполнителей используются при созда-

нии антифрикционных ПКМ? 9. На какие группы принято подразделять ПКМ по величине ди-

электрической проницаемости? 10. Какие материалы могут быть использованы в качестве элек-

тропроводных наполнителей для ПКМ?

81

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Андреева, А.В. Основы физикохимии и технологии компози-тов: учеб. пособие / А.В. Андреева. – М.: ИПРЖР, 2001. – 192 с.

2. Баженов, С.Л. Механика и технология композиционных мате-риалов / С.Л. Баженов. – Долгопрудный: Интеллект, 2014. – 332 с.

3. Баурова, Н.И. Влияние климатических и эксплуатационных факторов на свойства ремонтных материалов / Н.И. Баурова // Авто-транспортное предприятие. – 2009. –№ 3. – С. 13–15.

4. Баурова, Н.И. Имитация эксплуатационных циклов, характери-зующих термическую усталость материалов / Н.И. Баурова, А.Ю. Сер-геев // Энциклопедия инженера-химика. – 2013. – № 8. – С. 31–35.

5. Баурова, Н.И. Оценка синергетического эффекта процесса на-копления повреждений в полимерных материалах с использованием теории катастроф / Н.И. Баурова, В.А. Зорин, В.М. Приходько // Теоре-тические основы химической технологии. – 2016. – Т. 50, № 1. – С. 122.

6. Баурова, Н.И. Применение полимерных композиционных мате-риалов при производстве и ремонте машин: учеб. пособие / Н.И. Бау-рова, В.А. Зорин. – М.: МАДИ, 2016. – 264 с.

7. Бородулин, А.С. Оптимизация реологических свойств связую-щих, используемых при формовании изделий из стеклопластиков ме-тодом вакуумной инфузии / А.С. Бородулин, Г.В. Малышева, И.К. Ро-манова // Клеи. Герметики. Технологии. – 2015. – № 3. – С. 40–44.

8. Горбаткина, Ю.А. Адгезия дисперсно-наполненных эпоксидов к твердым телам / Ю.А. Горбаткина, В.Г. Иванова-Мумжиева // Механи-ка композитных материалов. – 2012. – № 2. – С. 235–248.

9. Зорин, В.А. Механизм разрушения эпоксидных связующих, на-ходящихся в стеклообразном состоянии / В.А. Зорин, Н.И. Баурова // Физика и химия стекла. – 2015. – Т. 41, № 2. – С. 243–250.

10. Зорин, В.А. Моделирование свойств ремонтных материалов при длительном воздействии эксплуатационных факторов / В.А. Зорин, Н.И. Баурова // Механизация строительства. – 2012. – № 1. – С. 15–17.

11. Зорин, В.А. Применение интеллектуальных материалов при производстве, диагностировании и ремонте машин: монография /

82

В.А. Зорин, Н.И. Баурова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: ИНФРА-М, 2015. – 110 с.

12. Зорин, В.А. Повышение стойкости полимерных материалов, применяемых при ремонте машин, к воздействию циклических нагру-зок / В.А. Зорин, Н.И. Баурова // Механизация строительства. – 2013. – № 4 (826). – С. 25–27.

13. Зорин, В.А. Управление микроструктурой и свойствами напол-ненных полимерных композиций / В.А. Зорин, Н.И. Баурова, А.М. Шаку-рова // Клеи. Герметики. Технологии. – 2013. – № 5. – С. 31–35.

14. Климатическое старение композиционных материалов авиа-ционного назначения. Механизмы старения / Е.Н. Каблов, О.В. Стар-цев, А.С. Кротов, В.Н. Кириллов // Деформация и разрушение мате-риалов. – 2010. – № 11. – С. 19–27.

15. Лапина, Н.В. Особенности отработки деталей машин на тех-нологичность при переходе на новые конструкционные материалы / Н.В. Лапина, Н.И. Баурова // Все материалы. Энциклопедический справочник. – 2016. – № 1. – С. 11–15.

16. Малышева, Г.В. Оптимизация выбора параметров, характери-зующих состояние объекта, при решении задач надежности / Г.В. Ма-лышева, И.К. Романова // Ремонт, восстановление, модернизация. – 2015. – № 1. – С. 29–33.

17. Малышева, Г.В. Оценка температур фазовых переходов по-лимерных связующих методом дифференциально-сканирующей ка-лориметрии / Г.В. Малышева, Э.Щ. Ахметова, Ю.Ю. Шимина // Клеи. Герметики. Технологии. – 2014. – № 6. – С. 29–33.

18. Махутов, Н.А. Конструкционная прочность, ресурс и техноло-гическая безопасность. В 2 ч. / Н.А. Махутов; под ред. К.В. Фролова, В.В. Москвичева. – Новосибирск: Наука, 2005. – 493 с.

19. Петрова, А.П. Влияние наполнителей на эксплуатационные характеристики клеевых соединений / А.П. Петрова // Клеи. Герметики. Технологии. – 2013. – № 10. – С. 11–13.

20. Полимерные композиционные материалы: структура, свойст-ва, технология: учеб. пособие / под ред. А.А. Берлина. – 3-е изд., испр. – СПб.: ЦОП «Профессия», 2011. – 560 с.

83

21. Сергеев, А.Ю. Напряжения, возникающие в процессе отвер-ждения композита, намотанного на цилиндрическую поверхность эле-мента выхлопной системы / А.Ю. Сергеев, Р.А. Турусов, Н.И. Баурова // Механика композитных материалов. – 2015. – Т. 51, № 3. – С. 1–16.

22. Сергеев, А.Ю. Ремонт элементов систем выпуска отработав-ших газов машин с использованием полимерных композиционных ма-териалов / А.Ю. Сергеев, Н.И. Баурова // Автотранспортное предпри-ятие. – 2015. – № 4. – С. 41–43.

23. Склеивание в машиностроении: справочник. В 2 т. / под ред. Г.В. Малышевой. – М.: Наука и технологии, 2005. – Т.1. – 545 с.; Т.2 – 244 с.

24. Технология машиностроения, производство и ремонт подъем-но-транспортных, строительных и дорожных машин / под ред. В.А. Зо-рина. – М.: Академия, 2010. – 568 с.

25. Тюменева, Т.Ю. Влияние наполнителей на свойства клеев ре-зинотехнического назначения / Т.Ю. Тюменева, А.С. Когтенков, Н.Ф. Лу-кина // Труды ВИАМ. – 2014. – № 4.

26. Хозин, В.Г. Усиление эпоксидных полимеров / В.Г. Хозин. – Казань: Изд-во ПК «Дом печати», 2004. – 446 с.

27. Baurova, N.I. Microstructural investigations of surfaces of destruc-tion of carbon plastic / N.I. Baurova // Polymer Science. Series D. – 2013. – T. 6, № 3. – P. 246–249.

28. Baurova, N.I. Structural studies of fracture patterns in adhesive joints after pullout testing / N.I. Baurova, A.Y. Sergeev // Polymer Science. Series D. – 2014. – T. 7, № 4. – P. 298–302.

Учебное издание

БАУРОВА Наталья Ивановна ЗОРИН Владимир Александрович

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ

СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ

КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Редактор Н.В. Шашина

Подписано в печать 21.02.2017 г. Формат 60×84/16. Усл. печ. л. 5,25. Тираж 60 экз. Заказ . Цена 175 руб.

МАДИ, Москва, 125319, Ленинградский пр-т, 64.