RU2567958C2 - Композиционный материал с повышенными демпфирующими свойствами на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (свмпэ) - Google Patents
Композиционный материал с повышенными демпфирующими свойствами на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (свмпэ) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2567958C2 RU2567958C2 RU2013156379/05A RU2013156379A RU2567958C2 RU 2567958 C2 RU2567958 C2 RU 2567958C2 RU 2013156379/05 A RU2013156379/05 A RU 2013156379/05A RU 2013156379 A RU2013156379 A RU 2013156379A RU 2567958 C2 RU2567958 C2 RU 2567958C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ultra
- high molecular
- composite material
- molecular polyethylene
- strength
- Prior art date
Links
Abstract
Изобретение относится к полимерному материаловедению и может быть использовано для изготовления элементов спортивных болидов и в машиностроении для изготовления изделий конструкционного назначения, требующих высоких демпфирующих свойств, работающих при высоких давлениях, устойчивых к ударным нагрузкам при низких температурах. Композиционный материал изготовлен из механоактивированного сверхвысокомолекулярного полиэтилена, содержит армирующий материал, в качестве которого использованы высокопрочные углеродные волокна из фенольного волокна в количестве от 1,2 до 5,5 мас.% от массы сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Материал обладает высокой ударной прочностью, способен поглощать основную часть энергии вибрации и способствует затуханию колебаний, имеет высокую стойкость к истиранию и небольшую деформацию статического сжатия. 1 табл.
Description
Изобретение относится к полимерному материаловедению и может быть использовано для изготовления элементов спортивных болидов (спортивных саней для скоростного спуска), а также в машиностроении для изготовления изделий конструкционного назначения, требующих высоких демпфирующих свойств, работающих при высоких давлениях, устойчивых к ударным нагрузкам при низких температурах.
К большинству современных конструкционных материалов на основе полимерных матриц предъявляют комплекс требований к физико-механическим, морозоустойчивым, износостойким, теплофизическим и другим характеристикам. В связи с этим при создании композитов необходимо подобрать компоненты, которые оказывают комплексное воздействие на полимерную матрицу, обеспечивая синергетический эффект.
Известна полимерная композиция, содержащая полиформальдегид, модифицированный сернокислым барием, тальком и нитридом бора и сверхвысокомолекулярный полиэтилен (Авторское свидетельство СССР 1670911, C08L 59/02).
Материал имеет высокие физико-механические свойства и эффективен при использовании в качестве конструкционного материала в машиностроении, в частности станкостроении, при изготовлении деталей копировальных устройств отделочнообточных станков.
Недостатком материала является высокое значение износа, низкая морозоустойчивость и высокая текучесть под нагрузкой.
Известен материал «Тинолен» на основе полиэтилена сверхвысокомолекулярного, который обладает высокой морозоустойчивостью. Из Тинолена изготавливают изделия технического назначения: листы, пластины, шестерни, высокопрочные нити, спортивные изделия, хоккейные площадки; медицинские изделия - детали протезирования и ортопедии. Недостатком материала являются невысокие износостойкость и морозостойкость.
Известен однородный композит (RU 2087490 C1, МПК C08L 23/04, 20.08.1997), который включает, масс.%, 25,5-92,0 ультравысокомолекулярного линейного полиэтилена с высокой молекулярной массой и температурой плавления кристаллитов выше 143°C. При этом полиэтилен способен к понижению температуры плавления при повторном плавлении, по меньшей мере, на 3°C и имеет кристаллическую морфологию, проявляющуюся в бимодальном распределении параметра складывания молекулярных цепей в кристаллической решетке.
Использование: для получения пленок, протезов, цилиндрических стержней, листовых материалов, панелей.
Недостатком материала является низкая устойчивость к нагрузкам, невысокая стойкость к истиранию частицами повышенной твердости.
