Введение

Одним из направлений научной деятельности ФГУП «ВИАМ» является разработка антифрикционных органопластиков для тяжелонагруженных узлов трения скольжения [1–8]. Антифрикционные органопластики марок Оргалон АФ-1М-260 и Оргалон АФ-1М-500 на основе политетрафторэтиленовых волокон широко используются в авиационной технике и позволяют решить важную проблему – обеспечить работоспособность подшипников без смазки, т. е. в условиях сухого трения. Их применение для формирования самосмазывающихся поверхностей трения позволяет значительно упростить конструкцию подшипников и снизить затраты на их обслуживание при эксплуатации. Тяжелонагруженные узлы трения с использованием антифрикционных органопластиков Оргалон АФ-1М-260 и Оргалон АФ-1М-500 имеются в конструкциях вертолетов Ка-32, Ка-50, Ка-52, Ми-28, Ми-34 и др. Это шарниры агрегатов несущей системы, системы управления, стоек шасси, крепления демпфера лопастей и др.

В работах [5–7] рассмотрены антифрикционные органопластики на основе комбинированных тканей из полиимидных и политетрафторэтиленовых волокон, арамидных волокон и волокон из сверхвысокомолекулярного полиэтилена. В качестве полимерной матрицы использовали растворное фенолокаучуковое или расплавное эпоксидное связующее. Исследованы антифрикционные свойства разработанных материалов и выявлены закономерности изменения этих свойств в зависимости от состава органопластика и нагрузочно-скоростных параметров в па́рах трения «органопластик–углепластик» и «органопластик–сталь». Показано, что данные материалы относятся к высокоэффективным материалам антифрикционного назначения для использования в качестве покрытий трения в тяжелонагруженных узлах (металл, углепластик), работающих без смазки в течение всего срока эксплуатации.

В данной работе в продолжение исследования свойств антифрикционных материалов рассмотрен органопластик на основе комбинированной ткани из полиимидных и политетрафторэтиленовых (ПТФЭ) волокон и расплавного эпоксидного связующего. Целью работы являлось исследование его основных физических и физико-механических свойств в диапазоне температур эксплуатации в умеренном климате.

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 13. «Полимерные композиционные материалы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [9].

Материалы и методы

Объектом исследования является антифрикционный органопластик, армированный полимерным наполнителем (ткань техническая арт. 5392-81, ТУ8278-124-35227510–2005), представляющим собой комбинированную двухстороннюю ткань, выпускаемую в суровом виде с двухуточным переплетением на базе неправильного четырехремизного атласа из политетрафторэтиленовых нитей марки «Полифен» с линейной плотностью 44,4 текс и полиимидных нитей марки «Аримид» с линейной плотностью 29,4 текс. Поверхностная плотность тканого наполнителя составляет 350 г/м². В качестве полимерной матрицы использовали расплавное эпоксидное связующее марки ВСЭ-40 (ТУ1-595-12-1502–2015). Время гелеобразования связующего при 110±2°С составляет 60 мин, температура стеклования отвержденного связующего 120°С.

Исследуемый органопластик получали в две стадии: на первой стадии осуществляли изготовление препрега органопластика на основе тканого комбинированного наполнителя (ткань техническая арт. 5392-81) и эпоксидного связующего ВСЭ-40; на второй – формование органопластика. Препрег получали по расплавной технологии на установке Coatema LS-11 при температуре 70°С [10, 11]. Органопластик изготавливали методом вакуумного формования при температуре 130±5°С . Массовая доля отвержденного связующего в органопластике составила 35±5% (по массе).

Плотность органопластика определяли методом гидростатического взвешивания при температуре 20°С по ГОСТ 15139–69. Сорбцию в парах воды органопластика проводили в условиях относительной влажности 50% и комнатной температуре эксикаторным методом, необходимая постоянная влажность достигалась с помощью растворов серной кислоты (плотность раствора 1,335 г/см³ [12]). Набухание в воде осуществляли при комнатной температуре в соответствии с ГОСТ 4650–2014 в течение 3 мес. Изменение массы образцов органопластика фиксировали гравиметрически с точностью ±10^-3 г. Сорбцию органопластика в парах нефтепродуктов осуществляли согласно СТП 1.595-20-355–2001 при комнатной температуре в течение 3 мес до установления сорбционного равновесия. В качестве среды использовали авиационное топливо ТС-1 (ГОСТ 10227) и авиационное масло ИПМ-10 (ТУ 38.101299).

