Введение

Как известно, полимерные композиты широко применяются в триботехнике в качестве антифрикционных материалов. Наполнитель или комплекс наполнителей в композите (дисперсные порошки или волокна, ткани различной природы, в том числе полимерные) выполняют роль функциональных, в частности антифрикционных, или армирующих компонентов [1–6]. Полимерная матрица сама по себе также может обладать антифрикционными свойствами.

Типичные полимеры, применяемые в триботехнике, – это термопластичные полимеры, например:

– фторуглероды – политетрафторэтилен (ПТФЭ), фторэтиленпропилен (ФЭП), перфторалкоксид (ПФА);

– полиэтилены – полиэтилен высокой плотности (ПЭВП), полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы (СВМПЭ);

– полиамиды (нейлоны), поликарбонат, полифениленсульфид (ПФС), поли(амид-имид), полиимиды, полиэфиры [6–8].

Термореактивные полимеры – это фенольные, эпоксидные, полиэфирные смолы;  эластомеры – каучуки, полиуретаны, кремнийорганические и фторсодержащие полимеры и др. Термореактивные полимеры в большинстве случаев применяются в качестве матрицы в составе полимерных композитов [6, 8–10]. Эластомеры зачастую используются для изготовления поверхностей с высоким сопротивлением абразивному изнашиванию [3].

В качестве функциональных наполнителей и армирующих компонентов широкое распространение получили:

– волокна – асбест, углерод, графит, ПТФЭ, стекло, полиамиды (арамид, нейлон), полиэфиры и другие текстильные волокна;

– порошки – дисульфид молибдена, графит, углерод, ПТФЭ, полиимид, серебро, бронза, кварц, оксид алюминия, слюда;

– жидкости – минеральные масла, жирные кислоты, кремнийорганические жидкости и др. [2].

В самосмазывающихся материалах для подшипников скольжения используют главным образом термопластичные полимеры. Область их применения определяется нагрузочно-скоростными параметрами, реализуемыми в узлах трения. С этой точки зрения особое положение занимает политетрафторэтилен (ПТФЭ), так как обладает исключительной самосмазывающейся способностью, низким коэффициентом трения при высоких нагрузках, теплостойкостью, химической стойкостью в агрессивных средах [5, 6, 10]. Однако чистый ПТФЭ редко используется в подшипниках сухого трения из-за высокой скорости изнашивания и низкого предела текучести, вследствие чего ПТФЭ зачастую входит в состав композиционного материала либо в качестве полимерной матрицы, либо в качестве наполнителя.

Для высоконагруженных узлов трения скольжения применяют антифрикционные материалы, содержащие ПТФЭ в виде наполнителя, который в процессе трения способен к пролонгированному выделению в виде тонкой пленки на поверхности контакта, способной к многократному деформированию без разрушения благодаря кристаллической структуре полимера [3, 11].

Задачу внедрения ПТФЭ в состав композиционного материала решают несколькими способами. Один из них – формирование прочно связанного с металлической подложкой, тонкослойного полимерного покрытия – например, антифрикционного покрытия на стальной основе с промежуточным слоем пористой бронзы [4]. Такие подшипники достаточно эффективны в условиях ограниченной смазки и больших перерывов между операциями смазывания.

Другим вариантом является создание антифрикционного покрытия на поверхности узла трения из полимерных композитов, армированных наполнителями – текстильными изделиями (тканый наполнитель или ткань), содержащими ПТФЭ-волокна. Благодаря тому, что фторопластовые нити ткутся совместно с нитями другого состава, тканый наполнитель обладает адгезией по отношению к полимерным связующим и высокими механическими свойствами [12–15].

