Теплостойкие антифрикционные текстолиты
Исследованы свойства стеклотекстолитов на основе полиимидного связующего и различных наполнителей. Показано, что комбинированный материал с использованием в наружных слоях углеродной ткани обладает высокой механической прочностью, теплостойкостью, хорошими антифрикционными свойствами и малым износом.
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*
Наполнитель | Напряжение при изгибе, МПа | ||||||
при температуре, °С | после термостарения при 300°С в течение, ч | после термостарения при 350°С в течение, ч | |||||
20 | 300 | 350 | 50 | 100 | 50 | 100 | |
УТЭП | 97 | 64 | 52 | 41 | 20 | Материал претерпевает | |
УТМ-8 | 130 | 110 | 113 | 28 | 23 | То же | |
ТГ-1 | 100 | 94 | 90 | 90 | 90 | 93 | 86 |
* 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*
Наполнитель | Усадка (%) при термостарении образцов при 300°С в течение, ч | ||
100 | 500 | 1000 | |
УТЭП | 3,8 | 18,6 | 21,6 |
УТМ-8 | 4,2 | 17,1 | 18,6 |
ТГ-1 | 0 | 0 | 0 |
* 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)
Напряжение при изгибе, МПа | ||||||||||
при температуре, °С | после термостарения при 300°С в течение, ч | после термостарения при 300°С в течение, ч | ||||||||
20 | 300 | 350 | 400 | 100 | 500 | 1000 | 1500 | 2000 | 50 | 10 |
147 | 136 | 116 | 106 | 136 | 134 | 130 | 116 | 110 | 100 | 93 |
Теплофизические свойства
Температура испытания, °С | l, Вт/(м·К) | α·107, м2/с | с, кДж/(кг·К) | α×106, К-1 |
20 50 100 150 200 250 300 | 0,37 0,38 0,39 0,41 0,41 0,41 0,41 | 0,168 0,162 0,140 0,112 0,110 0,110 0,110 | 0,18 0,19 0,23 0,25 0,30 0,32 0,30 | 1,2–2,5 (от 20 до 100°С) 2,5 (от 110 до 300°С) |
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
Вид нити | Напряжение при изгибе, МПа | ||||||
при температуре, °С | после термостарения при 300°С в течение, ч | ||||||
20 | 300 | 350 | 400 | 100 | 500 | 1000 | |
№10,7 | 87 | 52 | 40 | 37 | 47 | 30 | 20 |
№45 | 97 | 82 | 56 | 57 | 45 | 43 | 40 |
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)
Состав комбинированного материала | Свойства | Значения свойств | |||||||
при температуре испытания, °С | после термостарения при температуре 300°С в течение, ч | после термостарения при температуре 350°С в течение, ч | |||||||
20 | 300 | 350 | 100 | 500 | 1000 | 50 | 100 | ||
Наполнитель: 6 слоев стеклоткани Т-10-80 и по 2 слоя с каждой стороны графитированной ткани ТГ-1; связующее СП-97с | σв.и, МПа | 212 | 173 | 153 | 160 | 144 | 140 | 142 | 124 |
σсж, МПа | 192 | 170 | 150 | 136 | 140 | 130 | 136 | 130 | |
σв, МПа | 232 | 193 | 190 | 176 | 83 | 80 | 176 | 120 | |
Е, ГПа | 21,0 | 21,0 | 17,5 | 17,5 | 16,5 | 16,0 | 17,0 | 15,0 | |
σсм, МПа | 235 | 170 | 180 | 170 | 120 | 110 | 180 | 120 | |
Коэффициент трения в паре со сталью 30ХГСА: 0,16; износ материала при трении в паре со сталью | |||||||||
Теплофизические свойства
Температура испытания, °С | l, Вт/(м·К) | α·107, м2/с | с, кДж/(кг·К) |
20 50 100 150 200 250 300 | 0,26 0,26 0,27 0,28 0,29 0,30 0,31 | 0,091 0,085 0,075 0,065 0,065 0,063 0,059 | 0,21 0,22 0,26 0,31 0,32 0,35 0,38 |
Таблица 6
Свойства комбинированного материала на основе арамидной ткани
Состав комбинированного материала | Свойства | Значения свойств | |||||||
при температуре испытания, °С | после термостарения при температуре 300°С в течение, ч | после термостарения при температуре 350°С в течение, ч | |||||||
20 | 300 | 350 | 100 | 500 | 1000 | 50 | 100 | ||
Наполнитель: 6 слоев стеклоткани Т-10-80 и по 2 слоя с каждой стороны арамидной ткани из нити №45; связующее СП-97с | σв.и, МПа | 200 | 160 | 120 | 100 | 70 | 85 | 100 | 55 |
σсж, МПа | 190 | 145 | 140 | 120 | 110 | 100 | 90 | 40 | |
σв, МПа | 220 | 170 | 160 | 77 | – | – | 110 | – | |
Е, ГПа | 16,0 | 14,0 | 12,0 | 12,5 | 11,0 | 10,0 | 13,0 | – | |
σсм, МПа | 165 | 140 | 100 | – | – | – | – | – | |
Коэффициент трения в паре со сталью 30ХГСА: 0,27; износ материала при трении в паре со сталью | |||||||||
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 σсж≈130 МПа, σсм≈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.
- Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7–17.
- Ткачук А.И., Гребнева Т.А., Чурсова Л.В., Панина Н.Н. Термопластичные связующие. Настоящее и будущее //Труды ВИАМ. 2013. №11. Ст. 07 (viam-works.ru).
- Каблов Е.Н., Старцев О.В., Деев И.С., Никишин Е.Ф. Свойства полимерных композиционных материалов после воздействия открытого космоса на околоземных орбитах //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. №11. С. 2–16.
- Каблов Е.Н. Химия в авиационном материаловедении //Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 3–4.
- Каблов Е.Н. Материалы для изделия «Буран» – инновационные решения формирования шестого технологического уклада //Авиационные материалы и технологии. 2013. №S1. С. 3–9.
- Давыдова И.Ф., Кавун Н.С. Стеклопластики – многофункциональные композиционные материалы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 253–260.
- Давыдова И.Ф., Каблов Е.Н., Кавун Н.С. Термостойкие негорючие полиимидные стеклотекстолиты для изделий авиационной и ракетной техники //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2009. №7. С. 2–11.
- Давыдова И.Ф. Кавун Н.С. Термостойкие герметичные стеклотекстолиты //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2011. №11. С. 18–20.
- Davidova I.F., Kavun N.S. Glass plastics to auiation and roket Engineering. Springer. 2012 (clause in the electronic).
- Давыдова И.Ф. Кавун Н.С., Швецов Е.П. Базальтопластики для работы при повышенных температурах //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. №11. С. 18–24.
- Мухаметов Р.Р., Ахмадиева К.Р., Чурсова Л.В., Коган Д.И. Новые полимерные связующие для перспективных методов изготовления конструкционных волокнистых ПКМ //Авиационные материалы и технологии. 2011. №2. С. 38–42.
- Давыдова И.Ф., Кавун Н.С. Стеклопластики в конструкциях авиационной и ракетной техники //Стекло и керамика. 2012. №4. С. 36–42.
- Давыдова И.Ф., Кавун Н.С. Огнестойкие стеклопластики в конструкциях мотогондол двигателей самолетов //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2011. №7. С. 16–20.
- Давыдова И.Ф., Кавун Н.С., Швецов Е.П. Высокотермостойкие карбоносодержащие стеклотекстолиты //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. №9. С. 18–24.
- Кондратенко А.Н., Голубкова Т.А. Полимерные композиционные материалы в изделиях зарубежной ракетно-космической техники (обзор) //Конструкции из композиционных материалов. 2009. №2. С. 24–34.
- Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. М.: «HOT». 2008. 820 с.
- Зорин В.А. Опыт применения композиционных материалов в изделиях авиационной и ракетно-космической техники //Конструкции из композиционных материалов. 2011. №4. С. 44–58.
- Каблов Е.Н., Гращенков Д.В., Исаева Н.В., Солнцев С.С. Перспективные высокотемпературные керамические композиционные материалы //Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 20–24.
- Гуляев И.Н., Власенко Ф.С., Зеленина И.В., Раскутин А.Е. Направления развития термостойких углепластиков на основе полиимидных и гетероциклических полимеров //Труды ВИАМ. 2014. №1. Ст. 04 (viam-works.ru).