Физико-механические испытания тканого наполнителя и органопластика проводили на разрывной машине Zwick Z 005 при растяжении со скоростью 10 мм/мин при температурах от -40 до +60°С и атмосферном давлении. Образцы ткани для испытаний представляли собой полоски размером 5×20 см согласно ТУ 8278-124-35227510–2005. Образцы органопластика имели размер 2×25 см согласно ГОСТ 25.601–80. Направление приложения нагрузки: вдоль нитей основы и по утку тканого наполнителя.

Результаты

Физические свойства органопластика. В данной работе установлены основные физические свойстваорганопластика. Определены следующие характеристики: плотность материала, толщина, сорбционная емкость по отношению к парам воды и некоторым нефтепродуктам, степень набухания в воде. В табл. 1 представлены свойства исследуемого органопластика.

Таблица 1

Физические свойства антифрикционного органопластика

Вследствие того, что в состав материала включены только полимерные компоненты, его плотность имеет значение 1,55 г/см³. Толщина антифрикционного органопластика составляет 0,25–0,30 мм. Невысокая плотность и малая толщина органопластика позволяют использовать его в качестве покрытия заданного размера и формы для модификации поверхностей трения без значимого увеличения массы и изменения конструкционных особенностей изделия.

Сорбционные свойства органопластика представлены в табл. 1. Равновесная степень набухания органопластика в воде не превышает 1,6% (по массе). Изменение массы образцов органопластика при сорбции в парах воды (влагосодержание) и нефтепродуктов – не более 1,1% (по массе). Линейные размеры образцов во всех испытаниях не изменяются. Таким образом, исследуемый органопластик обладает стойкостью по отношению к воде и авиационным нефтепродуктам и может успешно эксплуатироваться в их присутствии.

Физико-механические свойства органопластика. Полимерный наполнитель, используемый для формирования органопластика, как показано ранее, представляет собой комбинированную ткань, сочетающую два типа полимерных волокон: политетрафторэтиленовые и полиимидные нити. Ткань является двухсторонней, с преобладанием на каждой из сторон одного из вида волокон (в работе [8] приведены микрофотографии поверхностей ткани). В табл. 2 представлены некоторые свойства нитей, используемых при изготовлении тканого наполнителя.

Таблица 2

Свойства политетрафторэтиленовых и полиимидных нитей

Рис. 1. Деформационные кривые при растяжении комбинированной антифрикционной ткани арт. 5392-81 при приложении нагрузки по основе (1) и утку (2)

На рис. 1 показаны характерные деформационные кривые при растяжении комбинированной ткани из политетрафторэтиленовых и полиимидных волокон в направлении нитей основы ткани и в направлении утка. Видно, что они имеют вид S-образных кривых с участками упругой и пластической деформаций. При этом модуль упругости и разрывная нагрузка в 1,5–2 раза ниже, а относительное удлинение, наоборот, в 1,5 раза выше при растяжении вдоль основы по сравнению с растяжением в направлении утка. Это обусловлено структурой плетения ткани, в которой по основе расположены низкопрочные политетрафторэтиленовые нити, а по утку распределены два вида нитей – политетрафторэтиленовые и полиимидные. Последние, как видно из данных табл. 2, превосходят фторопластовые нити по прочности и имеют более низкие деформационные свойства, за счет чего выполняют армирующую функцию. Общее количество нитей на единицу длины по основе в 1,5 раза меньше, чем по утку, в направлении которого распределено равное количество нитей двух видов. Так, на 1 см ткани по основе приходится 22 шт. политетрафторэтиленовых нитей, а по утку – по 17 шт. политетрафторэтиленовых и полиимидных нитей.

В табл. 3 представлены сравнительные деформационно-прочностные свойства антифрикционной ткани при растяжении вдоль нитей основы и утка.

