Введение

В качестве антифрикционных материалов в некоторых случаях используются неметаллические материалы, такие как древесно-слоистые и текстолиты, которые применяются для подшипников скольжения, втулок, для защиты проводов тросов управления самолета и других целей. Однако существующие текстолиты не всегда обеспечивают заданные требования.

Так, в конструкциях шасси самолетов такие материалы подвергаются одновременному воздействию высоких температур и трению и должны изготовляться из материала, обладающего высокой механической прочностью, теплостойкостью и антифрикционными свойствами [1–4]. Помимо этого, материал должен работать длительно (до 1000 ч) и кратковременно (до 100 ч) при температурах 300 и 350°С соответственно, с сохранением при этом прочности при сжатии на уровне 120 МПа и прочности при смятии на уровне 100 МПа.

Текстолитовые материалы на основе хлопчатобумажных волокон не могут длительно работать при высоких температурах. Использование в качестве наполнителя более теплостойких стеклянных тканей  повышает прочностные свойства материала и его теплостойкость. Известно большое количество слоистых материалов типа стеклопластиков, которые обладают достаточной прочностью при высоких температурах, малой теплопроводностью и могут быть использованы для силовых и теплоизоляционных деталей (втулки, прокладки, кронштейны и др.). Однако существенным недостатком стеклопластиков является их абразивность и, вследствие этого, невозможность использования их в сочетании с вращающимися элементами.

Цель работы – создание теплостойкого материала, который обладал бы одновременно высокой прочностью, хорошими теплоизоляционными и конструкционными свойствами и, кроме того, перерабатывался бы общепринятыми для слоистых пластиков методами.

Материалы и методы

Поставленная задача решена путем создания комбинированного материала, в котором отдельные слои выполняли определенные функции. Стеклопластик обеспечивает высокую теплостойкость, механическую прочность и теплоизолирующие свойства, а наружные слои из углепластика или пластика на основе арамидной ткани – малый коэффициент трения.

В связи с тем, что одним из основных требований, предъявляемых к разрабатываемому материалу, является высокая термостойкость, необходимо выбрать такое связующее для его изготовления, которое давало бы возможность получить теплостойкий материал с повышенной механической прочностью и хорошими теплоизоляционными свойствами.

С этой точки зрения особый интерес представляли полиимиды, в цепь которых входили ароматические и гетероциклические кольца, а содержание алифатических связей минимально или равно нулю.

В ряду полимеров с гетероциклами в цепи наиболее видное место занимают полиимиды. Им присущи такие отличные свойства, как высокая термостойкость, хорошие механические свойства и диэлектрические показатели в широком диапазоне температур, высокая радиационная стойкость и др. [5–10].

По термостойкости полиимиды превосходят большинство изученных гетероароматических линейных полимеров, в то же время они обладают хорошей устойчивостью к термоокислительной деструкции при повышенных температурах.

С учетом этого, в качестве связующего при разработке антифрикционного материала для элементов конструкций шасси выбрано полиимидное связующее СП-97с, которое обеспечивало получение стеклопластика, работающего в течение 2000 и 400 ч при температурах 300 и 350°С соответственно, сохраняющего после термостарения в этих условиях высокую механическую прочность [11–14].

Поскольку помимо высокой теплостойкости и прочности материал должен был обладать малым коэффициентом трения, представлялось целесообразным использовать для поверхностных слоев комбинированного материала пластики из углеродных или арамидных тканей, изготовленных на основе того же связующего [15–19].

В качестве наполнителя для стеклопластика выбрана бесщелочная стеклоткань алюмоборосиликатного состава марки Т-10-80.

Для углепластика были опробованы две марки углеродных тканей (УТЭП, УТМ-8) и одна марка графитированной ткани (ТГ-1).

На основе указанных тканей и полиимидного связующего изготовлены пластики, которые затем испытывались как в исходном состоянии и при повышенных до 350°С температурах, так и после термостарения при 300 и 350°С.

Результаты

Результаты испытаний пластиков представлены в табл. 1.

Таблица 1

Свойства пластиков на основе углеродных и графитированной тканей*

* В пластике в смежных слоях направление основы чередовалось с направлением утка.

В связи с тем, что в процессе термостарения пластики на основе углеродных тканей УТЭП и УТМ-8 претерпевали большие усадки, представлялось целесообразным проверить влияние длительного термостарения при высоких температурах на их усадку и на основании полученных результатов установить оптимальный вариант наполнителя для углепластика.

Усадка пластиков определялась на дисках Ø50 мм. Результаты определения усадки приведены в табл. 2.

Таблица 2

Усадка пластиков на основе углеродных и графитированной тканей*

* В пластике в смежных слоях направление основы чередовалось с направлением утка.

Как видно из данных табл. 1 и 2, оптимальным наполнителем для углепластиков является графитированная ткань марки ТГ-1, на основе которой получены пластики с более высокой механической прочностью при повышенных температурах и практически нулевой усадкой.

В табл. 3 представлены свойства пластика, изготовленного на основе графитированной ткани ТГ-1, причем ткань во всех слоях пластика располагалась по основе.

Таблица 3

Механические и теплофизические свойства пластика на основе ткани ТГ-1

(плотность 1250 кг/м³)

Теплофизические свойства

В качестве арамидных опробованы ткани саржевого переплетения из нитей №10,7 и №45. Результаты испытаний пластиков на их основе представлены в табл. 4.

Таблица 4

Свойства пластиков на основе арамидных тканей

Видно, что пластики на основе арамидных тканей из нити №45 имели более высокую прочность, в связи с чем для комбинированного материала в последующем использованы арамидные ткани из этой нити.

Комбинированный материал изготовлялся путем сочетания пропитанной полиимидным связующим СП-97с стеклоткани и поверхностных слоев из графитированной или арамидной ткани, пропитанных тем же связующим, с последующим одновременным прессованием по режиму, разработанному для стеклотекстолита СТП-97с. Во всех случаях армирующий наполнитель составлял 72–75% (по массе), а связующее соответственно 25–28% (по массе), причем количество слоев стеклоткани определялось толщиной готового материала, а количество листов графитированной или арамидной ткани всегда равнялось четырем – по 2 слоя с каждой стороны.

Сравнительные свойства комбинированных материалов, изготовленных с использованием в наружных слоях графитированной ткани ТГ-1 и арамидной ткани из нити №45, приведены в табл. 5 и 6.

Таблица 5

Свойства комбинированного материала на основе ткани ТГ-1 (плотность 1370 кг/м³)

Теплофизические свойства

Таблица 6

Свойства комбинированного материала на основе арамидной ткани

Обсуждение и заключения

Исходя из данных расширенных испытаний комбинированных материалов, с учетом комплекса полученных свойств в качестве оптимального варианта выбран комбинированный материал, изготовленный с использованием в качестве поверхностных слоев пластика на основе графитированной ткани марки ТГ-1.

Полученный материал является термостойким вплоть до температуры 350°С, обладает хорошими прочностными и антифрикционными свойствами. Пределы прочности при сжатии и смятии удовлетворяют поставленным требованиям – после термостарения в течение 1000 и 100 ч при температурах 300 и 350°С соответственно σ_сж≈130 МПа, σ_см≈100 МПа.

Коэффициент трения материала в паре со сталью очень небольшой и составляет 0,16 при износе 1,2%.

Таким образом, разработанный материал может быть применен для изготовления теплоизоляционных нагруженных деталей, обладающих способностью скольжения по стальной и другим поверхностям.