Формирование структуры и свойств алюминий-фторопластовых композитов при взрывном прессовании

Во введении обоснованы актуальность и практическая значимость про-
водимых исследований, сформулированы цель работы и задачи исследования. Дана общая характеристика содержания диссертации по главам.
В первой главе проведен анализ отечественной и зарубежной литерату- ры по различным видам полимерных композитов, в том числе металлополиме- ров, которые обладают широким комплексом свойств и применяются в технике. Сделан анализ взаимосвязи структуры фторопластовых композитов с различ- ными факторами (типом, формой и концентрацией наполнителя, температурой и технологией спекания, способом получения и т.д.), и приведены способы по- вышения адгезионной активности между матрицей и наполнителем, приводя- щей к структурным изменениям. Показана перспективность высокоэнергетиче- ских методов получения композитов с различными компонентами и установлена целесообразность применения взрывного прессования (ВП) для получения металлофторопластов, обладающих повышенными эксплуатацион- ными характеристиками. Однако в исследованиях закономерностей взрывного прессования металлофторопластовых композитов более широко использовалась медь или ее сплавы, а остальные металлы применялись реже, что не позволяет объективно судить о закономерностях структурообразования и изменения свойств КМ с различной реакционной способностью, дисперсностью, более низкой температурой плавления и плотностью металла, так как это влияет на выбор параметров взрывного прессования и адгезионную прочность компози- тов. Особенно мало сведений о системе алюминий – Ф-4, исследования которой направленны в основном для создания новых энергетических композитов, а об- ласть создания конструкционных материалов практически не затронута, что обусловливает необходимость проведения исследований по ВП, как наиболее перспективному высокоэнергетическому способу.
Вторая глава посвящена расчету и определению параметров ВП компо- зитов в зависимости от схемы, типа взрывчатых веществ (ВВ) и параметров композиционной смеси, выбору методов исследования, соответствующих по- ставленным целям и задачам.
Определены круг исследуемых материалов и методы взрывной обработ- ки. Приведены методики исследования структуры, тепло- и электрофизических, механических свойств получаемых материалов. Для более детального понима- ния процессов, протекающих при взрывном прессовании, были получены ком-

позиты с 10-70 об.% алюминия с помощью ВП давлениями 0,2-0,3 ГПа и 0,5-0,8 ГПа (рис. 1), а также статическим прессованием (СП) давлением 0,2 ГПа.
Рис. 1 – Распределение давления по радиусу ампулы при ВП с высотой заряда ВВ: 1– 20 мм; 2– 40 мм.
Из анализа исследований по ВП порошкооб- разных металлополимерных композиций основной была выбрана ампульная схема ударно-волнового нагружения, которая технологически эффективна, позволяет варьировать режимы ВП и непосред- ственно получать распространенную в триботех- нике цилиндрическую рабочую поверхность заго- товок, плоскую схему для получения крупногабаритных и листовых заготовок, схему с секторными зарядами взрывчатого вещества для реализации давлений до десятка ГПа. Выбраны режимы технологических процессов получения КМ: ВП и последующего спекания. С помощью компьютерных расчетов ударно-волновых процес- сов определены параметры ВП (давление в удар-
ном фронте – Р). Совокупность технологических параметров ВВ (D=1600-1900 м/с и Hвв=20-40) и пористости смеси позволила изменять давление ВП от 0,2 до 1,5 ГПа.
В качестве матрицы применяли фторопласт-4 (ГОСТ 10007-80), а в каче- стве наполнителя порошок алюминия ПА-4 (ГОСТ 6058-73) двух фракций – до 50 мкм и 100-200 мкм.
Влияние ВП на структуру алюминий-фторопластовых КМ исследовали с помощью методов оптической (ОМ) и сканирующей электронной микроско- пии (СЭМ), рентгеноструктурного анализа (РСА), энергодисперсионного ана- лиза (ЭДА), инфракрасной спектроскопии (ИКС) исследования плотности с по- мощью гидростатического взвешивания. Для исследования влияния структурных изменений при ВП на свойства алюминий-фторопластовых КМ использовались методы испытания на прочность при растяжении и сжатии, микротвердости, термомеханического анализа (ТМА), дифференциально- термического анализа (ДТА), термогравиметрического анализа (ТГА), исследо- вания тепло- и электропроводности.