Известен композиционный полимерный материал, характеризующийся высокой теплостойкостью и устойчивостью к деформациям, содержащий сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), модифицированный углеродными нанотрубками в количестве 0,01-5 масс.% (патент CN 1431342 A, 23.07.2003, (D1). Недостатком материала является низкая стойкость к воздействию многократных деформаций.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному материалу и широко применяемый для изготовления деталей, работающих в режиме многократных деформаций является фторопласт Ф-4 полимерный материал, получаемый химическим путем (патент RU(11) 2414488 C2 МПК C09K 11/06 (2006.01)).
Фторопласт Ф-4 содержит атомы фтора, плохо растворяется или не растворяется во многих органических растворителях, не растворим в воде и не смачивается ею. Фторопласты характеризуются широким диапазоном механических свойств, имеют высокую прочность, динамический модуль, высокие диэлектрическими свойствами, низкими значениями износа. Фторопласты стойки к действию различных агрессивных сред при комнатной и повышенной температуре, атмосфере-, коррозионно- и радиационно-стойки, слабо газопроницаемы, не горючи или самозатухают при возгорании. Используются для изготовления уплотнителей, манжет, торцевых уплотнений, шевронных манжет, уплотнений шаровых, уплотнений для работы в особо агрессивных средах.
Однако фторопласт обладает текучестью при больших давлениях (холодной текучестью) и не имеет достаточной стойкости к истиранию и действию вибрационных нагрузок.
Данный материал принят за прототип.
Технической задачей изобретения является разработка износостойкого композиционного материала на основе СВМПЭ для конструкционных изделий, работающий при высоких давлениях, в режиме многократных деформаций и вибрационных нагрузок. Основное требование к заявляемому материалу - он должен обладать высокой ударной прочностью, поглощать основную часть энергии вибрации и способствовать затуханию колебаний, т.е. обладать демпфирующими свойствами. Технологический процесс изготовления изделий из этого материала не требует специального оборудования и дополнительных затрат.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, состоит в получении композиционного материала, имеющего высокие демпфирующие свойства и высокую ударную прочность, обладающего низкой текучестью при высоких давлениях, без потери технических характеристик прототипа, в том числе показателя морозоустойчивости.
Поставленная задача решается тем, что сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) подвергают механоактивации, затем, в качестве армирующего материала вводят высокопрочные углеродные волокна (УВ) из фенольного волокна в количестве от 1,2 до 5,5 масс.%.
В результате чего у полученного композиционного материала значительно снижается текучесть под нагрузкой, повышаются демпфирующие свойства, улучшается ударная прочность как по сравнению с «чистым» СВМПЭ, так и с прототипом. При этом показатель истираемости, коэффициента поглощения колебаний и динамический модуль упругости значительно улучшаются, показатель деформации статического сжатия (при давлении 17 МПа в течение 24 часов), характеризующий текучесть материала под нагрузкой, улучшается в 3-3.5 раза по сравнению с фторопластом марки Ф-4.
В качестве полимера использовали механоактивированный сверхвысокомолекулярный полиэтилен, модифицированный углеродными волокнами, который относится к классу полиэтиленов низкого давления (ПЭНД), но благодаря уникальным структурным и физико-механическим свойствам, выделен в отдельный класс полиэтиленов.
В качестве армирующего материала в композиционный материал вводили углеродные волокна (УВ) от 1,2 до 5,5 масс.%. Применение углеродных волокон из фенольного волокна во многих областях промышленности определяется их высокой динамической стойкостью которая связана с их структурными особенностями.
УВ из фенольного волокна представляют собой химически очень чистое вещество. Химический состав УВ зависит от условия их получения. С повышением температуры термической обработки содержание углерода увеличивается от 80 до 99,5%. По содержанию углерода УВ разделяют на карбонизованые (не более 90% углерода), угольные (от 91 до 98% углерода) и графитовые (свыше 98% углерода). В заявленном композиционном материале применяются высокопрочные угольные УВ, имеющие диаметр от 6 до 10 мкм, площадь внутренней поверхности от 50 до 400 м2/г. Характерной особенностью высокопрочных УВ является высокий модуль Юнга (200-300 ГПа), высокая прочность на разрыв (3000-7000 МПа), низкий коэффициент трения, высокая стойкость к атмосферному влиянию и действию особо агрессивных сред. УВ обладают очень низким, почти нулевым коэффициентом линейного расширения (10-6 K-1), что особенно важно для условий эксплуатации предлагаемого материала. УВ используют в различных областях промышленности, в том числе, для термозащиты космических кораблей, самолетов, ракет, изготовления из них носовых обтекателей.
