В связи с многочисленными запросами о том, как производится ультрадисперсный медный порошок, для чего он используется и почему он так дорог, у нас есть научная статья на эту тему, переведенная на немецкий язык. Перевод был сделан сотрудником, который не является профессиональным переводчиком. Содержание немецкого PDF идентично русскому оригиналу. Мы могли получить доступ только к русскому алфавиту, так как знаем, что этот продукт производится только в России и Чили для коммерческих целей. Другие страны также производят ультрадисперсный медный порошок, но в основном только в своих собственных исследовательских лабораториях и всегда только в необходимом количестве.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ УЛЬТРАДИСПЕРСОВ МЕДНЫХ ПОРОШКОВ, СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ С ВОДОРАСТВОРАЕМЫМИ ПОЛИМЕРАМИ ДЛЯ АНТИФРИКЦИОННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

Введение и общая характеристика работы

Композиты образуют отдельный раздел материала.

Они формируют свои собственные сегменты производства и рынка, а иногда и целые отрасли. От их областей применения

Ультрадисперсные и наноразмерные порошки можно отличить по их применению в качестве наполнителей в композиционных материалах [1-3].

• Полученные таким образом материалы используются для изготовления отвержденных сыпучих материалов (твердые сплавы, металлокерамические материалы, металл-полимерные композиционные материалы).
• Ультрадисперсные порошки улучшают характеристики материалов, в машиностроении, в качестве смазочных добавок, абразивов, мембран, катализаторов, адсорбентов и т. Д.
• Металлические ультрадисперсные порошки используются для изготовления ракетного топлива, взрывчатых веществ, прессованных и спеченных изделий.
• Порошки используются в качестве наполнителей для производства эффективных протекторных, противоскользящих и износостойких материалов, а также ресурсосберегающих, гидрофобных, самоочищающихся и биоинертных композиционных материалов.
• Эти материалы расширяют функциональные и ресурсные возможности машин, конструкций, изделий, которые используются в различных отраслях промышленности: в машиностроении и строительстве, на транспорте, в энергетике и химической промышленности.
• Атомная промышленность, военная техника, медицина и быт.
• Ультрадисперсные порошки, которые используются для композитных материалов с полимерной матрицей, позволяют получать новые композитные наноматериалы с широким спектром практических применений.
• Свойства частиц порошка и материалов, полученных в результате их использования, зависят не только от химического состава, но также от формы и размера частиц. В наноразмерном диапазоне измеряется отношение частиц поверхности к объему в отличие от макрочастиц и микрочастиц.

В наноразмерном диапазоне измеряется отношение частиц поверхности к объему в отличие от макрочастиц и микрочастиц. Свойства ультрадисперсных порошков могут быть очень разными и широко варьироваться при изменении соотношения.

Практика объясняет желание

Исследователь и производитель по производству порошков различного химического состава с минимальным размером частиц. Коллоидная химия, которая представляет собой исследование мелких частиц веществ в жидкостях и газах, появилась полтора столетия назад, когда возникло понимание важности порошкообразных веществ.

Классическая материаловедческая схема «Состав - Структура - Свойства» академика И. В. Тананаева.

Введя размер частиц как один из важнейших параметров материалов, он был преобразован в схему «состав - структура - дисперсия - свойства».

Множество порошкообразных материалов создается не только по типу и химическому составу, морфологии и размеру частиц, но и по типу экстракции. Все способы получения порошков реализуются двумя способами: «сверху вниз» и «снизу вверх». Первый - это обработка макрообъектов, в основном с помощью физических методов, которые приводят к дисперсии материалов. Второй метод основан на «конструировании» частиц порошка из атомных и молекулярных объектов, и в этом случае обычно используются химические методы.

В настоящее время известно много технологических способов получения ультрадисперсных порошков, но нет универсальных подходов, позволяющих получать порошки любого типа и химического состава. Каждая технология ограничена конкретным типом порошка в зависимости от применения, и поэтому, исходя из практической необходимости, необходимо разработать различные технологические методы для производства различных порошковых материалов [8-10].

Актуальность темы исследования.

Повышение эксплуатационных свойств полимеров подшипников скольжения в узлах трения машин и механизмов за счет введения в материал легирующих добавок означает повышение механических и термических нагрузок. Для обеспечения оптимального сочетания физико-механических свойств материалов используется множество наполнителей, но высокая степень наполнения таких полимеров, как фторопласт - 4 (Ф-4) и полиэтилен - 277 (ПЭ-277), приводит к снижению скользящих свойств материала. Материал, при этом повышенная устойчивость к высоким нагрузкам.

Снижение скользящих свойств материала происходит в основном из-за неравномерного распределения.

Частицы наполнителя во всей полимерной матрице, что приводит к зоне перенасыщения и недостатку наполнителя. Существует несколько способов достижения равномерного распределения наполнителя по всему объему материала, одним из которых является использование поверхностно-активных веществ для стабилизации частиц, но этот метод приводит к насыщению материала побочными продуктами, что также отрицательно влияет на Свойства композиционных материалов.

Отсутствие методов, позволяющих формировать химически инертную оболочку при производстве ультрадисперсных порошков (УДП), которая защищает порошки от слипания при хранении и изготовлении композиций, определяет актуальность и новизну темы диссертации указывает на необходимость специальных исследований.

Работа выполнялась на кафедрах «Технология машиностроения» и «Материаловедение и технология материалов» Южно-Российского государственного политехнического университета им. М.И. Платова в рамках следующих мероприятий. Теоретические и технологические основы разработки энергоэффективных способов производства порошковых и композиционных функциональных материалов », проект № 7.3767.2011.

Цели и задачи исследования состоят в улучшении свойств изделий из композиционных материалов, изготовленных из фрикционных металлических полимерных материалов, путем введения ультрадисперсных медных порошков, стабилизированных водорастворимыми полимерами.