Исследования в области создания комбинированных тканых наполнителей и антифрикционных материалов на их основе проводили, начиная с середины прошлого столетия, о чем свидетельствуют многочисленные отечественные и зарубежные патенты и публикации. В результате предложен и разработан ряд материалов для подшипников на основе текстильных структур, сочетающих по меньшей мере два типа волокон: антифрикционные и армирующие. Особенностью структуры рассматриваемых тканых наполнителей является способ ее переплетения. Ткань выполнена так, что с одной ее стороны преобладают нити из антифрикционного волокна (как правило, ПТФЭ), а с противоположной стороны – нити армирующего волокна. Волокна, выполняющие армирующую роль, могут быть хлопковые, льняные, арамидные, базальтовые, стеклянные, углеродные и др. В качестве связующего в составе антифрикционного материала чаще всего применяют реакционноспособные олигомеры. В структуру материала также возможно включение дополнительных функциональных добавок – графита, графена, дисульфида молибдена, наночастиц оксида алюминия, порошка ПТФЭ и др. [2, 5, 6].

Подшипники с антифрикционным тканевым покрытием нашли широкое применение в авиакосмической отрасли, железнодорожном транспорте, при строительстве мостов и эстакад для передвижения тяжелых опор, сейсмоустойчивых сооружений и крупных промышленных сооружений. Не нуждаясь в смазке, они способны работать при удельных нагрузках до 140 МПа, обладают отличными демпфирующими свойствами при воздействии ударных и вибронагрузок. Наиболее целесообразно применение таких подшипников при нагрузках на уровне 21 МПа: коэффициент трения при этом низкий, а скорость износа мала. Не рекомендуется применять подшипники из ПТФЭ-содержащей ткани при скоростях >1 м/с [14].

Например, сферические подшипники скольжения за счет использования на поверхности трения антифрикционных покрытий на основе ткани из волокна ПТФЭ и стеклянного волокна [15] широко используются в зарубежных авиационных конструкциях и рекомендованы для эксплуатации при динамической нагрузке от 3,5 до 35 МПа и скоростях скольжения до 0,1 м/с. Максимальное динамическое рабочее давление составляет 70 МПа, максимальное статическое рабочее давление 140 МПа; диапазон рабочих температур – от –50 до +200 °С; коэффициент трения ≤0,1.

Для антифрикционных материалов разработаны и выпускаются в ООО «ТЕКС-ЦЕТР» комбинированные ткани артикулов: 5392-81 (ТУ 8278-124-35227510–2005), 5387/2-79 (ТУ 8278-125-35227510–2005), 5392-81Р, 5387/2-79Р (ТУ 8278-161-35227510–2008), выполненные из комплексных нитей ПТФЭ и полиимидных (или арамидных) нитей.

В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработаны антифрикционные материалы, армированные наполнителями – тканями артикулов 5392-81, 5387/2-79, 5392-81Р и 5387/2-79. Материалы предназначены для тяжелонагруженных подшипников скольжения авиационных конструкций и применяются в шарнирах (несущих систем, систем управления, стоек шасси, креплений демпфера лопастей вертолетов и др.), тягах, втулках управлений закрылками самолета и др. [16–22].

В данной работе в рамках проведения научных исследований в области создания самосмазывающихся антифрикционных материалов на тканевой основе с повышенной износостойкостью созданы экспериментальные ткани различного состава и текстильной структуры, исследованы свойства образцов тканей и антифрикционных материалов на их основе.

Материалы и методы

Для изготовления образцов экспериментальных тканей для самосмазывающихся антифрикционных материалов выбраны следующие комплексные нити:

– в качестве антифрикционных компонентов тканей – мононить торговой марки Фторин (диаметр 0,13 мм, в две нити), нить из волокна ПТФЭ с линейной плотностью 44,4 текс;

– в качестве армирующих компонентов тканей – нить торговой марки Аримид (ароматический полиимид) с линейной плотностью 29,4 текс; нить торговой марки Руслан (ароматический полиамид) с линейной плотностью 29,4 текс; нить торговой марки Арселон-С (полиоксадиазольное волокно) с линейной плотностью 29,4 текс; нить ПЭЭК (полиэфирэфиркетон) с линейной плотностью 30 текс. Эти нити, отличаются термостойкостью и прочностью при растяжении и истирании.

На базе ООО «ТЕКС-ЦЕТР» спроектированы экспериментальные ткани различного состава и текстильной структуры. Ткани выполнены полутораслойным переплетением с дополнительным утком на челночном ткацком станке фирмы «Рюти». В системе основы использовали нити антифрикционного компонента ПТФЭ; в системе утка изнаночного слоя (нижний уток) – нити армирующего компонента; в системе утка лицевого слоя (верхний уток) – нити ПТФЭ. Состав и текстильная структура экспериментальных антифрикционных тканей представлены в табл. 1.