Третья глава посвящена изучению закономерностей формирования структуры, в том числе межфазных зон, в алюминий-фторопластовых КМ при различных условиях получения и составах порошковой смеси с содержанием от 10 до 70 % Al. Исследования показали, что плотность КМ после СП и спекания при 380 oС уменьшается, а с увеличением концентрации алюминия этот эффект усиливается. После ВП плотность КМ увеличивается при спекании, а после спекания в замкнутом объеме достигает максимальных значений.
В структуре КМ при наполнении до 30 об.% Al после прессования исход- ная форма алюминиевых частиц сохраняется (рис. 2 а,б). После СП (рис. 2 а) независимо от дисперсности и содержания металла в структуре наблюдается значительное количество кратеров, образовавшихся при выкрашивании частиц

абв Рис. 2 – Микроструктуры КМ Ф-4 + Al (100-200 мкм) после СП (а) и ВП (б,в): а,б – 30% Al, в – 70% Al.
алюминия при полировке шлифа, которое после спекания в свободном объеме может достигать 70%, что указывает на крайне низкую адгезию металлической фазы к матрице. После ВП давлениями 0,5-0,8 ГПа (рис. 2 б,в) независимо от дисперсности и концентрации алюминия выкрашивание не наблюдается, что свидетельствует о наиболее сильном адгезионном взаимодействии, а при кон- центрации алюминия 50% и более между частицами металла возникают кон- такты, наблюдается деформация, сварка алюминиевых частиц и исчезновение границы раздела между ними, т.е. формируется непрерывная объемная алюми- ниевая фаза (металлический каркас), в которой зажат Ф-4. При уменьшении размера частиц алюминия увеличивается склонность к агломерации частиц ме- талла по границам частиц Ф-4, т.е. чем меньше размер частиц алюминия, тем при меньшей концентрации формируется металлический каркас.
Спекание в замкнутом объеме оказывает более благотворное влияние на структуру КМ, что проявляется в большей плотности, меньшем количестве кра- теров и связано с большими давлением сжатия и поверхностью контакта.
При ВП в ампуле выявлена неоднородность структуры по радиусу ампу- лы (рис. 3), характерная для данной схемы и вызванная схождением ударных волн, воздействием высоких температур и давлений (Р >1,5 ГПа) в центре. Из-
Рис. 3 – Микрострук- туры КМ Ф-4 + 70% Al (<50 мкм) после ВП в ампуле давлениями 0,5-0,8 ГПа: 1 – основная зона, 2 – переходная зона, 3 – цен- тральная зона. за разности условий формирования КМ по радиусу ампулы происходит образование зон с разной струк- турой – основной, переходной и центральной зон. Переходная зона состоит в основном из алюминия, а более легкий полимер вытеснен в центральную зону. Частицы металла в ней сильно деформированы и имеют меньшие размеры, чем в основной зоне. За переходной зоной наблюдается центральная зона, в которой происходит измельчение компонентов с сильной пластической деформацией. В центральной зоне присутствует пористый переплав, который по данным РСА состоит из алюминия и фторида алю- миния, что свидетельствует об инициировании вы- сокотемпературной экзотермической реакции при достижении критических параметров. а (х1200) б (х20000) в (х5000) Рис. 4 – СЭМ-структуры КМ Ф-4 + 30 % Al (100-200 мкм) после: а,б – СП со спеканием в свободном объеме, в –ВП (0,5-0,8 ГПа) без спекания. Результаты СЭМ-исследований изломов КМ независимо от концентрации алюминия показали, что после СП происходит отслоение Ф-4 от частиц алюми- ния по межфазной границе без деформаций, так как инертная оксидная пленка препятствует формированию адгезионных связей. В процессе спекания в сво- бодном объеме происходят качественные изменения структуры. Одновременно с монолитизацией полимерной матрицы из-за низкого адгезионного взаимодей- ствия происходит межфазное расслоение и формируется полость, окружающая алюминиевую частицу (рис. 4 а). В полостях обнаружены сферические струк- турные образования диаметром