Повышение износостойкости сверхвысокомолекулярного полиэтилена при абразивном изнашивании, сухом трении и граничной смазке введением неорганических микро- и нанонаполнителей

• Автор: Наронгрит Сонджайтам
• Шифр специальности: 05.16.09
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 162 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1 Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ)
1.2 Изнашивание полимеров
1.3 Изнашивание полимеров в условиях граничной смазки
1.4 Повышение износостойкости СВМПЭ
1.5 Полимеры, наполненные гидроксиапатитом (ГА)
1.6 Модификация полимеров облучением ионным пучком
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1 Методика изготовления композитов на основе СВМПЭ компрессионным спеканием
2.2 Методика обработки поверхности композитов на основе СВМПЭ облучением пучком ионов азота
2.3 Методология экспериментальных исследований
2.3.1 Анализ микроструктуры
2.3.2 Анализ химического строения
2.3.3 Измерение механических свойств
2.3.4 Анализ триботехнических свойств
3. СТРУКТУРА, МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ СВМПЭ С НЕОРГАНИЧЕСКИМИ МИКРО- И НАНОЧАСТИЦАМИ
3.1 Структура, механические свойства и особенности абразивного изнашивания композитов на основе СВМПЭ с микрочастицами АЮ(ОН) и А1
3.2 Структура, механические свойства и особенности абразивного изнашивания композитов на основе СВМПЭ с микрочастицами АЮ(ОН) и А1203 и структурно-модифицированных введением ПЭНД-прив-СМА и ПЭНД-прив-ВТМС

3.3 Структура, механические свойства и особенности абразивного изнашивания композитов на основе СВМПЭ с наночастицами и нановолокнами Si02, Си, АЮ(ОН) и УНВ и структурно-модифицированных ПЭНД-прив-СМА и ПЭНД-прив-ВТМС
3.4 Изнашивание композитов на основе СВМПЭ с нано- и микрочастицами при сухом трении и граничной смазке
3.5 Выводы по разделу
4. СТРУКТУРА, МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ СВМПЭ С МИКРО- И НАНОЧАСТИЦАМИ ГИДРОКСИАПАТИТА
4.1 Структура, механические свойства и сопротивление изнашиванию при сухом трении и граничной смазке композитов на основе СВМПЭ с наночастицами ГА
4.2 Структура, механические свойства и сопротивление изнашиванию при сухом трении и граничной смазке композитов на основе СВМПЭ с микрочастицами ГА
4.3 Структура, триботехнические и механические свойства композитов на основе СВМПЭ с микро- и наночастицами ГА после облучения поверхности пучком ионов азота
4.4 Абразивное изнашивание композитов на основе СВМПЭ с нано-
и микрочастицами гидроксиапатита
4.5 Выводы по разделу
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы диссертации
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) является перспективным полимерным материалом, который за счет ряда своих уникальных свойств (химическая инертность, низкий коэффициент трения, ударная прочность и стойкость к истиранию) получил широкое распространение в машиностроении. В различных отраслях его используют для замены металлов при изготовлении зубчатых передач, направляющих, подшипников, роликов, футеровочных плит и т. д. В ортопедической хирургии он служит для изготовления эндопротезов тазобедренного, коленного, плечевого суставов, а также межпозвоночных дисков. СВМПЭ поддается механической обработке и предназначен для работы в условиях сухого трения скольжения и абразивного изнашивания.
Вместе с тем немодифицированный (ненаполненный) СВМПЭ испытывает значительный износ при длительной эксплуатации, что является актуальной научно-технической проблемой. На долю абразивного изнашивания полимеров приходится более 64 % общих потерь от износа в промышленности. Кроме того, они подвержены адгезионному и усталостному изнашиванию. Для повышения износостойкости СВМПЭ применяются различные методы, например, введение наноразмерных и микронных наполнителей, химическая модификация, обработка поверхности пучками ионизирующего излучения, механическая активация и т.д. Таким образом, проведение всесторонних комплексных исследований влияния микро- и нанонаполнителей на структуру, механические свойства и сопротивление изнашиванию композитов на основе СВМПЭ при различных видах износа является актуальной задачей.
Степень разработанности темы. Существенный вклад в развитие представлений о закономерностях изнашивания СВМПЭ и композитов на его основе внесли А.П. Краснов, С. Кёртц, С. Зу, А. Ванг, С. Лю, Б. Бриско и

механических и триботехнических свойств. Используемые наполнители являются армирующими; средний размер их частиц должен быть достаточно небольшим, а также обладать хорошей совместимостью с матрицей, чтобы эффективно выполнять свое предназначение. В идеале размер частиц должен быть меньше, чем расстояние между цепями в матрице полимера, чтобы избежать возникновения концентраторов напряжений в материал. Более крупные частицы наполнителей (>10 микрон), как правило, снижают механические свойства композитов. Механизм армирования в композитах может быть объяснен перераспределением напряжений от полимерной матрицы к частицам более высокомодульных наполнителей. Высокий показатель удельной площади поверхности и более высокий показатель соотношения размеров частиц наполнителя, а также хорошая совместимость между наполнителем и полимером, определяют эффективность перераспределения нагрузки и степень армирования. Армирующие наполнители часто проходят обработку, которая изменяет их химический состав, что обеспечивает улучшение смачивания и более тесное взаимодействие между наполнителем и полимером [67].
Повышение сопротивления изнашиванию при трении скольжения. Известно, что линейные макромолекулы полимеров обладают огромным размером, и основная характеристика структуры полимеров состоит в том, что макромолекулы включают в себя жесткие сегменты, которые могут вращаться, обеспечивая подвижность молекулярных цепей. Также в структуре полимеров сильные химические связи соединяют атомы в цепочке полимера, в то время как более слабые межмолекулярные силы связывают цепи. Структурные свойства полимеров и возможность их изменения в широком диапазоне обеспечивает обширное применение полимеров и полимерных композитов в триботехнике [18]. Характер изнашивания полимера также во многом зависит от разновидности полимера (эластомера, аморфного или полукристаллического). Особый интерес представляют такие свойства, как модуль упругости, предел прочности и