Таблица 1

Состав и текстильная структура экспериментальных тканей

с направлением крутки нитей «Z»

Исходное некрученое сырье (нити) подвергали кручению на тростильно-крутильной машине. В табл. 1 для каждой нити, используемой в составе экспериментальных тканей, указано количество кручений на 1 м и направление крутки.

На производственной базе НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ на основе экспериментальных комбинированных тканей по растворной технологии изготовлены полуфабрикаты – препреги антифрикционных органопластиков. Пропитку тканей осуществляли из раствора фенолкаучукового связующего на лабораторной пропиточной установке ЛПУ-1000.

Образцы органопластика изготавливали из препрегов прессовым формованием при температуре 180–200 °С.

Образцы для определения прочности при отслаивании от конструкционной стали изготавливали путем формования препрега на поверхности металлической пластины по режиму: температура 180–200 °С и давление 2 МПа.

Свойства экспериментальных тканей определяли по ГОСТ 29104.1–91 (поверхностная плотность, число нитей на 10 см), ГОСТ 29104.4–91 (разрывная нагрузка полоски ткани размером 50×200 мм, удлинение), ГОСТ 18976–73 (стойкость
к истиранию).

Свойства препрегов (массовая доля связующего, массовая доля летучих веществ, поверхностная плотность) определяли на образцах препрегов и тканей размером 100×100 мм.

Испытания на отслаивание (от конструкционной стали) проводили согласно ОСТ1 90315–83. Коэффициент трения и износ для образцов органопластиков определяли на установке трения И-47 при удельной нагрузке 3,1 МПа и скорости скольжения 0,1 м/с. Вид сопряжения – торцевое трение двух цилиндрических образцов в контакте со сталью марки 30ХГСА. Продолжительность испытаний составляла 60 мин.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты

Вид образцов ряда экспериментальных тканей для антифрикционных материалов представлен на рис. 1–5. Видно, что структура всех тканей при рассмотрении с лицевой и изнаночной сторон отличается: на каждую сторону преимущественно выходят нити из одного или другого типа волокон. Лицевая сторона обогащена антифрикционными волокнами ПТФЭ (на фотографиях ‒ нити темного цвета), а изнаночная – армирующими волокнами (на фотографиях ‒ нити светлого цвета). Видны также отличия в структуре переплетения каждой ткани. На рис. 6 на примере образца 8 показаны фотографии разреза вдоль утка и основы, которые демонстрируют сложную структуру ткани с полутораслойной схемой переплетения.

Рис. 1. Фотография образца экспериментальной ткани 3: лицевая сторона – нити Фторин и ПТФЭ; изнаночная сторона – нити Аримид

Рис. 2. Фотография образца экспериментальной ткани 4: лицевая сторона – нити ПТФЭ;
изнаночная сторона – нити Аримид

Рис. 3. Фотография образца экспериментальной ткани 6: лицевая сторона – нити ПТФЭ;
изнаночная сторона – нити Аримид

Рис. 4. Фотография образца экспериментальной ткани 7: лицевая сторона – нити ПТФЭ;
изнаночная сторона – нити Руслан

Рис. 5. Фотография образца экспериментальной ткани 8: лицевая сторона – нити ПТФЭ;
изнаночная сторона – нити Арселон-С

Рис. 6. Фотография разреза образца экспериментальной ткани 8 вдоль утка и основы: лицевая сторона – нити ПТФЭ; изнаночная сторона – нити Арселон-С

В табл. 2 приведены результаты испытаний образцов тканей состава и текстильной структуры из табл. 1.

Проведены исследования свойств образцов из комбинированных полутораслойных тканей, определены их физические и физико-механические свойства. В табл. 2 и 3 представлены значения следующих показателей: число нитей на 10 см, поверхностная плотность ткани, стойкость к истиранию с лицевой и изнаночной сторон, разрывная нагрузка и удлинение при разрыве. Видно, что все исследуемые ткани сопоставимы по поверхностной плотности, значения которой находятся в диапазоне 290–320 г/м².