до 2 мкм, состоящие из лент толщиной до 300 нм, называемые “закрытыми бутонами” (рис. 4 б). Подобные структуры обра- зуются на открытых поверхностях фторопласта в процессе спекания, что под- тверждает межфазное расслоение в процессе спекания из-за низкого адгезион- ного взаимодействия. После ВП давлениями 0,5-0,8 ГПа до спекания наблюдается плотный контакт между Ф-4 и частицами алюминия (рис. 4 в). В отличие от статического прессования, в структуре Ф-4 присутствует множество сферических образований размером до 1 мкм (рис. 4 в), а между Ф-4 и алюми- нием наблюдаются фибриллы. После ВП и спекания КМ с 30% Al структура Ф-4 фибриллярная и пред- ставлена не только единич- ными фибриллами, но и жгутами, состоящими из десятков ориентированных фибрилл (рис. 5 а), что ука- зывает на модификацию Ф- 4 и увеличение когезии в процессе взрывного прес- сования. Адгезионное вза- имодействие между алю- минием и фторопластом достаточно сильное, что препятствует межфазному расслоению (рис. 5 а) и подтверждается присут- ствием на поверхности ча- стиц алюминия (рис. 5 в) и а (х1000) б (х10000) в (х5000) Рис. 5 – СЭМ-структуры КМ Ф-4 + Al после ВП г (х10000) а-в – 30 % Al (100-200 мкм), г - 70% Al (до 50 мкм). (0,5-0,8 ГПа) и спекания: в межфазной зоне фибрилл (рис. 5 б), соединяющих Ф-4 и алюминий. В КМ с 70% алюминия после ВП давлениями 0,5-0,8 ГПа также отсут- ствует межфазное расслоение, Ф-4 расположен в образовавшемся при сварке металлическом каркасе и состоит из волокон, ориентированных по направле- нию разрушения. На поверхности частиц алюминия Ф-4 кроме фибрилл при- сутствует в виде отдельных участков произвольной формы (рис. 5 г). Результаты СЭМ исследований переходной и центральной зоны подтвер- ждают, что в переходной зоне (рис. 6 а) алюминий сильно деформирован, его частицы сварены в единый каркас и Ф-4 практически отсутствует, а в цен- тральной зоне КМ были обнаружены два типа структур. Первый тип представ- ляет собой области полимера без ярко выраженной надмолекулярной структу- ры с наноразмерными включениями (рис. 6 б), которые могут быть частицами оксида или фторида алюминия. Второй тип структур представляет надмолеку- лярные структуры фторопласта в виде сферолитов на разной стадии формиро- вания (рис. 6 в,г). а (х1200) б (х40000) в (х20000) Рис. 6 – СЭМ-структуры переходной (а) и центральной (б,в) зон КМ Ф-4 + 70% Al (до 50 мкм) после ВП и спекания. После ВП по схеме с секторными зарядами также имеется различие структур в основной и центральной зонах (рис. 7). Структуры подобны как по- сле ВП в цилиндрической ампуле, что свидетельствует о схожести процессов структурообразования. В основной зоне оба компонента сильно деформирова- ны, Ф-4 хорошо соединен с поверхностью алюминия (рис. 7 а), что подтвер- ждает их высокое адгезионное взаимодействие. В центральной зоне обнаруже- ны нановключения во Ф-4 (рис. 7 б), т.е. в центральной зоне протекают процессы наноструктурирования, сопровождающиеся внедрением наночастиц алюминия или его соединений в частицы Ф-4, как и в цилиндрической ампуле и подобно КМ с никелем. а (х15000) Рис. 7 – СЭМ-структуры основной (а) и цен- тральной (б) зоны КМ Ф-4 + 70% Al после ВП по схеме с секторными зарядами ВВ. При взрывном прессо- вании по плоской схеме КМ Ф-4 + Al (50-70%) одновре- менно со сваркой обнаруже- на преимущественная де- формация частиц алюминия вдоль направления распро- странения ударного б (х50000) аб Рис. 8 – Микроструктуры КМ Ф-4 + 70(а) и 50%(б) Al после ВП по плоской схеме: а– вдоль ударного фронта, б – поперек ударного фронта (рис. 8), способству- ющая их ориентации. С помощью ЭДА меж- фазной зоны КМ с 30% алю- миния установлено, что после ВП в цилиндрической ампуле давлениями 0,5-0,8 ГПа до спекания на поверхности ча- стиц алюминия присутствуют Al, O, C, F (табл. 1), а количе- фронта. ство