Для достижения этой цели необходимо выполнить следующие задачи:

• разработка технологии получения ультрадисперсного порошка меди, стабилизированного водорастворимыми полимерами;
• определить влияние водорастворимых полимеров, полиакриламида и поливинилпирроидона на свойства и характеристики полученного ультрадисперсного порошка меди;
• должна быть определена зависимость гранулометрического состава и морфологии ультрадисперсного порошка меди от модификации поверхности;
• разработать математическую модель силовой зависимости от технологических параметров и использовать ее для определения оптимального количества нанонаполнителей и условий обработки смесей;
• влияние стабилизированного ультрадисперсного порошка меди на свойства металлополимерного композиционного материала за счет равномерно распределенного ультрадисперсного порошка меди в матрице композиционных материалов.

Научная новизна:

1. Предлагаемый способ получения ультрадисперсного медного порошка электролизом в присутствии водорастворимых полимеров в качестве стабилизаторов частиц отличается от известных способов тем, что позволяет диспергируемость полученного ультрадисперсного медного порошка в 2-3 раза по сравнению с промышленно используемыми методами получения электролитических Уменьшают порошки и уменьшают средний размер получаемого ультрадисперсного медного порошка, а также увеличивают количество наноразмерной фракции.
2. Отмечен эффект уменьшения среднего размера частиц в присутствии поливинилпирролидона. Это уменьшает средний размер частиц порошка до <50 нанометров и достигается равномерное взаимное распределение полимера на поверхности меди.
3. Показано равномерное распределение частиц стабилизированного ультрадисперсного порошка меди в матрице из композиционного материала.

В отличие от методов, исследованных до сих пор, было обнаружено увеличение адгезионной прочности порошка.

Соотношение частиц и матрицы, которое влияет на улучшение физических, механических и антифрикционных свойств материала.

Практическое значение.

Разработана высокоэффективная технология экстракции полидисперсных ультрадисперсных медных порошков.

Даны научно обоснованные практические рекомендации по выбору оптимальных типов приема нанопорошков методом электролиза, разработаны составы металлополимерных композитов и технология их приема.

Доказано, что использование металлических нанопорошков, модифицированных водорастворимыми полимерами, в качестве наполнителей материалов благодаря равномерному распределению наполнителя и увеличению адгезионного взаимодействия, увеличивает твердость материалов в 2–3 раза, износостойкость на 1,5 В 2-2 раза, а свойства скольжения увеличились в 2,5-XNUMX раза.

Разработки, придающие композиционным материалам высокий комплекс физико-механических свойств, могут быть использованы в высоконапряженных узлах трения машин и механизмов взамен дорогостоящих антифрикционных деталей из сплавов цветных металлов и металлополимеров.

Практические результаты диссертации могут быть рекомендованы для использования научно-исследовательскими институтами и проектными организациями, которые занимаются разработкой, изготовлением и внедрением технологий производства и композитов, в которых в качестве наполнителя используется модифицированный ультрадисперсный порошок меди.

Методы исследования:

Для решения поставленных задач были использованы современные методы и устройства исследования.

• Термодинамический анализ проводили на STA 449C в окислительной (воздушной) среде. Образцы нагревали до 10 ° С со скоростью 600 ° С / мин.
• Рентгенофазовый анализ (XRD) выполняли на дефрактометре ARL X'TRA Thermo Fisher Scientific. Структуру полученного ультрадисперсного порошка меди исследовали на энергодисперсионном микроанализаторе EDAX.
• GENESIS. Исследование координационных связей, образовавшихся в процессе извлечения ультрадисперсного медного порошка, было проведено с помощью инфракрасной спектроскопии на приборе Varian 640. Гранулометрический состав определяли с помощью Microtrac S3500.
• Взаимодействие наполнителя с матрицей исследовали на сканирующем электронном микроскопе Quanta 200.
• Исследована структура поверхностного слоя композиционных материалов.
• на сканирующем зондовом микроскопе SolverHV. Фрикционные свойства полученных материалов проверены на машине конечного трения ТМТ-25.
• Линейный износ определяли путем изменения размеров длины с помощью оптического измерительного прибора с точностью до 0,003 мм.
• Твердость металлополимерных композитов определялась на АС-111 путем прессования шарика (по Бринеллю) по ГОСТ 9012-59.
• Определение разрушающего напряжения при сжатии проводилось на приборе П-0,5 по ГОСТ4651-82. Представленные в диссертации результаты не противоречат экспериментальным и теоретическим данным других исследователей, опубликованным в свободной печати.

1. Технология производства нанопорошков меди электролизом с использованием наночастиц поливинилпирролидона и полиакриламида.
2. Использование ультрадисперсных порошков меди и меди, полученных из растворов аммиака, в качестве добавок к полимерным композитам позволяет повысить твердость и уменьшить износ при трении, уменьшить деформацию спекания, увеличить максимальную сжимающую силу.
3. Определение зависимости влияния стабилизированных свойств ультрадисперсного порошка меди от механических свойств металлополимерных композитов.
4. Математическая модель, позволяющая найти оптимальное соотношение концентраций ультрадисперсного порошка меди в полимерной матрице, благодаря чему достигается наибольшая прочность материала.

Степень достоверности и утверждение результатов.

Степень достоверности полученных результатов подтверждается:

• Согласование результатов с основными положениями порошкового материаловедения, а также согласование экспериментальных данных и научных знаний с общепринятыми положениями, опубликованными в печатных изданиях.
• Применение программного обеспечения для обработки результатов экспериментальных исследований.

Исследования проводились на сертифицированных приборах.

Порошки были испытаны в качестве добавок к композитам с полимерной матрицей из фторопласта-4 и полиэтилена-277.

