Разработка и исследование полимерного композиционного материала с заданными фрикционными свойствами

В настоящее время машиностроительная продукция, выпускаемая отечествен- ными предприятиями, по соотношению цена-качество не всегда конкурентоспо- собна на мировом рынке. Для обеспечения высокой конкурентоспособности изде- лий в последние годы в нашей стране интенсивно развиваются технологии изго- товления деталей из порошковых композиционных материалов. По данным мини- стерства промышленности и торговли РФ ежегодный объем мирового рынка ком- позитов составляет 12 млн. тонн в год и около 30 трлн. рублей в денежном выра- жении, объемы производства композитов в России исчисляются десятками тысяч тонн и составляют всего 0,3-0,5% от мирового объема. У российского рынка ком- позитов есть перспективы роста и к 2020 году он может увеличиться более чем в 10 раз. В данном случае необходимо было получить изделие, обеспечивающее требуемый уровень демпфирования при минимальном износе сопрягаемых по- верхностей. Для обеспечения таких требований была поставлена задача, разрабо- тать новый композиционный материал, основным функциональным параметром которого является коэффициент трения.
Существующие методы и средства контроля коэффициента трения для компо- зитов из порошковых материалов не обеспечивают необходимой точности, досто- верности результатов и производительности процесса производства. Поэтому необходимо выбрать параметр, функционально связанный с коэффициентом тре- ния и удобный для оперативного контроля. Таким параметром является твердость композиционного материала.
При изготовлении деталей из композитов большое значение имеет стабиль- ность технологических процессов, обеспечивающих значения функциональных параметров продукции в заданных пределах. При освоении производства деталей из нового материала процесс их изготовления не обеспечивал требований, предъ- являемых к рассеиванию значений твердости. В связи с этим необходимо разра- ботать модель, устанавливающую корреляцию технологических факторов с функ- циональными параметрами изделий, что позволит целенаправленно управлять
6
технологическим процессом изготовления деталей. Данная проблема является ак-
туальной и имеет высокую практическую значимость.
Цель работы. Разработка нового полимерного композиционного материала на
основе термореактивной смолы и волокнистого наполнителя, обеспечивающего коэффициент трения в пределах 0,3-0,4 для сопрягаемых поверхностей.
Задачи исследования:
1. Разработать материал с заданными физико-механическими свойствами для изготовления изделий, обеспечивающими демпфирование при минимальном из- носе сопрягаемых поверхностей.
2. Установить закономерности изменения вязкости смолы от времени и усло- вий хранения, температуры нагрева, определить соотношение полимерной матри- цы и наполнителей для обеспечения коэффициента трения в пределах fт = 0,3…0,4 и твердости 28…32НВ.
3. Выявить взаимосвязь коэффициента трения с твердостью материала и воз- можные границы их изменения для полученного материала.
4. Исследовать основные факторы, влияющие на функциональные параметры изделий из разработанного материала: вязкость смолы, время выдержки в пресс- форме, температуру прессования, время стабилизации свойств изделия после прессования.
5. Разработать методику оперативного контроля твердости и установку для экспресс-контроля коэффициента трения полученного материала.
Научной новизной обладают следующие результаты исследования:
1. Получен новый композиционный материал, состоящий из полимерной мат- рицы и волокнистого хризотилового наполнителя с добавлением графита с задан- ными физико-механическими свойствами (28…32НВ; fт =0,3…0,4; σв=15…25 МПа).
2. Изучено изменение реологических свойств полимерной смолы при хранении и нагреве. Установлено, что наиболее оптимальной вязкостью смолы для получе-