фтора и углерода боль- ше, чем после статического прессования даже после спекания, что подтверждает лучшее адгезионное взаи- модействие. При спекании КМ после ВП соотношение F/C увеличивается, а ко- личество алюминия сильно снижается и состав поверхности частицы металла по соотношению F/C (1,1-1,2) приближается к составу основной массы фторо- пласта (1,5). При этом, соотношение F/C в полимерной матрице меньше, чем в исходном Ф-4, однако в ней присутствуют Al и O. В составе фибрилл и участ- ков Ф-4 на поверхности металла присутствует Al и O, что свидетельствует о химическом взаимодействии и диффузии на межфазной границе. Распределение элементов в межфазной зоне (рис. 9) указывает на доста- точно однородный межфазный слой, примыкающий к частице алюминия и по- крывающий ее. Это подтверждает, что при изломе на поверхности частицы алюминия остается Ф-4, что вызвано высокой адгезионной прочностью соеди- нения и может указывать на формирование пленки, покрывающей поверхность алюминия. Рис. 9 – ЭДА межфазной зоны КМ Ф-4 + 30% Al. Области центральной зоны без ярко выраженного надмолекулярного строения (рис. 6 б) по результатам ЭДА состоят в основном из углерода (до 62,5%), на кото- рый приходится в 4 раза меньше фтора, чем во Ф-4, что свидетельствует о карбо- низации и частичном дефторировании Ф-4 с образованием AlF3. Также присутствует алюминий (4,5%), который может быть в наночастицах его соединений (фторидов, оксидов). Сферолиты (рис. 6 в,г), по данным ЭДА, имеют соотношение F/C до 2,4, что больше чем у Ф-4 из основной зоны (F/C≈1,5) и может быть обусловле- но адсорбцией атомов фтора из карбонизированных участков полимера. Таблица 1 – Результаты ЭДА поверхности излома КМ Ф-4 + 30%Al. Метод получения СП ВП Фаза Атомный процент, % F/C Al O Al 26,0 43,0 Al 14,1 22,3 Ф-4 4,4 8,5 C F 18,6 29,9 34,4 12,4 0,7 33,7 1,1 52,8 1,5 На ИК-спектрах алюминий-фторопластовых КМ после ВП, в отличие от КМ после СП, появляются широкие полосы с максимумами при 1620-1641 и 1432-1443 см-1, соответствующие валентным и маятниковым колебаниям групп, содержащих С=С, что вместе с данными ЭДА свидетельствует о трансформа- ции молекулярной структуры Ф-4 с отрывом атомов фтора. Причем пики при 1620-1641 см-1 указывают на наличие групп C=CF–, которые делают возмож- ным химическое соединение полимера с поверхностью алюминия через от- дельную связь, что и улучшает его адгезию к алюминию. Пик при 804,4 см-1 со- ответствует теоретическим значениям колебаний связи ионов (814,5 см-1) или радикалов (793 см-1) Al-F и подтверждает, что формирование адгезионного вза- имодействия происходит за счет химического соединения алюминия с макро- молекулами. Химическое взаимодействие между алюминием и фторопластом при ВП подтверждается также обнаружением на дифрактограммах пиков AlF3. Реализация химического взаимодействия между компонентами усиливается в центральной зоне (P>1,5 ГПа), где по данным РСА в пористом переплаве алю- миния почти исчезают пики Ф-4 (рис. 10), а интенсивность пиков AlF3 резко возрастает, что подтверждает протекание химической реакции.
Рис. 10 – Дифрактограмма переплава в центральной зоне КМ Ф-4 + 70% Al.
По результатам рентгенострук- турного анализа КМ Ф-4 + 10-70% Al после ВП степень кристалличности Ф-4 выше и с увеличением концен- трации алюминия снижается меньше, чем после СП, а размер кристаллитов уменьшается, что свидетельствует о создании большего числа зародышей кристаллизации. Повышение давле- ния усиливает пластические дефор-
мации и приводит к более высокому уровню искажений кристаллической ре- шетки и микронапряжений, которые сохраняются и после рекристаллизации алюминия при спекании. При этом размеры ОКР меньше до 3,1 раз, а микрона- пряжения выше до 5,1 раза, чем после СП, что подтверждает формирование бо- лее измельченной и деформированной структуры.