Поставленная задача решается тем, что сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) активируют в механоактиваторе АГО-2С, который позволяет при ускорениях шаров до 60 g развивать удельную мощность до 100 Вт/г, при этом, благодаря водяному охлаждению, температура в барабанах регулируется. В процессе активации молекулярное устройство СВМПЭ изменяется без разрыва внутримолекулярных связей. Благодаря высокой пластичности СВМПЭ величина удельных энергий при механической активации недостаточна для разрыва С-С связей, но достаточна для изменения укладки углеводородных цепей. Вследствие низкой термической стабильности СВМПЭ, процесс реализован при температуре не выше 140°C.
Механоактивация СВМПЭ обеспечивает более эффективное межмолекулярное взаимодействие и, как следствие, повышение прочностных характеристик изделий, улучшение морозостойкости, сопротивления удару материала.
Модификацию механоактивированного СВМПЭ углеродными нанотрубками и углеродными волокнами производили в ультразвуковом активаторе УЗТА-063/22-0 «Волна». Такой способ модификации обеспечивает максимально равномерное распределение модификаторов в СВМПЭ.
Пример получения заявленного композиционного материала. Подготавливали навески ингредиентов композиционного материала по массе, согласно рецепта.
Навеску сверхвысокомолекулярного полиэтилена активируют в механоактиваторе АГО-2С в течение 10 мин при частоте вращения барабанов в переносном движении 1820 об./мин.
Навески углеродных волокнон в количестве от 1,2 до 5,5 масс.% от массы СВМПЭ совместно с механоактивированным СВМПЭ помещали в ультразвуковой активатор УЗТА-063/22-0 «Волна» и перемешивали 1-2 минуты. Испытания проводили следующим образом.
Образцы для испытаний на определение статической деформации сжатия изготавливали на гидравлическом вулканизационном прессе 250×250 в цилиндрической пресс-форме с пуансоном диметром 49,3 мм высотой 90 мм при температуре 195±5°C, давлении 7,0 МПа в течение 15 минут. Образцы для определения истираемости изготавливали на гидравлическом вулканизационном прессе 250×250 в квадратной пресс-форме, при этом испытуемая поверхность образца имеет форму квадрата со стороной 20,0±0,5 мм. Режимы изготовления аналогичны вышеуказанным. Образцы кондиционируют при температуре 23±3°C не менее 12 часов - истираемость по ГОСТ 426-77. Испытания проводили на приборе типа МИ-2 (шлифовальная шкурка №16-Н, количество оборотов диска - n=600, постоянный груз = 3,6 кг);
- деформацию статического сжатия при давлении 17 МПа в течение 24 часов определяли по разработанной авторами методике:
Замеряли высоту образца и устанавливали его в лабораторный пресс 250×250, выдерживали под давлением 17,0 МПа в течение 24 часов при температуре (25±5)°C, после чего через 90 мин «отдыха» вновь замеряли высоту образца. Расчет деформации определяли по формуле, %:
100-h2/h1×100
где h2 - высота образца после испытаний;
h1 - высота образца до испытаний.
Результаты испытаний полученного композиционного материала и сравнение его свойств с прототипом приведены в таблице.
Предлагаемый композиционный материал превосходит прототип по показателю деформации статического сжатия, характеризующий текучесть материала под нагрузкой, в 2-4 раза; по козффициентй поглащения колебаний до 37%, динамический модуль упругости при средних значениях гармонического цикла нагружения 5,0 МПа при частоте 0,1 Гц на 15%.
Именно эти показатели определяют эксплуатационные характеристики предлагаемого материала и являются наиболее важными для изделий конструкционного назначения, обладающих демпфирующими свойствами.
