УДК 678.01.252

УДК 678.01.252
ЗАВИСИМОСТЬ ПОЛЗУЧЕСТИ ФТОРОПЛАСТОВЫХ КОМПОЗИТОВ ОТ
ФОРМЫ И КОЛИЧЕСТВА НАПОЛНИТЕЛЕЙ
А.Ф.Будник, доц.; В.Б.Юскаев, доц.; С.П.Шаповалов, доц.
Композитные материалы на основе фторопласта-4 широко применяются в
качестве уплотнительных при высоких параметрах механических воздействий и в
агрессивных средах [1].
Основной критерий работоспособности материалов в этих условиях наряду с
износостойкостью (для подвижных соединений) - деформация при длительном
действии нагрузки или ползучесть.
Определение закономерностей ползучести при сложном напряженном состоянии,
соответствующем условиям работы уплотнений в реальных конструкциях,
представляет собой ряд трудностей. В то же время пренебрежение влиянием
шарового тензора, характеризующего объемную деформацию, дает некоторый
расчетный запас ползучести. На этом принципе основано применение результатов
одноосного напряженного состояния для оценки ползучести в сложных схемах
нагружения материала. Следовательно, изучая ползучесть образцов исследуемых
материалов при линейных деформациях, можно обобщить результаты на случай
поведения деталей из этих материалов в реальных конструкциях уплотнительных
узлов.
В данной работе приводятся результаты исследования ползучести при одноосном
сжатии цилиндрических образцов из композиционных материалов на основе
фторопласта-4, наполненного волокнистым наполнителем - углеродным волокном и
дисперсным - карбидом титана. Испытания проводились на приспособленном для
этой цели твердомере ТК-2, деформация измерялась по показаниям индикаторной
головки прибора с ценой деления 0,002 мм. Нагрузка на образец составила 7,6 МПа.
Подготовленные для испытаний образцы материалов (диаметр 10 мм, высота 10 мм )
термостатировали при температуре 2610С в течение 12 ч для того, чтобы исключить
влияние на результаты измерений фазовых переходов фторопласта-4 при
температурах 18-19 и 28-300С. Образцы изготовляли методом прессования из
материалов типа флубон [2], состав которых приведен в табл.1.
Таблица 1 Материалы образцов для испытаний на ползучесть [2]
Марка
Массовая доля фторопласта-4 и наполнителей
флубона
15(20)
КТ5УВ15
КТ110УВ10
КТ15УВ5
фторопласт-4
углеродное
волокно
карбид титана
80
80
80
80
20
15
10
5
5
10
15
Ползучесть указанных материалов исследовали при постоянном и циклическом
приложениях нагрузки. По первому режиму образцы выдерживали под нагрузкой 7,6
МПа в течение 60 мин и 4 сут. Во втором случае цикл нагружения постоянной силой
чередовался с кратковременной разгрузкой в течение 5 мин.
Анализ полученных результатов показывает, что деформация в случае
циклического нагружения флубона-15(20) близка к деформации при постоянном
воздействии нагрузки. Аналогичные результаты получены и для других материалов.
Здесь действует принцип сложения деформаций [3], который применим независимо
47
от того, накапливается ли в процессе ползучести необратимая деформация или вся
деформация ползучести обратима.
Из полученных результатов следует, что остаточные деформации при
циклическом нагружении несколько выше у флубона-15(20), чем у материала,
содержащего два наполнителя - волокнистый и дисперсный. После двух циклов
нагружения и последующей разгрузки остаточные деформации по истечении 60 мин
разгрузки составили для флубона-15(20) - 0,65%, КТ10УВ10 - 0,3%, КТ15УВ5 0,35%.
Для описания ползучести исследуемых материалов в зависимости от времени
приложения постоянной нагрузки использованы зависимости вида =at1/b, где
константы а и b определены по методу наименьших квадратов после представления
функциональной зависимости ползучести от времени в логарифмических
координатах (табл.2).
Таблица 2 - Уравнения регрессии, описывающие ползучесть флубона различных
марок при одноосном сжатии (=7,6 МПа, t=230C)
Уравнения регрессии
Марка флубона
15(20)
КТ5УВ15
КТ10УВ10
КТ15УВ5
описывающие мгновенную
ползучесть на начальном
этапе*
=1,0780
=0,7546
=0,5905
=0,9140
t=0,0399
t=0,0669
t=0,0999
t=0,0766
описывающие длительную
ползучесть**
 =1,5650
 =1,1964
 =1,1267
 =1,4482
t=0,0601
t=0,0888
t=0,0757
t=0,1022
Примечания
* - в процентах; t - в минутах;
**  - в процентах; t - в сутках.
Для каждого исследованного материала получены два уравнения, описывающие
соответственно мгновенную (минуты с момента приложения нагрузки) и длительную
ползучести. Константы уравнения определены по экспериментальным данным
ползучести флубонов в течение 60 мин и 4 сут. Отклонения расчетных значений
деформаций от экспериментальных результатов не превышают 4,5%.