Прошедшие при ВП структурные изменения сказываются на физико- механических характеристиках полученных КМ. Микротвердость КМ после взрывного прессования давлениями 0,2-0,3 ГПа меньше, чем давлениями 0,5- 0,8 ГПа, при котором наблюдается повышение микротвердости по радиусу об- разца с 0,45 ГПа до 0,55 ГПа. Прочность при сжатии после ВП на 40-60% выше, чем после СП, а прочность при растяжении еще больше зависит от способа по- лучения КМ. После СП из-за низкой адгезии металла и полимера при увеличе- нии содержания алюминия до 50 % наблюдается снижение прочности при рас- тяжении до 8 МПа (рис. 11), а при 70% алюминия прочность резко снижается до 0,95 МПа из-за отсутствия связи между частицами алюминия. После ВП давлениями 0,2-0,3 ГПа прочность до 3 раз выше (3,4-14,1 МПа), чем после СП, но она не повышается при 50-70% алюминия, в отличие от взрывного

Рис. 11 – Зависимость проч- ности при растяжении фторопласто- вых КМ от концентрации Al:
1– СП; 2– ВП (0,5-0,8 ГПа).
прессования давлениями 0,5-0,8 ГПа, где при увеличении концентрации алюминия с 40 до 70% наблюдается повышение прочности до 31 МПа, что подтверждает формирование не- прерывной металлической фазы, упрочняю- щей КМ.
Четвертая глава посвящена исследованию влияния взрывного прессова- ния на термомеханические, тепло- и электро- физические свойства КМ, зависящие от структурных превращений в исследуемых материалах.
Исследование термомеханических свойств и теплового расширения алюминий- фторопластовых КМ показало (рис. 12,13),
что после ВП (0,5-0,8 ГПа) в зависимости от содержания алюминия температу- ры плавления кристаллической фазы на 5-25oС выше, а тепловое расширение до 4 раз меньше по сравнению с КМ после СП. В малонаполненных КМ (10-30%) формирование межфазного слоя с лучшим адгезионным и когезионным взаи- модействием приводят к ограничению подвижности макромолекул, снижению деформируемости при плавлении и отсутствию межфазного расслоения. В вы- соконаполненных КМ (Al > 50%) при взаимодействии алюминиевых частиц между собой с образованием непрерывной металлической фазы, которая при повышении концентрации алюминия до 70% снижает тепловое расширение алюминий-фторопластовых КМ после ВП (0,5-0,8 ГПа) в 2-3 раза, Ф-4 оказыва- ется зажатым в металлическом каркасе и связан адгезионным взаимодействием, что приводит к торможению тепловых колебаний и перемещений макромоле- кул при нагреве. Изменения в структуре и адгезионном взаимодействии приво- дят к снижению теплового расширения КМ при повышении давления ВП с 0,2- 0,3 ГПа до 0,5-0,8 ГПа. При этом после ВП давлением 0,5-0,8 ГПа значения
Рис. 12 – Термомеханические кривые КМ Ф-4 + 30% Al: 1 – СП со спеканием, 2 – ВП (0,5-0,8 ГПа) со спеканием.
Рис. 13 – Зависимости коэффициента термического расширения КМ Ф-4 + 50% Al от температуры: 1 – СП со спеканием, 2 – ВП (0,5-0,8 ГПа), 3 – ВП (0,5-0,8 ГПа) со спека- нием.
теплового расширения близки до и после спекания, подтверждая, что сильное адгезионное взаимодействие формируется непосредственно при взрывном воз- действии. Уменьшение размера частиц алюминия приводит к увеличению теп- лового расширения независимо от способа получения КМ, но способ получения оказывает большее влияние, чем дисперсность металла.
Исследование дериватограмм КМ с 30 и 50% алюминия выявило, что по- сле ВП, в отличие от статического прессования, процессы термодеструкции начинаются на 10-20oС выше, длятся в 1,5 раза дольше и температура макси- мальной скорости потери масс на 25-35oС выше. Это свидетельствует о повы- шении термостойкости КМ после взрывного прессования, что обусловлено лучшим физико-химическим взаимодействием между компонентами за счет прошедших структурных изменений с образованием особого межфазного слоя, влияющего на кинетику процесса термодеструкции.