7
ния однородного композиционного материала является динамическая вязкость η =
170…327 сП.
3. Установлены технологические факторы, определяющие требуемые свойства
композиционного материала: вязкость смолы, температура и время выдержки в пресс-форме, время стабилизации свойств после получения изделия.
4. По результатам экспериментальных исследований получена математическая модель зависимости твердости от технологических факторов. Установлена взаи- мосвязь твердости и коэффициента трения. Разработана методика оперативного контроля твердости и установка для определения коэффициента трения материала (Патент РФ No 100830).
Методы исследования. Для достижения поставленной цели и реализации за- дач использованы положения современной теории создания порошковых компо- зиционных материалов, элементы теории вероятности, теории планирования экс- перимента, методы статистического анализа.
Положения, выносимые на защиту:
1. Новый композиционный материал с полимерной матрицей на основе термо- реактивной смолы и хризотилового волокнистого наполнителя с заданными фрикционными свойствами.
2. Технология получения и результаты исследований физико-механических и эксплуатационных свойств изделий из разработанного композиционного матери- ала.
3. Границы регулирования режимов прессования для обеспечения стабильности свойств изделий из композиционного материала.
4. Экспериментальные результаты исследования взаимосвязи твердости поли- мерного композиционного материала с влияющими факторами.
5. Методика оперативного контроля твердости изделий из разработанного по- лимерного композиционного материала.
Достоверность основных научных положений и выводов, обеспечивается использованием современного измерительного оборудования и апробированных

8
методик измерений, а также математических методов обработки полученных ре-
зультатов и определяется соответствием теоретических результатов эксперимен- тальным данным.
Практическая значимость работы:
– получен материал с заданными физико-механическими свойствами. (Патент No 2451702);
– разработана и создана установка для исследования фрикционных свойств ма- териалов (Патент No 100830);
– разработана методика экспериментального исследования и получены анали- тические зависимости показателей качества изделий из порошкового композици- онного материала от влияющих факторов.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы на ООО «Наномет» (Йошкар-Ола) (акт об апробации) и в учебном процессе.
Апробация работы: основные положения диссертации докладывались и об- суждались на следующих научных конференциях: научно-технической конферен- ции ПГТУ (МарГТУ) «Наука в условиях современности» (Йошкар-Ола, 2007 г.), Международной молодёжной научной конференции по естественным и техниче- ским дисциплинам «Научному прогрессу – творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2008-2017 г.г.), Всероссийской междисциплинарной научной конференции с меж- дународным участием «Вавиловские чтения» (Йошкар-Ола, 2008-2017 г.г.), 7-ой Международной научно-технической конференции «Проблемы обеспечения и по- вышения качества и конкурентоспособности изделий машиностроения и авиадви- гателестроения», 21-23 сентября Брянск, 2015.
Связь работы с научными программами, темами, грантами. Исследования выполнялись в рамках работы по гранту «Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук (НК-134П), тема проекта: «Разработка технологии и способа получения полимерных композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами».

9
По результатам работы получена золотая медаль XVI Московского междуна-
родного Салона изобретений и инновационных технологий «Архимед -2013» (02.04 – 05.04.2013).
Публикации по теме диссертации: Основные результаты представлены в 16 опубликованных работах, из них четыре в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, двух патентах РФ.
Соответствие диссертации паспорту специальности 05.16.06 – Порошко- вая металлургия и композиционные материалы
диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам ис- следования и научной новизне соответствует формуле специальности в пунктах:
«-теоретические и прикладные аспекты получения, обработки и применения современных порошковых материалов и волокон различной природы, геометрии и размера, теорию и технологию компактирования частиц и волокон, управление структурой и свойствами материалов и изделий из них»;
области исследования в пункте:
«Изучение структуры и свойств порошковых, композиционных полуфабрика- тов и изделий, покрытий и модифицированных слоев на полуфабрикатах и изде- лиях, полученных методом порошковой металлургии или другими способами».
Личный вклад автора. Автором получен новый композиционный материал и определены зависимости эксплуатационных показателей от технологических фак- торов.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа представлена вве- дением, четырьмя главами, основными выводами и результатами работы; изложе- на на 130 страницах, содержит 39 рисунков, 51 таблицу, список литературы из 131 наименования и приложений.