Основные положения и результаты исследований докладывались на ежегодных научно-технических и научно-исследовательских конференциях:

• VI Международная научно-практическая конференция «Новые материалы и технологии их производства», Новочеркасск (2012 г.), а также
• XV Международная научно-практическая конференция «Технологии отверждаемых покрытий и ремонта: теория и практика», Санкт-Петербург (2013).

Личный вклад автора.

Все существенные результаты диссертации были лично приняты автором.

Автор принимал непосредственное участие

• при планировании диссертационного исследования,
• в выборе объектов исследования,
• в разработке технологии производства ультрадисперсных медных порошков, стабилизированных водорастворимыми полимерами, для производства композиционных материалов из металлических антифрикционных полимеров.

Постановка задач, выбор объектов исследования и пути их решения находятся в руках автора.

Тема диссертации была предложена А.В. Скориковым.

Он руководил диссертацией с научной точки зрения, участвовал в обсуждении и интерпретации результатов. Липкин М.С., Данишина Г.А. и Шишка В.Г. участвовали в разработке технологии производства стабилизированного ультрадисперсного медного порошка и технологических методов получения металл-полимерных композитов, а также в создании математической модели.

Публикации по теме диссертации.

Всего было опубликовано 9 научных работ по теме диссертации, в том числе

- две журнальные статьи [78, 119] в опубликованных статьях, рекомендованных ВАС Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.

Ряд докладов в области международных конференций [5, 10, 12, 100 125].

Объем и структура работы. Работа составляет 135 страниц, 62 из которых

чертеж и 17 таблиц. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 134 названий.

Глава 1

Анализ научной, технической и патентной литературы

1.1 Применение ультрадисперсных медных порошков

Области применения медных порошков в настоящее время значительно растут и больше не ограничиваются порошковой металлургией.

Благодаря специфическим свойствам, таким как электрическая и теплопроводность, медный порошок активно используется практически во всех областях техники, и область его применения постоянно расширяется (рисунок 1.1).

Широкое использование порошков в различных областях связано с их способностью значительно улучшать параметры существующих технологических процессов и создавать новые технологии.

Ультрадисперсные медные порошки широко используются в порошковой металлургии, в качестве биологически активных добавок, в качестве катализаторов в химической промышленности, в качестве добавок в краски и другие химические продукты, такие как лаки, в качестве пигментов в печати и упаковке, а также во многих других отраслях промышленности [11-13]. ,

Рисунок 1.1 - Применение металлических порошков

Антисептические свойства ультрадисперсных медных порошков уже известны.

Исследования биоактивности немодифицированных повязок и порошкообразных материалов [14] показали, что контрольный образец не ингибирует рост культуры стафилококка.

Материал, модифицированный медным порошком ПМС-1, практически не имеет зоны, препятствующей росту бактерий. Напротив, материалы, которые были модифицированы ультрадисперсными порошками, обладают сильной антимикробной активностью.

Результаты биологической активности в плотной культуральной среде хорошо коррелируют с результатами оценки биологической активности в жидкой культуральной среде с последующим посевом.

Вероятным механизмом гибели бактерий является взаимодействие ионов меди с функциональными группами аминокислот, белков бактерий, что приводит к денатурации белков в клетке; Нарушения ферментативного баланса внутри микроорганизма; Утечка растворимых жизненно важных веществ из клетки, что приводит к гибели микроорганизмов.

Ультрадисперсные медные порошки используются в порошковой металлургии:

- в производстве электроконтактных материалов, используемых в распределительных устройствах, размыкающих и скользящих контактах электропоездов на железных дорогах, в городском и промышленном транспорте, а также в качестве автоматических выключателей, стрелок и переключателей, соединителей для наконечников дуговой сварки и т. ];

- при получении антифрикционных материалов как с металлической матрицей, так и с полимером, используемых в различных высоконагруженных узлах трения [17];

- При производстве строительных материалов, к которым предъявляются повышенные требования по электрической и теплопроводности, коррозионной стойкости и декоративному виду. Изделия из таких материалов используются в различных областях науки и техники, таких как машиностроение, судостроение, приборостроение и автомобилестроение.

В химической промышленности медный порошок используется для производства катализаторов полного окисления углеводородов [22-24].

Рассмотрев широкий спектр применения порошков, можно сделать вывод, что эффективность, надежность и практичность порошков в различных областях применения требуют разработки технологий для производства ультрадисперсного порошка меди с требуемым распределением частиц по размерам, химической чистотой и формой частиц для каждого конкретного применения.

1.2 Способы получения ультрадисперсного порошка

Одним из наиболее важных направлений в развитии современных технологий является миниатюризация продуктов различного функционального назначения, что приводит к экономии материальных и энергетических затрат, связанных с их изготовлением и эксплуатацией, и увеличивает возможное использование в областях, где требования к размеру и снижению веса особенно высоки. высокие

Кроме того, в результате миниатюризации происходят существенные качественные изменения параметров конструкции и, следовательно, свойств создаваемых изделий, что открывает принципиально новые способы практического применения.

Развитие миниатюризации привело к формированию группы нанотехнологий и созданию наноматериалов (25).

Существуют разные подходы к определению наноматериалов. Самый простой подход относится к

• с геометрическими размерами структуры таких материалов.
• Материалы с характерным размером микроструктуры от 1 до 100 нм сегодня называются наноструктурированными [26].

Чтобы исследовать наноматериалы, сначала исследуется их атомная структура, определяются типы атомов, которые являются строительными блоками, и их взаимное положение в пространстве.

Большинство наночастиц имеют кристаллическую наноструктуру.

Наиболее распространенные технологии производства ультрадисперсных порошков можно условно разделить на две группы (рис. 1.2). Первая группа включает технологии, основанные на химических процессах, а вторая группа включает физические процессы.

Рисунок 1.2 - Основной способ получения ультрадисперсного порошка.