Прошедшие при взрывном прессовании изменения структуры влияют на тепло- и электропроводность КМ. Исследование теплопроводности КМ (рис. 14 а) показало, что особенно сильно это проявляется при высоком наполнении ме- таллом (> 50 %). С увеличением содержания алюминия с 10 до 70 % коэффици- ент теплопроводности (λ) растет экспоненциально и наибольшее увеличение у КМ после ВП давлениями 0,5-0,8 ГПа (в 15,1 раза, с 1,8 до 27,1 Вт/м·К), в отли- чие от КМ после взрывного прессования давлениями 0,2-0,3 ГПа (в 5,5 раз, с 1,5 до 7,9 Вт/м·К) и СП (в 1,6-5,5 раз, с 1,2-1,4 до 2,1-7,8 Вт/м·К).
а
б
Рис. 14 – Зависимость
тепло- (а) и электропроводно- сти (б) фторопластовых КМ от содержания Al после СП (1,2) и ВП (3): 1 – без спекания; 2,3 – со спеканием
Спекание в свободном объеме снижает ко- эффициент теплопроводности КМ после ВП в 1,1 – 1,3 раза, в зависимости от содержания алюминия, что связанно с разрывом части образовавшихся ад- гезионных связей за счет расширения Ф-4 при фа- зовом переходе, однако большая часть адгезион- ных связей сохраняется, о чем свидетельствует в 1,2-7,7 раз большая теплопроводность, чем после статического прессования, у которого спекание снижает коэффициент теплопроводности в 1,1-3,8 раз вследствие межфазного расслоения и отсут- ствия соединения между частицами металла. Наибольшее увеличение теплопроводности КМ достигается после взрывного прессования давле- ниями 0,5-0,8 ГПа при концентрации алюминия 50-70%, что связано со сваркой алюминиевых ча- стиц и образованием непрерывной металлической фазы.
Исследование электропроводности КМ (рис. 14 б) показало, что после ВП она независимо от концентрации алюминия до 100 раз выше, чем после СП, что связано с повышением адгезионного взаимодействия между компонентами КМ в меж- фазном слое, формированием металлического кар-

каса и отсутствием межфазного расслоения. При этом спекание не столь суще- ственно влияет на электропроводность.
Пятая глава посвящена рекомендациям по практическому применению и использованию полученных результатов исследований при разработке основ- ных принципов изготовления алюминий-фторопластовых композитных изде- лий различного функционального назначения с повышенными эксплуатацион- ными свойствами. Результаты проведенных комплексных исследований показали перспективность получения алюминий-фторопластовых КМ с помо- щью ВП и позволили разработать научно-обоснованные рекомендации по прак- тическому применению взрывного прессования для изготовления из них заго- товок и изделий, в том числе крупногабаритных, с заданными эксплуатационными свойствами: более высокими прочностью, теплостойко- стью, износостойкостью, тепло- и электропроводностью. Так КМ с содержани- ем металла до 30 % с коэффициентом трения (f) от 0,17 до 0,20 рекомендуется применять в качестве герметизирующих и антифрикционных материалов, рабо- тающих без смазки, а с концентрацией металла 50-80 % в качестве антифрик- ционных с достаточно высокой прочностью (до 31 МПа), теплопроводностью (λ до 28 Вт/м∙К) и работающих со смазкой при больших скоростях трения и высо- ких нагрузках.
Разработаны способ получения (патент No 2685311 РФ) слоистых метал- лополимерных композитов с содержанием 20-70 % металла, позволяющий за счет введения в ампулу металлических вкладышей получать плоские заготовки со слоем наноструктурированного КМ с повышенными свойствами, и способ нанесения фторопласта-4 на поверхности цилиндрического стального изделия (Патент No 2585910 РФ). Разработана технология и получен двухслойный под- шипник скольжения, состоящий из функционального слоя (δ = 1-2 мм, 20-30% Al) с комплексом высоких антифрикционных свойств и прочного несущего нагрузку слоя (δ = 8-9 мм, 60-70% Al). Результаты испытания подшипника по- казали повышение прочности (на 20-30%) и износостойкости (в 2,4 раза) по сравнению с материалом Ф4К20.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Установлено, что ВП алюминий-фторопластовых КМ, в отличие от СП, в зависимости от концентрации алюминия (от 10 до 70 %) и параметров нагружения, влияет на изменение механизмов структурообразования и свойства КМ, что характеризуется повышением адгезионного и когезионного взаимодей- ствия, модификацией макромолекул, формированием межфазных зон, транс- формацией высоконаполненных алюминий-фторопластовых полимерных по- рошковых смесей в армированный КМ с образованием в результате деформации и сварки частиц металла армирующей металлической фазы (карка- са), наноструктурированию композиционного материала и инициированию хи- мической реакции между компонентами.