Таблица 3

Физико-механические свойства комбинированной антифрикционной ткани
арт. 5392-81 при температуре 20°С

Рис. 2. Кривые «напряжение–деформация» при растяжении антифрикционного органопластика при приложении нагрузки по основе (1) и утку тканого наполнителя (2)

Свойства антифрикционного органопластика на основе политетрафторэтилен-полиимидной ткани и эпоксидного связующего определяются вкладом всех компонентов композиционного материала, структурой армирующего наполнителя, а также уровнем межфазного взаимодействия «матрица–наполнитель» [16–18]. Как видно из данных рис. 2, присутствие отвержденного связующего оказывает влияние на механизм деформации. Так, при растяжении органопластика вдоль основы тканого наполнителя кривая характеризуется явно выраженной S-образностью с участками упругой и пластической деформаций. Наблюдается сходство с механизмом деформации исходной ткани при растяжении в направлении основы, однако с более выраженным скачкообразным переходом в область пластических деформаций, тогда как при растяжении по утку зависимость σ(ε) характеризуется только упругой деформацией, соответствующей квазихрупкому механизму разрушения материалов. Очевидно, что эпоксидная матрица способствовала упрочнению материала и особенно влияла на свойства на первой стадии процесса – в области упругих деформаций, тогда как ПТФЭ-составляющая в большей степени проявляется в области пластических деформаций и дает высокие значения относительного удлинения. Как видно из данных табл. 4, модуль упругости для органопластика по сравнению с тканым наполнителем больше в ~3 раза при растяжении в направлении утка и в ~5 раз при растяжении вдоль нитей основы. Относительное удлинение при разрыве органопластика в направлении приложения нагрузки по основе тканого наполнителя остается на том же уровне, что и для исходной ткани, т. е. приблизительно 20–25%. В то же время при растяжении вдоль утка относительное удлинение для органопластика составляет в среднем 3,5%, что в 4–5 раз ниже по сравнению с исходной тканью. Разрывная прочность при растяжении в различных направлениях (вдоль нитей основы и утка тканого наполнителя) имеет сопоставимые значения в отличие от исходного наполнителя, для которого прочность по утку в 1,5 раза выше, чем по основе.

Таблица 4

Физико-механические свойства антифрикционного органопластика

при температуре 20°С

В работе исследовано влияние температуры на деформационно-прочностные свойства органопластика на основе комбинированной политетрафорэтилен-полиимидной ткани в диапазоне температур эксплуатации, соответствующих умеренному климату – от -40 до +60°С. Установлены температурные зависимости модуля упругости, прочности и относительного удлинения при одноосном растяжении в направлении приложения нагрузки вдоль основы и утка тканого наполнителя (рис. 3–5).

Рис. 3. Температурные зависимости модуля упругости при растяжении антифрикционного органопластика (кривые 1 и 2) и тканого наполнителя (точки 3 и 4) при приложении нагрузки по основе (1, 3) и утку тканого наполнителя (2, 4)

Рис. 4. Температурные зависимости прочности при растяжении антифрикционного органопластика при приложении нагрузки по основе (1) и утку тканого наполнителя (2)

Рис. 5. Температурные зависимости относительного удлинения при растяжении антифрикционного органопластика (кривые 1 и 2) и тканого наполнителя (точки 3 и 4) при приложении нагрузки по основе (1, 3) и утку тканого наполнителя (2, 4)

Из данных рис. 3 можно видеть, что при растяжении вдоль утка тканого наполнителя модуль упругости (Е) органопластика снижается с ростом температуры от -40 до +20°С на ~40% и в диапазоне от 20 до 60°С – остается на том же уровне. При растяжении вдоль основы ткани с увеличением температуры от -40 до +20°С значение Е мало изменяется и начинает заметно снижаться при дальнейшем возрастании температуры до 60°С (на ~60%). Очевидно, что такой вид зависимостей Е(Т) обусловлен структурой наполнителя и присутствием эпоксидной полимерной матрицы. Отличие в тенденции изменения модуля упругости при растяжении в различных направлениях приложения нагрузки определяется ролью структуры тканого наполнителя. Следует отметить, что наибольшее сближение между значениями Е, полученными при растяжении в направлении утка и основы тканого наполнителя, наблюдается при ~20°С.

Как видно из данных рис. 4, прочность при растяжении (σ) антифрикционного органопластика снижается с ростом температуры. В случае приложения нагрузки вдоль нитей основы тканого наполнителя в исследуемом диапазоне температур можно отметить линейную зависимость σ(Т). При растяжении органопластика вдоль утка тканого наполнителя с возрастанием температуры от -40 до +20°С наблюдается значимое снижение прочности, тогда как при дальнейшем увеличении температуры от 20 до 60°С прочность, как и модуль упругости, практически не изменяется. Интересно, что значения σ при разрыве в направлении утка и основы при 20°С равны, в области температур от -40 до +20°С отличаются несущественно (причем при растяжении по утку значения ниже) и только при возрастании температуры ˃20°С можно видеть увеличение разницы в значениях прочности при различных направлениях приложения нагрузки.