Процессы, основанные на физических процессах производства ультрадисперсных порошков, обеспечивают превращение исходного материала в порошок без какого-либо заметного изменения химического состава. Наиболее часто используемыми методами являются измельчение твердых веществ в мельницах различных конструкций и диспергирование расплавов.

Химические методы включают технологические процессы для производства ультрадисперсных порошков, которые связаны с физической и химической конверсией сырья.

Полученный порошок соединения почек может значительно отличаться от исходного материала.

1.2.1 Технологии производства ультрадисперсных порошков на основе химических процессов

Авторы работы [27-29] выделяют ряд общих подходов, которые типичны для технологий, основанных на химических процессах в производстве ультрадисперсных порошков и отличающих их от обычных порошков:

- высокая скорость центров зарождения частиц,

- низкая скорость роста частиц,

- наибольший размер получаемых частиц не более 100 нм,

- узкий диапазон гранулометрического состава,

- стабильность извлечения частиц определенного размера,

- повторяемость химического и фазового состава частиц,

- Повышенные требования к мониторингу и контролю входящих параметров процесса.

Технология химического осаждения из паровой фазы

Технологии этой группы основаны на использовании термохимических реакций, соединений металлов, которые распыляются в реакционной камере и образуют аэрозоли. Распыленные солевые растворы в определенной зоне термически разлагаются с образованием твердых отложений в виде ультрадисперсных порошкообразных и газообразных веществ или подвергаются химическим реакциям, аналогично образованию порошковых и газообразных веществ [30].

Наиболее часто используемым сырьем являются галогениды металлов (в основном хлориды), алкильные соединения, карбонильные, оксихлоридные и металлоорганические соединения.

Размер полученных частиц может контролироваться температурой и скоростью осаждения. Эта технология позволяет получать ультрадисперсные порошки кремния, бора, оксидов титана, циркония, алюминия, нитридов, карбидов и карбонитридов кремния, диоксида титана и меди с размерами частиц от 20 до 600 нм.

Технологии химического осаждения из паровой фазы включают высокотемпературный или пламенный гидролиз. [31]

Он основан на взаимодействии соединений, в основном хлоридов, в водородно-кислородном пламени.

Следующие химические реакции (от 1.1 до 1.3) объясняют, почему

Этот процесс также "пламя" называется.

N2 + O2 → N2O (1.1)

2CuCl2 + 2 H2O → 2CuO + 4 HCl (1.2)

Всего:

2CuCl2 + 2 H2 + O2 → 2CuO + 4 НСл

(1.3)

Вода, созданная взаимодействием водорода и кислорода, вызывает очень быстрый и количественный поток гидролиза CuCl при 1000 ° C.

Единственный побочный продукт реакции - хлористый водород - отделяется и возвращается в процесс восстановления CuCl2.

Диоксид кремния (аэросил), получаемый этим способом, состоит из звеньев аморфных первичных частиц сферической формы и размером 5-10 нм, которые являются частью звеньев вторичных частиц размером более 100 нм.

Недостатки этого метода включают высокое содержание оксидов и побочных продуктов в полученном EDP и большое изменение в распределении частиц по размерам.

Плазмохимический синтез

Этот метод производства ультрадисперсных порошков использует низкотемпературную плазму дуги или тлеющий разряд (обычный, высокочастотный) или разряд сверхвысокой частоты.

Металлы, галогениды или другие соединения используются в качестве исходного сырья.

В работе [32] предлагается получение композиционных ультрадисперсных порошков плазмохимическими процессами.

Этот материал содержит частицы, которые состоят из ядра и оболочки.

Взаимодействие плазмы с обрабатываемым веществом обеспечивает плавление, диспергирование, испарение, а затем восстановление и синтез продукта с размером частиц до 10 нм, включая параметры так называемого - критического плода.

Исходные материалы подают в плазму в виде порошка.

В плазменном потоке происходят следующие процессы: нагревание частиц сырья до высокой температуры, их плавление, испарение, химические реакции, образование частиц продукта, охлаждение.

Авторами работы [33] разработан универсальный метод получения ультрадисперсных порошков из металлов, сплавов и соединений - извлечение и синтез в химически активной плазме.

Полученный таким образом ультрадисперсный порошок имеет относительно низкую дисперсию. Форма частиц почти сферическая. Из-за высокой температуры плазмы и высоких скоростей.

С помощью этого метода возможно получение ультрадисперсных порошков различных металлов и сплавов.

Это связано с переходом практически всех исходных материалов в газообразное состояние с последующей их конденсацией в виде ультрадисперсного порошка с частицами правильной формы, с размерами от 10 до 200 нм.

Самые высокие температуры и мощности достигаются за счет использования дуговых плазменных картриджей, а самые чистые и наиболее однородные ультрадисперсные порошки, полученные с помощью сверхвысокочастотных плазменных картриджей СВЧ-20, используют газоразрядное устройство для получения низкотемпературной плазмы.

Преимущество этого метода заключается в том, что он обеспечивает производство продуктов с требуемым химическим составом, физическим состоянием и размерами, в том числе в виде ультрадисперсных порошков.

Недостатками этого способа являются:

1) Достаточно большая дисперсия для оксидов и сложных составов;

2) Высокая коррозионная активность

летучие соединения, высокая адсорбционная поверхностная энергия наночастиц,

которые приводят к адсорбции побочных продуктов синтеза на их поверхности, которые трудно удалить; 3) необходимость дорогостоящего оборудования

Технологии разделения растворов

Общим для этой группы является проведение химических реакций в водных растворах солей. Несколько различных методов используются [34-36], основанные на использовании воды или органических веществ, растворенных в воде.

Растворитель соли металла с химически активными веществами, используемый в качестве ультрадисперсного порошка, нерастворителя

Эта технология похожа на технологию химической металлизации, за исключением того, что она не активирована. Эмиссия частиц происходит на поверхности по всему объему раствора.