Эффект достигается путем введения в предварительно механоактивированный СВМПЭ, высокопрочных углеродных волокон из фенольного волокна в количестве от 1,2 до 5,5 масс.%. Увеличение содержания УВ выше заявленных пределов снижает совокупный эффект, а уменьшение не обеспечивает дополнительный эффект. Особенностью полученного композиционного материала является его высокие демпфирующие свойства, высокая ударную прочность, низкая текучесть при высоких давлениях, без потери технических характеристик прототипа, в том числе показателя морозоустойчивости.
Характеристики износостойкого композиционного материала
Claims (1)
- Композиционный материал с улучшенными демпфирующими свойствами для конструкционных изделий, работающий в режиме многократных деформаций и вибрационных нагрузок при высоких давлениях, из механоактивированного сверхвысокомолекулярного полиэтилена, характеризующийся тем, что в качестве армирующего материала использованы высокопрочные углеродные волокна из фенольного волокна в количествах от 1,2 до 5,5% от массы сверхвысокомолекулярного полиэтилена.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013156379/05A RU2567958C2 (ru) | 2013-12-18 | 2013-12-18 | Композиционный материал с повышенными демпфирующими свойствами на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (свмпэ) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013156379/05A RU2567958C2 (ru) | 2013-12-18 | 2013-12-18 | Композиционный материал с повышенными демпфирующими свойствами на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (свмпэ) |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013156379A RU2013156379A (ru) | 2015-06-27 |
RU2567958C2 true RU2567958C2 (ru) | 2015-11-10 |
Family
ID=53497115
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013156379/05A RU2567958C2 (ru) | 2013-12-18 | 2013-12-18 | Композиционный материал с повышенными демпфирующими свойствами на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (свмпэ) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2567958C2 (ru) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2674019C1 (ru) * | 2017-12-27 | 2018-12-04 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Экструдируемый антифрикционный композит на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена |
RU2674258C1 (ru) * | 2018-09-20 | 2018-12-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Иерархически армированный гетеромодульный экструдируемый твердосмазочный нанокомпозит на основе СВМПЭ и способ его получения |
RU2681634C1 (ru) * | 2017-12-14 | 2019-03-11 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" | Способ получения композиционного материала на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена |
RU2776312C1 (ru) * | 2021-05-17 | 2022-07-18 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет"(ОмГТУ) | Способ разработки полимерного композиционного материала с учётом его последующей утилизации и устройство для его реализации |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1431342A (zh) * | 2003-01-28 | 2003-07-23 | 东华大学 | 冻胶纺超高分子质量聚乙烯/碳纳米管复合纤维及其制备 |
WO2009032015A1 (en) * | 2007-09-04 | 2009-03-12 | Intellectual Property Holdings, Llc | Thermoplastic vibrational damper with constraining layer |
RU2381242C2 (ru) * | 2008-04-15 | 2010-02-10 | Институт химии и химической технологии СО РАН | Композиционный износостойкий материал на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (свмпэ) |
RU2425850C2 (ru) * | 2009-05-04 | 2011-08-10 | Институт химии и химической технологии СО РАН | Композиционный резинополимерный износостойкий материал для гидравлических устройств |
RU2500697C1 (ru) * | 2012-06-27 | 2013-12-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (НИТУ "МИСиС") | Способ получения композиционных материалов на полимерной основе, армированных углеродными волокнами |
-
2013
- 2013-12-18 RU RU2013156379/05A patent/RU2567958C2/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1431342A (zh) * | 2003-01-28 | 2003-07-23 | 东华大学 | 冻胶纺超高分子质量聚乙烯/碳纳米管复合纤维及其制备 |
WO2009032015A1 (en) * | 2007-09-04 | 2009-03-12 | Intellectual Property Holdings, Llc | Thermoplastic vibrational damper with constraining layer |
RU2381242C2 (ru) * | 2008-04-15 | 2010-02-10 | Институт химии и химической технологии СО РАН | Композиционный износостойкий материал на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (свмпэ) |
RU2425850C2 (ru) * | 2009-05-04 | 2011-08-10 | Институт химии и химической технологии СО РАН | Композиционный резинополимерный износостойкий материал для гидравлических устройств |