2. Экспериментально установлено, что спекание в замкнутом объеме в сочетании со ВП давлениями 0,5-0,8 ГПа обеспечивают наиболее выгодное структурообразование, которое заключается в наличии соединяющих фазы
фибрилл, отсутствии межфазного расслоения, что способствует повышению механических свойств, тепло- и электропроводности. В отличие от этого после СП алюминий-фторопластовых КМ при спекании из-за низкого адгезионного взаимодействия происходит межфазное расслоение с формированием структур типа “закрытый бутон”, ухудшающее свойства КМ.
3. Установлено, что при ВП давлениями 0,5-0,8 ГПа в межфазной зоне активируются различные физико-химические процессы с разрывом полимерной цепи, образованием свободных радикалов, что подтверждается дефторировани- ем и карбонизацией Ф-4, изменением соотношения F/C до 1,1-1,5, появлением групп с двойными связями углерода(С=С) в полимерной матрице и фторида алюминия, наличием алюминия и кислорода во Ф-4 и фтора и кислорода на по- верхности алюминия, о чем свидетельствуют ЭДА, ИКС, РСА и СЭМ.
4. Установлено, что при ВП в ампуле при превышении критического давления (Р>1.5 ГПа) в центральной зоне одновременно с измельчением ком- понентов и формированием областей Ф-4 с включениями наночастиц, иниции- руется экзотермическая химическая реакция с превращением компонентов в смесь фторида алюминия и алюминия.
5. Исследования показали, что после ВП давлениями 0,5-0,8 ГПа за счет изменения в межфазном слое уменьшается тепловое расширение КМ до 4 раз, повышаются тепло- и термостойкость по сравнению со СП и ВП давления- ми 0,2-0,3 ГПа, что связано с повышением адгезионного взаимодействия и из- менениями в структуре межфазного слоя. Спекание не влияет на тепловое рас- ширение КМ после ВП давлением 0,5-0,8 ГПа, в отличие от КМ после ВП давлением 0,2-0,3 ГПа и СП, что подтверждает образование сильных адгезион- ных связей непосредственно при ВП. После ВП давлением 0,5-0,8 ГПа алюми- ний-фторопластовых КМ повышаются температура плавления полимера на 5- 25oС, температуры начала термодеструкции на 10-20oС и максимальной скоро- сти потери массы на 25-32oС по сравнению со СП.
6. Установлено, что происходящие при ВП давлением 0,5-0,8 ГПа структурные изменения алюминий-фторопластовых КМ приводят к повыше- нию теплопроводности, которая с увеличением содержания алюминия с 10 до 70 % повышается более чем в 15 раз, в отличие от КМ после СП, где повыше- ние всего в 2–5 раз, а электропроводность не зависимо от концентрации алю- миния до 100 раз выше, что обусловлено формированием особых межфазных зон, а при концентрации алюминия более 50% взаимодействием алюминиевых частиц между собой за счет их сварки и образования непрерывной проводящей металлической фазы (каркаса).
7. На основе проведенных исследований даны рекомендации по при- менению ВП с учетом особенностей получения алюминий-фторопластовых КМ в зависимости от их состава для изготовления антифрикционных и коррозион- ностойких изделий и заготовок с повышенной прочностью, износостойкостью и теплопроводностью. Разработаны способы получения слоистых металлополи- мерных композиционных материалов из композиционных смесей, содержащих 30-70 % металла, путем взрывного прессования (P < 3,5 ГПа) с введением в ам- пулу металлических вкладышей (Патент No 2685311 РФ), позволяющий полу- чать плоские заготовки со слоем наноструктурированного КМ с повышенной твердостью, и способы получения двухслойных алюминий-фторопластовых композиционных изделий с более прочным рабочим слоем с содержанием алю- миния 50-70% и с антифрикционным слоем (20-30% Al), в том числе на поверх- ности цилиндрического стального изделия (Патент No 2585910). Получены и испытаны подшипники скольжения, состоящие из прочного слоя (σр = 31 МПа) с концентрацией алюминия 70% и антифрикционного слоя с 20% алюминия, которые обладают в 2,4 раза большей износостойкостью по сравнению с рас- пространенным в промышленности материалом Ф4К20.