Температурные зависимости относительного удлинения при растяжении ε для исследуемого органопластика представлены на рис. 5. Видно, что в рассматриваемом диапазоне температур при растяжении по направлению утка тканого наполнителя значение ε остается постоянным и составляет 3–4%, тогда как при растяжении по основе ткани с увеличением температуры относительное удлинение возрастает в ~2 раза (с ~10 до ~20%). Интересно, что в интервале температур от -40 до +20°С наблюдается интенсивное возрастание ε, тогда как при температурах 20–60°С значение ε практически не изменяется.

Таким образом, температурные зависимости деформационно-прочностных характеристик исследуемого органопластика подчиняются сложному механизму, обусловленному составом и структурой композиционного полимерного материала и зависят от направления приложения нагрузки. Результаты исследования показали роль отвержденного связующего, влияющего на структуру и свойства органопластика.

Следует отметить несколько аспектов, выявленных при анализе температурных зависимостей деформационно-прочностных свойств антифрикционного органопластика. Во-первых, показано влияние структуры армирующего наполнителя на физико-механические характеристики органопластика. Так, при растяжении органопластика по утку тканого наполнителя основное влияние на деформационно-прочностные характеристики оказывают полиимидные нити в составе тканого наполнителя, для которых характерно малое влияние температуры на прочность в исследуемом температурном интервале. При растяжении органопластика вдоль основы тканого наполнителя определяющую роль играют ПТФЭ волокна. Известно, что для ПТФЭ имеет место снижение прочности с ростом температуры [19] в рассматриваемом диапазоне и интенсивное увеличение деформации при температурах до 20–30°С с последующими незначительными изменениями.

Во-вторых, следует отметить область температур ~20°С, в которой наблюдается некий переход, выраженный в изменении тенденции на температурных зависимостях деформационно-прочностных параметров, вероятно обусловленный сменой механизма деформации. Можно предположить, что в исследуемом диапазоне температур до ~20°С решающее влияние на процесс деформации оказывает эпоксидная матрица и взаимодействие на границе раздела фаз «матрица–наполнитель». По мере приближения к температуре стеклования отвержденного эпоксидного связующего подвижность участков макромолекул возрастает, что сказывается на деформационно-прочностных свойствах композиционного материала. По этой причине с ростом температуры, как правило, наблюдается значительное снижение прочности и модуля упругости, а также увеличение деформации. Исключение составляют зависимости модуля упругости при растяжении по основе тканого наполнителя и деформации при растяжении по утку тканого наполнителя, которые в этом диапазоне мало изменяются в зависимости от температуры. В данном случае происходит выравнивание свойств – за счет влияния как матрицы, так и структуры наполнителя. После ~20°С в большей степени, по мнению авторов, играет роль армирующий наполнитель. Прочность, модуль упругости и деформация при растяжении по утку тканого наполнителя в зависимости от температуры изменяются незначительно вследствие роли полиимидной составляющей ткани. При растяжении вдоль основы, наоборот, можно заметить интенсивное снижение прочности и модуля упругости. Деформационные свойства в этой области температур меняются мало – как было сказано ранее, для ПТФЭ характерно незначительное влияние температур выше 20–30°С на деформацию [19].

Обсуждение и заключения

Таким образом, в данной работе получены данные по основным физическим и физико-механическим свойствам антифрикционного органопластика на основе комбинированного политетрафторэтиленполиимидного тканого наполнителя и эпоксидного связующего. Определены такие параметры, как плотность, толщина покрытия, равновесное влагосодержание, степень набухания в воде и нефтепродуктах. Установлены деформационно-прочностные характеристики тканого наполнителя и органопластика на его основе при растяжении в направлении приложения нагрузки по основе нитей и по утку тканого наполнителя. Проведен сравнительный анализ. Проанализированы кривые «напряжение–деформация» для исходного тканого наполнителя и органопластика на его основе. Установлены температурные зависимости модуля упругости, прочности и деформации при растяжении. Показано, что исследуемый полимерный композиционный материал в диапазоне температур от -40 до +60°С характеризуется достаточно высокими прочностными свойствами (модуль упругости 0,7–4,5 ГПа, прочность при растяжении 30–110 МПа) и небольшими относительными деформациями (удлинение при растяжении 3–22%), следовательно может с успехом эксплуатироваться в условиях умеренного климата.