2.4.3. Композиционные материалы

Композиционные материалы – металлополимеры, содержащие частицы металла в полимерной матрице, получают, различными методами: термическим разложением металлосодержащих соединений в растворе–расплаве полимера, конденсацией паров металла на полимерную подложку, капсулированием наночастиц политетрафторэтиленом, металлохимическим осаждением металлических наночастиц в полимерах [24]. На основе металлополимерных композитов уже производятся коммерческие продукты – электропроводящие композиционные материалы для нагревательных панелей. С уменьшением размеров частиц металла и полимера изменяются свойства как исходных компонентов, так и композиционного материала. Изменение доли границ раздела позволяет изменять и свойства материала. Металлические наночастицы наполнителя приводят к реорганизации надмолекулярной структуры полимерной матрицы [25]. Результаты исследования механических и трибологических свойств композиционных материалов на основе политетрафторэтилена и простых, и сложных шпинелей приведены в табл. 8.

Таблица. 8.

Механические и трибологические свойства модифицированного оксидами политетрафторэтилена (ПТФЭ)

Состав	Предел прочности растяжение, МПа	Относительное удлинение при разрыве, %	Скорость износа, мг/час	Коэффициент трения
ПТФЭ	20-22	300-320	70-75	0,04
ПТФЭ+кокс	16-18	290-300	12-16	0,15-0,3
ПТФЭ+МоS2	12-18	160-180	40-45	0,2-0,3
ПТФЭ+2%Al2O3	20-25	300-230	0,4-1,2	0,18-0,2
ПТФЭ+2%Cr2O3	18-22	310-330	5-5,6	0,2-0,22
ПТФЭ+2%ZrO2	17-20	300-320	4,6-4,8	0,17-0,19
ПТФЭ+3%CoAl2O4	19-24	330-400	1,2-4,3	0,15-0,18
ПТФЭ+4%MgAl2O4	18-22	300-310	0,6-3,4	0,17-0,19

Более важная плотность покрытия поверхности трения приводит к большему сопротивлению контактным деформациям. Композиты на основе политетрафторэтилена, модифицированные оксидными нанокрошками, имеют большую износостойкость, по сравнению с традиционными антифрикционными материалами.

Композиционные материалы на основе алюминиевых сплавов, упрочненные наночастицами высокомодульных тугоплавких веществ, характеризуется высокими антифрикционными свойствами и изностойкостью [26].

Слоистые наноматериалы получают методами химического и физического осаждения из газовой фазы, электроосаждения, методом многократной прокатки и др. Полученный методом химического осаждения многослойной наноламинад системы молибден-вольфрам толщиной 50мкм состоит из слоев молибдена и вольфрама толщиной 4нм. Твердость и предел прочности этого материала в 15 раз превышает аналогичные характеристики сплава соответствующего состава [8].

Исследование трибологических характеристик покрытий из наноструктурированных (с размерах зерна карбида вольфрама 17 нм) и крупнозернистых порошков твердых сплавов на основе карбида вольфрама с кобальтом показали, что коэффициент трения наноструктурированного покрытия на 40-50% меньше, чем для крупнозернистого [27].

Методом плазменного нанесения и лазерного оплавления получены износостойкие металлокерамические покрытия с ультрадисперсной упрочняющей фазой оксида алюминия для узлов трибосопряжений. Нанесение таких покрытий на внутреннюю цилиндрическую поверхность корпуса роторно-пластнчатого насоса для перекачки травящего раствора в производстве печатных плат позволило повысить ресурс работы насосов в 20 раз [28].

В настоящее время создается термопластичные стеклокомпозиты на основе полиолефиновых матриц (полиэтилены и полипропилена) выдерживающие существенные дозы гамма-облучения без изменения физико-химических и физико-механических свойств, работающие в качестве втулок, вкладышей, шестеренок, подшипников и зубчатых колес [29].

В качестве полимер-неорганических нанокомпозиций исследуются механические свойства пленок на основе полиуретанов и наночастиц осевой и цилиндрической геометрии-монтмориллонита, углеродных нановолокон и наноконусов, гидросиликатных нанотрубок [30].

В работе [31] предложено полимерные системы рассматривать как наноструктурные системы, если использовать кластерную модель структуры аморфного состояния полимеров состоящей из областей локального порядка (кластеров), погруженных в рыхлоупакованную матрицу. В этом Случае последняя рассматривается как матрица наногетерогенного материала (естественного нанокомпозита), а кластеры –как нанонаполнитель. Причем кластер представляет собой набор нескольких плотноупакованных сегментов разных макромолекул с размерами несколько нанометров. Тогда кластеры являются истинными наночастицами – нанокластерами.

Таким же образом упрочняется нанокомпозит состава эпоксиполимер-натрий-монтмориллонит [31].

Создание композиционных материалов с необходимыми свойствами возможно с помощью безэнергозатратной технологии изготовления композиционных материалов на космических объектах в условия сверхнизких температур с использованием энергии потоков космического и солнечного излучения [32].

Одним из перспективных методов создания нанокомпозитов является использование слоистых силикатов в качестве наполнителей, т.к. они имеют особенности структурной организации. В результате расслоения слоистых наполнителей на единичные слои толщиной 1 нм под действием молекул полимера возможно формирование нанокомпозитов, обладающих свойствами, превосходящими свойства исходного полимера-политетрафторэтилена [33]. Наиболее простым и эффективным методом является механоактивация силикатов с определением оптимального режима их обработки. Отмечается [33] значительное повышение трибологических характеристик композитов: снижение скорости износа в 1000 раз у композита, содержащего 5% серпентинита и в 1500 раз у композита, содержащего 10% вермикулита. У всех композитов наблюдается снижение коэффициента трения вследствие изменения структуры поверхностного слоя полимерного композита в процессе трения и изнашивания, уменьшение трибодеструкции и окисления.