Таблица 2

Физические свойства антифрикционных тканей

Таблица 3

Физико-механические свойства антифрикционных тканей при разрыве

Установлено, что стойкость к истиранию с лицевой стороны (со стороны преимущественного расположения волокон ПТФЭ) составляет 949–1853 цикла и зависит от состава ткани и структуры ее переплетения. Наилучшие результаты показали образцы из тканей 5, 6, 7 и 8. С изнаночной стороны показатель стойкости к истиранию имеет более высокие значения, что закономерно, так как на поверхность этой стороны выходят более прочные нити по сравнению с нитями ПТФЭ на лицевой поверхности. Для исследуемых образцов в зависимости от их структуры и состава стойкость к истиранию с изнаночной стороны изменяется в широком диапазоне – от 907 до 7579 циклов.

Исследования образцов экспериментальных тканей на растяжение показали, что значения разрывной нагрузки при растяжении вдоль утка превышают значения вдоль основы. Наиболее прочной оказалась ткань, содержащая нити Руслан. Значения разрывной нагрузки полоски ткани размером 50×200 мм по основе находятся на уровне ~(1000–1100) Н, по утку – в диапазоне от 1200 до 5845 Н; удлинение при разрыве по утку – от 6 до 20 %.

Свойства препрегов, изготовленных на основе экспериментальных антифрикционных тканей, представлены в табл. 4. Показано, что массовая доля связующего в препрегах составляет 15,6–19,8 %; массовая доля летучих продуктов, оставшихся после изготовления препрега, составляет 2,0–3,1 %; поверхностная плотность 344–398 г/м², т. е. данные препреги, пропитанные по единому режиму, показали сравнимые свойства.

Таблица 4

Свойства препрегов на основе экспериментальных тканей

Органопластики, изготовленные из препрегов на основе исследуемых экспериментальных тканей, как антифрикционные покрытия имеют сравнимую толщину, изменяющуюся в диапазоне 0,25–0,32 мм. Важной характеристикой для оценки практического применения материала и технологии его формования на металлической поверхности является прочность при отслаивании органопластика от конструкционной стали. Из данных табл. 5 видно, что наименьшее значение прочности при отслаивании имеют образцы 2, 5 и 7, что свидетельствует либо о недостаточно хорошей адгезии компонентов связующего и армирующих волокон, либо требует корректировки технологического процесса изготовления органопластика из препрега. Наилучшие результаты по прочности при отслаивании показали органопластики на основе тканей 3, 4 и 6.

Таблица 5

Свойства антифрикционных органопластиков на основе экспериментальных тканей

Трибологические свойства антифрикционных органопластиков в парах трения со сталью 30ХГСА показаны в табл. 6. Видно, что при заданных условиях испытаний (удельная нагрузка 3,1 МПа, скорость скольжения 0,1 м/с) средние значения коэффициента трения для всех исследуемых образцов составляют ~(0,04–0,06). Показано, что испытания в течение 1 ч при данных условиях не привели к износу (контролировали линейные размеры) исследуемых антифрикционных органопластиков (табл. 6).

Таблица 6

Трибологические свойства антифрикционных органопластиков

в парах трения сталь 30ХГСА/органопластик

Обсуждение и заключения

В данной работе спроектированы и изготовлены экспериментальные ткани для самосмазывающихся антифрикционных материалов. В состав тканей входят два типа волокон: антифрикционные и армирующие. В данном случае функцию антифрикционного компонента выполняют комплексные нити из волокна ПТФЭ, функцию армирующего компонента – нити из различных волокнообразующих полимеров (ароматический полиимид, ароматический полиамид, полиэфирэфиркетон, полиоксадиазол). При этом варьировали состав – нити ПТФЭ сочетали с различными видами армирующих нитей, применяли также комплексные нити различной линейной плотности и степени крутки.