Расчетные зависимости позволяют описывать с достаточной точностью
деформации материалов при длительном нагружении и дают возможность
прогнозировать длительную (месяцы) ползучесть различных марок флубона.
Деформация флубона - 15(20) через 30 сут после приложения нагрузки 7,6 МПа
при t=230C, рассчитанная по уравнению =1,5650t0,0601, составила 1,87%. В результате
контрольного опыта проверки точности прогнозирования получено значение
деформации 1,89%. Таким образом, отклонение экспериментальных данных от
расчетных составляет 1,1%.
Критерии длительной прочности позволяют прогнозировать долговечность
конструкций при сложном напряженном состоянии, используя предельные
характеристики материала при одноосном нагружении [4].
Сравнительный анализ полученных зависимостей дает возможность оценить
ползучесть различных марок флубона. Наименьшую ползучесть как на начальном
этапе нагружения, так и на этапе длительной ползучести имеет флубон КТ10УВ10, а
наибольшую - флубон-15(20). Большая жесткость композиционных материалов,
наполненных дисперсными и волокнистыми наполнителями, связана с явлением
агрегации частиц дисперсного наполнителя в полимерной матрице. Факт влияния
48
агрегации наполнителя на деформационно-прочностные свойства композиционных
материалов
с
комбинированным
зернисто-волокнистым
наполнителем
экспериментально установлен [5]. Считается, что существует предельная
концентрация зернистого наполнителя, при которой он образует непрерывную сетку
включений, армирующую матрицу.
Волокнистый наполнитель с распределением по длинам по закону Вейбулла или
по -распределению [2] создает структурную сетку, внутри которой располагается
каркас из зернистого наполнителя. Причем агрегированные цепи зернистого
наполнителя переплетают волокна. В образовании цепей зернистого наполнителя
могут участвовать осколки волокон, полученные при их дроблении и смешивании с
порошком полимера.
Таким образом, можно предположить, что для фторопластовых композитов,
содержащих волокнистый и дисперсный наполнители, существует предельная
концентрация дисперсного наполнителя, обеспечивающая образование непрерывного
каркаса дисперсного зернистого наполнителя, армирующая матрицу и равная 10%
(по массе). Агрегация порошкообразного наполнителя в гибридном композите
обуславливает появление гибридного эффекта, заключающегося в превышении
жесткости гибридного композита с комбинированным наполнителем жесткости
исходных двухкомпонентных материалов при равных коэффициентах наполнения ползучесть флубона-15(20) и Ф4К20 выше ползучести флубона КТ10УВ10. Кроме
того, такая концентрация комбинированных наполнителей предсказана теоретически
[6] и соответствует максимальной абразивной износостойкости полимерного
композита на основе фторопласта-4.
SUMMARY
Research of deformation under pressure of cylindrical specimens of composition polymers consists of
polytetrafluoretilen, fiber carbon and carbon titan.
Four kinds of materials flubon-type under constant and variable pressure were examined. Formula of
deformation under pressure depending on time of pressure acting was received. This dependence allows to value
deformation under pressure of another kind of flubon.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Полимерный
уплотнительный
композиционный
материал
с
повышенной
абразивной
износостойкостью/Инф.листок № 89-053.-Харьков.-1989.
2.Сиренко Г.А. Антифрикционные карбопластики.- К.:Техніка, 1985.- 195 с.
3.Бугаков И.И. Ползучесть полимерных материалов.- М.: Наука,1972.- 287 с.
4.Башкицкий М.И. Длительная прочность полимеров.- М.: Химия, 1978.- 307 с.
5.Дзенис Ю.А., Максимов Р.Д. Прогнозирование деформационных свойств полимерного композита с
зернисто-волокнистым наполнителем // Механика композитных материалов.- 1987.- № 5.- С.898-900.
6.Будник А.Ф. Разработка абразивостойкого трехкомпонентного композитного материала на основе
политетрафторэтилена / Автореферат дис... канд.тенх.наук. - Сумы. -1993.-20 с.
Поступила в редколлегию 18 октября 1995 г.
49