Порошки оксида меди с высокой степенью чистоты, однородности и дисперсности могут быть получены путем экстракции солей меди (соли меди N, N'-динитромочевины) из раствора в присутствии органического растворителя, такого как диметилсульфоксид.

Раствор становится 1-6 в течение 110-150 часов. ^oС нагревается, и порошок оксида меди выделяется из суспензии [37].

Процесс восстановления порошка меди путем восстановления из соли меди в присутствии восстановителя рассмотрен в [38],

Сульфит меди используется в качестве соли, а глюкоза - в качестве восстановителя.

Средний размер получаемого медного порошка составляет 35-45 нм, а прирост до 90%.

При химическом отделении от растворов солей вы добавляете вещество - сепаратор и выполняете отделение порошка оксида металла.

Условия осаждения регулируются путем изменения значения pH, температуры и добавления буферных растворов.

Растворы аммиака, диоксид углерода аммония, щавелевая кислота, оксалат аммония чаще всего используются в качестве осадителей, а растворимые соли азотной кислоты предпочтительно используются в качестве осадителей.

Кроме того, этот метод нашел достаточное применение для получения многокомпонентных ультрадисперсных композиционных порошков, когда несколько соединений осаждаются из многокомпонентных растворов [39,40].

Сложность этого метода заключается в практически неуправляемом процессе экстракции, что делает практически невозможным экстракцию порошков с размером частиц менее 0,5 мкм.

Основным недостатком способа является использование больших количеств растворов и сложность их утилизации, значительное содержание примесей в порошках и большая дисперсия частиц по размеру.

Авторы работы [69] предлагают способ получения ультрадисперсного порошка меди путем смешивания пятипериодного сульфата меди с глицерином.

При последующем нагревании до полного растворения компонентов в качестве инициатора извлечения меди вводят органическую кислоту (муравьиную или щавелевую) и после промывки ультрадисперсный порошок меди обрабатывают пентаном или спиртово-стеариновым раствором с последующей сушкой.

Недостатком этого способа является сложный процесс извлечения меди, большой расход реагента и высокие температуры.

Одним из методов, который состоит в восстановлении ультрадисперсных частиц из растворов, является метод восстановления жидкой фазы. С помощью этого метода получают только ультрадисперсные порошки металлов с низкими значениями потенциала восстановления (медь, серебро, никель) [41]. Он заключается в приготовлении раствора соли органического металла с последующим добавлением сильного восстановителя и отделении осажденного ультрадисперсного металлического порошка.

Размер частиц полученного порошка составляет 20-40 нм, а распределение частиц по размерам очень мало из-за повышенной вязкости многих органических растворов.

Примером применения этого метода является получение ультрадисперсного порошка меди [42] при использовании водного раствора гидразингидрата с сульфатом лития и раствора нитрата меди в 4-метилпентаноле. Эти растворы смешаны и получены

Эмульсия, после наслоения которой ультрадисперсные медные порошки находятся в органической фазе.

Сложность этого способа заключается в отделении порошка от органических соединений, которые адсорбируются на поверхности ультрадисперсного порошка благодаря высокой поверхностной энергии и могут оказывать стабилизирующее и защитное действие. Недостатком этого способа является низкая производительность, большие потери ультрадисперсных порошков при отделении и очистке порошка от органических веществ.

Способ гидротермального синтеза

Этот метод основан на химических реакциях гидротермального разложения и окисления, которые происходят в водных средах при высоких температурах.

Температура (100-370^оС) и давление (до 100 МПа).

Суть гидротермального метода заключается в нагревании солей, оксидов или гидроксидов металлов в виде раствора или суспензии при повышенной температуре (обычно до 3000^oВ) и давление (прибл. 100 МПа). В этом случае в растворе или коллоидной системе происходят химические реакции, которые приводят к образованию простого или сложного оксидного продукта реакции.

Гидротермальный синтез проводят в автоклавах, часто футерованных тефлоном, объемом 50-300 мл.

Высокое давление повышает температуру кипения, так что процесс проводят при более высоких температурах, чем в водных растворах при атмосферном давлении. [43-44].

С помощью этого способа можно получать ультрадисперсные оксидные порошки с узким гранулометрическим составом.

Недостатком способа является высокая стоимость и сложность оборудования, а также частота процесса синтеза (который может занимать до 24 часов) и, следовательно, низкая производительность.

Синтез под воздействием микроволнового излучения

Синтез ультрадисперсных порошков под воздействием микроволнового излучения является новым и очень быстро развивающимся, перспективным методом.

Как и во всех процессах растворения, проводится реакция осаждения продукта из исходного раствора, но это зависит от микроволнового излучения.

Микроволновая энергия передается исходному материалу, что приводит к его быстрому нагреву, что инициирует химическое взаимодействие

Механизм влияния микроволнового излучения на синтез ультрадисперсных порошков до сих пор полностью не выяснен.

Извлечение некоторых простых и сложных оксидов этим методом описано в литературе [45].

Технология разложения нестабильных соединений

Эта технология в настоящее время считается перспективным способом производства ультрадисперсных порошков с размерами частиц 20-300 нм.

Термическое разложение азидов, оксалатов, перхлоратов, стифнатов, перманганатов, карбонатов, гидратов, цитратов, ацетатов, гидроксидов, спиртов наиболее изучено [46,47].

Авторы [49] предлагают получать ультрадисперсные металлические порошки путем разложения карбонила металла с помощью индукционной плавильной горелки.

Этот метод обеспечивает высокую производительность при извлечении частиц и не вводит загрязняющие вещества в ультрадисперсные порошки.

Процесс включает в себя три реакции: термолиз, окисление и гидролиз.