RU2500697C1 (ru) * | 2012-06-27 | 2013-12-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (НИТУ "МИСиС") | Способ получения композиционных материалов на полимерной основе, армированных углеродными волокнами |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2681634C1 (ru) * | 2017-12-14 | 2019-03-11 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" | Способ получения композиционного материала на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена |
RU2674019C1 (ru) * | 2017-12-27 | 2018-12-04 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Экструдируемый антифрикционный композит на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена |
RU2674258C1 (ru) * | 2018-09-20 | 2018-12-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Иерархически армированный гетеромодульный экструдируемый твердосмазочный нанокомпозит на основе СВМПЭ и способ его получения |
RU2776312C1 (ru) * | 2021-05-17 | 2022-07-18 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет"(ОмГТУ) | Способ разработки полимерного композиционного материала с учётом его последующей утилизации и устройство для его реализации |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013156379A (ru) | 2015-06-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Suresha et al. | Influence of graphite filler on two-body abrasive wear behaviour of carbon fabric reinforced epoxy composites | |
Brunbauer et al. | Mechanical properties, fatigue damage and microstructure of carbon/epoxy laminates depending on fibre volume content | |
Fei et al. | Effect of carbon fiber content on the friction and wear performance of paper-based friction materials | |
RU2381242C2 (ru) | Композиционный износостойкий материал на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (свмпэ) | |
Agarwal et al. | Mechanical and thermo–mechanical properties of bi-directional and short carbon fiber reinforced epoxy composites | |
Ji et al. | Effects of the shapes and dimensions of mullite whisker on the friction and wear behaviors of resin-based friction materials | |
Tiwari et al. | Comparative performance assessment of cenosphere and barium sulphate based friction composites | |
RU2567958C2 (ru) | Композиционный материал с повышенными демпфирующими свойствами на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (свмпэ) | |
Yu et al. | Effects of vacuum thermal cycling on mechanical and physical properties of high performance carbon/bismaleimide composite | |
Wang et al. | Mechanical and tribological characteristics of carbon nanotube-reinforced polyvinylidene fluoride (PVDF)/epoxy composites | |
Raju et al. | The effect of silicon dioxide filler on the wear resistance of glass fabric reinforced epoxy composites | |
Zhou et al. | Synergetic effect of epoxy resin and carboxylated nitrile rubber on tribological and mechanical properties of soft paper-based friction materials | |
Ray et al. | Friction and wear behavior of vinylester resin matrix composites filled with fly ash particles | |
Akıncıoğlu et al. | Experimental investigation on the friction characteristics of hazelnut powder reinforced brake pad | |
Berladir et al. | Designing and examining polytetrafluoroethylene composites for tribotechnical purposes with activated ingredients | |
Yin et al. | Effective resin content and its effect on the overall performance of polymer concrete for precision machine tools | |
Kumar et al. | A comparative study of alkali treated date palm fiber based brake friction composites and standard Kevlar‐based brake friction composites | |
Zhou et al. | Building the silicon carbide nanowire network on the surface of carbon fibers: Enhanced interfacial adhesion and high-performance wear resistance | |
Kumar et al. | A novel Himachal’s Bagar (Sabai) grass fiber used as a brake friction material in brake polymer composite and compared to standard brake friction material | |
Rich et al. | Interfacial properties of some high-strain carbon fibers in an epoxy matrix | |
Gupta et al. | Effect of stacking sequence on flexural and dynamic mechanical properties of hybrid sisal/glass polyester composite | |
Altin Karataş | Investigation of friction performance and surface integrity of aramid fiber‐reinforced polymer matrix composite | |
Buketov et al. | Influence of the structure of epoxy composite filled with discrete fibers on impact fracture of vehicle parts | |
He et al. | Evaluation of the fracture behaviors of fluoropolymer binders with the essential work of fracture (EWF) | |
Pati et al. | Processing and characterization of glass-epoxy composites filled with Linz-donawitz (LD) slag |