Determination of the influence of a filler on the properties of composite materials based on polytetrafluorothylene for tribosystems of mechanisms and machines

Abstract

This paper reports a comprehensive laboratory study into the thermophysical, physical-mechanical characteristics, and tribological properties of the designed composite materials based on polytetrafluoroethylene. In the structures of machines and mechanisms, a significant role belongs to the tribological conjugations made from polymeric and polymer-composite materials. The reliability of machines, in general, depends to a large extent on the reliability of movable connections. Composite materials of nonmetallic origin have a low cost, they are resistant to most aggressive chemicals and are capable of operating under conditions without lubrication. It was established that the characteristics and properties of materials must be adapted to the working conditions of separately considered tribological conjugations. The mechanisms of thermal destruction have been established, both in the basic material and the carbon fiber based on it. It was found that carbon fiber, regardless of its content (quantity) in the polymer-composite material based on polytetrafluoroethylene, is mainly oriented perpendicular to the force application plane. It was found that with an increase in the carbon fiber content from 10 to 40 % by weight, the heat capacity decreases by 16‒39 % compared to the main material. The optimal operating modes for the designed composite materials have been substantiated on the basis of a pv factor: under a dry friction mode – up to 4 MPa∙m/s; at friction with lubrication – up to 36.4 MPa∙m/s. The dependence has been established of the friction coefficient on the operating modes of a composite material based on polytetrafluoroethylene containing 20 % by weight of carbon fiber when lubricated with oil and water. The results reported here make it possible to synthesize the physical-mechanical characteristics and tribological properties of composite materials in accordance with the required modes of tribological conjugation. У цій роботі представлено комплексне лабораторне дослідження теплофізичних, фізико-механічних характеристик та трибологічних властивостей розроблених композиційних матеріалів на основі політетрафторетилену. У конструкціях машин і механізмів значна роль належить трибологічним сполученням, виготовленим з полімерних і полімерно-композиційних матеріалів. Надійність машин, загалом, значною мірою залежить від надійності рухомих з'єднань. Композиційні матеріали неметалічного походження мають низьку вартість, вони стійкі до більшості агресивних хімічних речовин і здатні працювати в умовах без мастила. Встановлено, що характеристики та властивості матеріалів необхідно адаптувати до умов роботи окремо розглянутих трибологічних сполучень. Встановлено механізми термічної деструкції як основного матеріалу, так і вуглецевого волокна на його основі. Встановлено, що вуглецеве волокно, незалежно від його вмісту (кількості) у полімерно-композитному матеріалі на основі політетрафторетилену, в основному орієнтоване перпендикулярно до площини прикладення зусилля. Встановлено, що при збільшенні вмісту вуглеволокна від 10 до 40 % за масою теплоємність зменшується на 16–39 % порівняно з основним матеріалом. На основі коефіцієнта pv обґрунтовано оптимальні режими роботи розроблених композиційних матеріалів: в режимі сухого тертя – до 4 МПа∙м/с; при терті з мастилом – до 36,4 МПа∙м/с. Наведені результати дають змогу синтезувати фізико-механічні характеристики та трибологічні властивості композиційних матеріалів відповідно до необхідних режимів трибологічного сполучення.