Преимущества этого метода включают низкую температуру процесса, небольшие реакционные объемы, не требующие много времени и неэффективную промывку и фильтрацию конечных продуктов, регулируемую диспергируемость, хорошие свойства спекания и высокую чистоту получаемых порошков.

Недостатком рассмотренного метода является сложность контроля и регулирования размеров частиц при одновременном протекании двух процессов - разложения исходного соединения и спекания частиц конечного продукта под воздействием температуры.

Тем более что порошки, полученные этим способом, очень реактивны.

Процесс электрохимического восстановления

Из общеизвестных способов синтеза порошков ультрадисперсных металлов электрохимические методы [50-54], которые за счет изменений условий электролиза, особенно плотности тока и потенциала электрода, обеспечивают скорость электродных реакций и, следовательно, производительность, химический состав, Проверьте размер и форму получаемых продуктов.

Универсальность сырьевой базы, которая включает в себя компактные металлы, сплавы, оксиды, соли, в том числе металлосодержащие материалы, подлежащие переработке в виде лома, электродные материалы от использованных батарей, промышленные сточные воды и растворы, открывает широкие перспективы для применения электрохимических технологий для производства ультрадисперсных металлических порошков ,

Кроме того, электрохимическая переработка отходов в высокоэффективные трибологические функциональные материалы, в то же время гарантируя техническую эффективность, экономичность и экологическую безопасность, полностью соответствует принципам зеленой трибологии.

Авторы предлагают извлечение порошка меди из отходов аммиака с помощью электрофореза [55]. Размер частиц получаемого ультрадисперсного медного порошка превышает 300 нм.

Преимущество этого метода заключается в использовании отходов радиоэлектронной промышленности в качестве сырья, что дает дополнительные экономические и экологические преимущества.

Однако экстракция частиц размером менее 100 нм с помощью этого метода представляет ряд проблем.

В [56, 57] предложен способ получения ультрадисперсных металлических порошков из сульфатного электролита с растворимым анодом.

Осадок, который образуется на катоде во время электроосаждения, может быть как рыхлым, так и плотным слоем многих микрокристаллитов.

На структуру осадка влияют многие факторы, такие как тип вещества и растворителя, тип и концентрация ионов целевого продукта и посторонних веществ, адгезивные свойства осажденных частиц, плотность тока на аноде и катоде, температура окружающей среды, условия диффузии и другие. Основными преимуществами метода являются экспериментальная доступность, многократное использование электролитов, работа со вторичными материалами и возможность контролировать и контролировать процесс получения ультрадисперсных порошков.

Недостатками способа являются побочные реакции, которые протекают в растворе с образованием осадков и загрязняют полученные порошки, и приводят к пассивации электродов, что значительно снижает производительность системы.

Исследование работы [27-57], в которой с разработкой методов получения ультрадисперсных порошков химическими методами было показано, что большинство ультрадисперсных порошков имеют высокую поверхностную энергию, и поэтому попытка уменьшить их выраженную тенденцию к интеграции в Агрегаты и агломераты.

Все это заставляет учитывать не только размер отдельных частиц, но и размер их соединений.

В случае агрегатов связь между кристаллами считается более прочной, а межзерновая пористость ниже. При последующем сжатии агрегированные порошки требуют более высоких температур и / или давления, чем неагрегированные порошки, чтобы достичь желаемой пористости материала.

1.2.2 Технологии производства ультрадисперсных порошков на основе физических процессов.

Методы, основанные на физических процессах, обеспечивают превращение исходного материала в порошок без какого-либо заметного изменения химического состава.

Наиболее часто используемыми методами являются измельчение твердых материалов в мельницах различных конструкций и дисперсия расплава.

Такие способы включают в себя технологические процессы производства порошка, которые связаны с физическими превращениями сырья.

Химическая структура полученного порошка значительно отличается от структуры исходного материала.

Распыление расплава

Эта группа методов основана на быстром распылении и охлаждении расплава исходного материала.

Технология производства порошка с размером частиц не менее 58,59 нм описана в [100].

В то же время полученные порошки с размерами частиц 0,5-10 мкм имеют кристаллическую структуру и поэтому могут быть классифицированы как наноматериалы, а их технология может быть связана с нанотехнологиями. Производство порошка этим методом может осуществляться в защитной атмосфере. Следующие три варианта этой технологии в настоящее время в основном используются для производства нанокристаллических порошков. Охлаждение контакта с водоохлаждаемым диском или барабаном. Авторы работы [60] используют быстро вращающийся водоохлаждаемый диск или барабан, в который подается расплавленный материал.

Материал панели выбирается таким образом, чтобы обеспечить высокую теплопроводность.

Как правило, в качестве такого материала используется медь.

Достигается скорость охлаждения до 108 К / с. Поверхность барабана или диска шероховатая (зубчатая).

В случае гладкой поверхности можно получить фольгу, ленты или проволоку толщиной порядка 10-50 мкм с аморфной или кристаллической структурой.

Полученный порошок имеет форму хлопьевидных частиц.

Эта форма частиц может привести к неоднородной структуре и анизотропии свойств в продуктах, образованных из таких порошков.

Как правило, порошки, полученные в рассматриваемом процессе, дополнительно механически измельчаются. Это основной недостаток метода.

Методы физической конденсации

Фактически наиболее распространенными физическими методами, используемыми для изготовления ультрадисперсного металлического порошка, являются дисперсионная конденсация, поскольку на первой стадии происходит диспергирование металла до атомных размеров (испарение), а затем конденсация.

Особо следует отметить способ получения ультрадисперсных композиционных порошков, который включает нагревание вещества через риторический пучок электродов при атмосферном давлении до состояния паровой фазы,

Конденсация путем охлаждения паров в потоке газа и разделения получающейся двухфазной системы.