Одной из важнейших особенностей спроектированных комбинированных тканей, предназначенных для антифрикционных материалов, является их двухстороннее переплетение, а это важнейшее условие, позволяющее (за счет адгезии армирующих волокон и реакционноспособного полимерного связующего [23]) формировать антифрикционное покрытие на металлической поверхности в узлах трения. Для изготовления всех тканей выбрано полутораслойное переплетение с дополнительным утком, так как оно позволяет получить ткань с застилистой поверхностью. Варьировались также схемы переплетения – например, полутораслойное переплетение на базе неправильного четырехремизного сатина или усиленного сатина 8/3; полутораслойное переплетение на базе сатина 8/3 (одна сторона) и полотняного переплетения (вторая сторона). Показано, что все изготовленные экспериментальные ткани сопоставимы по поверхностной плотности (в диапазоне 290–320 г/м²), однако отличаются по физико-механическим свойствам. Наибольший интерес представляет показатель стойкости к истиранию, так как он характеризует износостойкость ткани. Важно отметить различную стойкость к истиранию лицевой и изнаночной сторон, что вполне закономерно в связи с тем, что лицевая сторона обогащена волокнами ПТФЭ и предназначена в качестве поверхности трения, тогда как волокна изнаночной стороны имеют бόльшую прочность и выполняют армирующую функцию ткани и антифрикционного покрытия на ее основе. Следует отметить, что наименьшее значение стойкости к истиранию с изнаночной стороны показал образец ткани 2, содержащей нити ПЭЭК, а наибольшей стойкостью обладает образец ткани 6, содержащий полиимидные нити и характеризующийся переплетеним на базе сатина 8/3 с изнаночной стороны и полотняного переплетения с лицевой стороны. По характеру износа и разрушения образцов антифрикционных тканей в процессе истирания установлено, что в исследуемых тканях в первую очередь разрушаются ПТФЭ-нити основы, связывающие лицевой и изнаночный слои, а потом – ПТФЭ-нити утка лицевого слоя и нити армирующего компонента.

Если рассматривать прочностные свойства тканей (полученные при растяжении), то наибольшей прочностью обладает ткань, содержащая в своем составе армирующие нити из арамидного волокна, что вполне закономерно, так как арамидное волокно отличается самой высокой прочностью среди используемых в данной работе волокон. Однако следует отметить, что арамидное волокно уступает по температуре эксплуатации (не более 180 °С), например, полимидным или полиоксадиазольным волокнам (250 °С и более).

Рассматривая полученные свойства тканей в комплексе, установлено, что для применения в составе антифрикционных органопластиков можно применять все спроектированные ткани. К наиболее интересным и перспективным структурам тканого наполнителя можно отнести:

– полутораслойное переплетение на базе усиленного сатина;

– полутораслойное переплетение на базе полотняного переплетения (лицевая сторона) и сатина (изнаночная сторона).

Эти типы структур при одинаковом составе показывают лучшие характеристики по прочности ткани и стойкости к истиранию. Стойкость к истиранию, например, увеличивается в 1,5–1,7 по лицевой стороне и в 1,7–5,5 раза по изнаночной ‒ по сравнению с другими типами плетения.

Показано, что все экспериментальные ткани могут быть применены для изготовления препрега из раствора связующего – например, фенолкаучукового. При этом следует отметить, что препрег на основе образца ткани 2, который содержит в своем составе мононити Фторин, показал недостаточно хорошую технологичность при изготовлении препрега и работе с препрегом в процессе формования органопластика. Однако возможность его применения может быть решена путем отработки технологии пропитки или использования другого типа связующего – например, расплавного.

Как известно, механизм работы антифрикционных органопластиков, армированных тканью, содержащей ПТФЭ-волокна, заключается в формировании на поверхности при контакте двух тел самосмазывающейся пленки ПТФЭ, которая возобновляется без разрушения в процессе трения. По результатам определения трибологических свойств антифрикционных органопластиков без смазки в парах трения сталь 30ХГСА/органопластик показано, что коэффициент трения для всех исследуемых образцов находится на уровне ~(0,04–0,06). Линейный износ при данных условиях не наблюдался.

Таким образом, по результатам работы показано, что все типы спроектированных и изготовленных тканей могут быть рассмотрены в качестве наполнителей для создания самосмазывающихся антифрикционных материалов с учетом нагрузочно-скоростных параметров трения и условий эксплуатации.