В этом случае два одноэлементных вещества нагреваются, в результате чего образуются частицы твердого ультрадисперсного композитного порошка типа ядро-оболочка [61].

Изготовление нановолокон было гораздо менее изучено, чем ультрадисперсный порошок, потому что это еще не широко используется.

Одним из наиболее исследованных способов получения нановолокон является взаимодействие в газовой фазе с последующей конденсацией продукта на твердой подложке.

По сути, этот метод можно назвать методом испарения (металла) - конденсации (оксида).

Металл каким-то образом испаряется, и его пары реагируют с кислородом. или другой газ при высокой температуре, продукт реакции затем конденсируется на твердой подложке [62,63].

Механическое дробление

Механическое измельчение частиц материала является одним из наиболее распространенных способов производства порошков.

Порошки на основе хрупких материалов особенно легко производить.

Пластиковый порошок, высокопрочные и аморфные материалы получить сложнее.

В этом случае возрастает риск чрезмерного нагрева материала и его загрязнения продуктами износа рабочих частей технологических систем [64].

Для механического измельчения с мельницами:

уменьшение размера зерна материала является результатом интенсивного измельчения между элементами управления мельницы.

В теории Риттингера энергия, используемая для шлифования, прямо пропорциональна вновь сформированной поверхности.

При дроблении таких материалов, как медь, бронза, алюминий, было подтверждено, что при грубом и тонком шлифовании в соответствии с теорией Риттингера вновь образованная поверхность прямо пропорциональна, пропорциональна энергии, используемой для шлифования, или эквивалентна шаровой мельнице, на время измельчения [65].

На рисунке 1.3 показана зависимость некоторых материалов от роста поверхности материала ΔS (и, следовательно, уменьшения среднего размера частиц) от продолжительности процесса измельчения во время тонкого измельчения материала в порционной мельнице.

Рисунок 1.3 - Зависимость роста поверхности при шлифовании

• Оксид кремния; 2 - шифер; 3 - антрацит; 4 - барий т; 5 - смоляной древесный уголь; 6 бурых углей.

Средний размер частиц, достигаемый путем механического измельчения порошков, может находиться в диапазоне 30 нм. Для дробления металлов используются мельницы с высокой энергией (аттриторы и симолойеры) с барабаном с фиксированным корпусом и мешалками, которые передают движение шариков в барабане [66-68].

В этом случае грунтовый материал является в основном результатом истирания, а не удара. Основным недостатком процесса является загрязнение порошка из-за износа рабочих частей. В процессе противоточного измельчения в псевдоожиженном слое частицы порошка измельчаются при столкновении друг с другом. Процессы взаимного столкновения частиц, ускоренных в газовой струе до высоких скоростей, происходят в середине псевдоожиженного слоя, которые образуются этими частицами.

Только очень малая часть частиц вступает в контакт со стенками камеры, в которой осуществляется процесс измельчения.

Частицы удаляются потоком инертного газа из зоны измельчения в верхнюю часть системы, которая снабжена сепаратором для разделения частиц по размерам. Частицы, которые меньше определенного размера, транспортируются с потоком газа в систему фильтрации, где они отделяются от потока газа и передаются в воронку для хранения. Крупные частицы возвращаются в зону измельчения сепаратором.

1.3 Методы ультрадисперсной порошковой стабилизации

Одной из основных проблем при разработке металлополимерных композитов с ультрадисперсными порошками в качестве наполнителей для металлов является их высокая поверхностная энергия, что приводит к их агломерации и неравномерному распределению в матрице.

Композиционные материалы, полученные таким способом, не только теряют свойства, ожидаемые от введения ультрадисперсных порошков, но также являются гетерогенными материалами с ухудшенными физико-механическими свойствами. Это объясняет растущий интерес к методам стабилизации ультрадисперсных порошков.

Из литературы известны различные способы стабилизации ультрадисперсных порошков [69-73], включая использование различных обволакивающих (инкапсулирующих) веществ, пассивацию, стабилизацию коллоидными методами. Для предотвращения агломерации частиц автор работы [74] использует поверхностно-активные вещества.

Этот метод основан на обработке полученного ультрадисперсного порошка растворами различных поверхностно-активных веществ для снижения поверхностной энергии. Тем не менее, не всегда возможно использовать этот метод поддержания структуры; кроме того, поверхностно-активные вещества не могут значительно увеличить срок годности ультрадисперсных порошков и их трудно удалить с поверхности частиц. В разбавленных суспензиях агломерация может быть предотвращена электростатическим отталкиванием [75].

Контролируемый впрыск

Электролит создает двойной электрический слой, и агломерация предотвращается, если электростатические силы отталкивания превышают силу гравитации Ван-дер-Вальсова.

В результате получают ультрадисперсные оксидные порошки. При необходимости ультрадисперсные металлические порошки могут быть получены термической обработкой в ​​восстановительной среде. Авторы [76] занимаются вопросом стабилизации ультрадисперсных порошков органическими пигментами, полигликолями, желатином, полиакрилатами натрия или калия. Стабилизатор изготовлен в виде раствора в дистиллированной воде.

Экстракция ультрадисперсных порошков в полученную среду происходит в атомной и / или ионной форме путем химических или электрохимических реакций с образованием металлических частиц. Частицы, окруженные слоями молекул стабилизатора, сохраняют свои свойства в системе вода / стабилизатор / частицы в течение по меньшей мере 12 месяцев.

Известно, что ультрадисперсные порошки алюминия широко используются в композициях для производства композиционных материалов [77-78]. Ультрадисперсные порошки, полученные в результате электрического взрыва проволоки, сильно агломерированы.

Предотвращение агломерации возможно путем формирования оболочки частиц с более высокой температурой плавления, когда образуются сами частицы.

Работа [72] показала, что можно уменьшить агломерацию частиц алюминия путем образования оболочек Al2O3 на поверхности частиц в процессе производства порошка. Углерод или карбид алюминия могут быть использованы для уменьшения количества Al2O3 в наночастицах.

Алюминиевый порошок также получают в инертной метансодержащей среде с использованием микродугового разряда.

Поверхность отдельных частиц образует углеродную оболочку, но большинство частиц находится в углеродной матрице, что означает, что смесь не может быть обработана позже.

Кроме того, полученный порошок не содержит карбида алюминия, его отсутствие можно объяснить быстрым охлаждением частиц алюминия.

При электрическом взрыве провода в углеродсодержащей среде создают условия для образования карбидных частиц: частицы алюминия, образующиеся после конденсации, имеют высокий уровень (более 2000^oВ) температура и ее охлаждение происходит в газовой среде.

В работе [79] представлены исследования возможного отделения частиц ультрадисперсного порошка от компонентов агломерата с помощью ультразвука в спирте.

Размер частиц получаемого ультрадисперсного порошка составляет 10 нм.

Авторы работы [80, 81] предлагают использовать как механическое перемешивание, так и ультразвуковую обработку для стабилизации ультрадисперсных порошков. Это обеспечивает седиментационную стабильность суспензии с высокодисперсными частицами. Чтобы получить высокоупорядоченные наночастицы серебра с лигандной оболочкой, 3-6 моль / г олеата натрия и 10 моль / г боргидрида натрия добавляют к высоковязкому водному раствору, изготовленному из поливинилового спирта или желатина.

Реакция протекает без перемешивания. Вы получаете частицы с лигандной оболочкой и низкой степенью агрегации [82]. Способ получения частиц полимерного металла предложен в литературе [83].

Композитный полимерный материал на основе ультрадисперсного порошка серебра, который используется в качестве стабилизатора частиц карбоксиметилхитина с концентрацией 2-4% по массе.

Представляет также интерес метод, описанный в [84], для получения порошка меди с повышенным содержанием нанофракции. Для достижения цели авторы предложили оптимизированный процесс электролиза, учитывая значительное влияние на размер частиц медного осадка, концентрацию основных компонентов сульфатного электролита.

Чтобы уменьшить средний размер частиц порошка в электролите, существуют также функциональные добавки, а именно желатин и полиэтиленгликоль. Согласно результатам исследований, наиболее эффективным способом было введение желатина в электролит.

Основной задачей стабилизаторов является достижение максимально возможной дисперсии ультрадисперсных порошков. В работе [85] было установлено, что активность наночастиц возрастает с ростом поверхности среды, которая содержит полимерный модификатор и твердую фазу.

Чем меньше размер частиц ультрадисперсного порошка, тем больше точек соприкосновения с полимером и тем интенсивнее его взаимодействие.

Можно предположить, что роль полимера в сочетании с интенсивным механическим воздействием на водные системы пигментов и наполнителей заключается в адсорбции на поверхности частиц с образованием защитных слоев,

и механическая активация деагломерирует ассоциации и активирует поверхность первичной частицы.

Это можно проиллюстрировать следующими пунктами.

Рисунок 1.4 - Влияние интенсивных механических воздействий на дисперсию водных систем пигментов и наполнителей в присутствии и в отсутствие полимерных стабилизаторов

В отсутствие полимерных стабилизаторов механоактивация приводит к увеличению частиц, ассоциации частиц в процессе механоактивации диспергируются в первичных частицах с активированной поверхностью, которые быстро коагулируют и превращаются в агломераты.

В присутствии полимера процесс диспергирования «фиксируется» образованием защитных пленок. Благодаря слою полипирровых отверстий можно защитить медь, никель, железный порошок и т. Д. От окисления кислородом воздуха.

Этот метод является практичным в том смысле, что для защиты от окисления нет необходимости в назначении дисперсии.

Защитный слой является электропроводящим, но не блокирует магнитные свойства частиц и хорошо сочетается с биологической средой. [86,87].

Способ получения ультрадисперсных металлических порошков [88], включающий получение прямой мицеллярной дисперсии восстановителя на основе водного раствора. Катионные поверхностно-активные вещества с галогеновыми противоионами и ионное извлечение металлов в чистой мицеллярной системе, которое отличается тем, что восстановление проводят с гидрофильным добавлением органической кислоты, приготовление мицеллярного раствора поверхностно-активного вещества с солью полученного металла и восстановление ионов металла путем объединения этих двух растворов, проводимых при перемешивании, для получения дисперсии частиц металла, полученных после восстановления ультрадисперсных порошков, защищают полипирроловое покрытие от полимеризации Соль Pyrrloch путем подкисления вышеупомянутой дисперсии ультрадисперсных металлических порошков минеральной кислотой, добавления пиррола, перекиси водорода и перемешивания.

В настоящее время хорошо известен метод получения дисперсии наноразмерных металлических порошков, предложенный авторами [89], который включает реакцию окисления-восстановления соответствующего образования металла в окрестности углеводородов с добавлением серосодержащих поверхностно-активных веществ под действием энергии ультразвуковых колебаний, характеризуется использованием алкилиола, диалкилсульфидов, диалкилдисульфидов, диалкилтиокарбаматов или алкилтиофенола в качестве поверхностно-активных веществ серы, при этом поверхностно-активные вещества добавляются в количествах, которые определяются на основе образования наночастиц, в меньшей степени мономолекулярного слоя.

Также широко известны способы [90-93] получения ультрадисперсного порошка меди в водных средах, в качестве растворителя используется дистиллированная вода, а в качестве стабилизирующих компонентов используются различные органические и неорганические стабилизирующие компоненты, а также различные органические и неорганические стабилизирующие компоненты. Используются стабилизирующие компоненты.

Органическими стабилизирующими компонентами могут быть полигликоли, поливинилпирролидон, полиакрилаты калия, натрия, желатин, неорганические стабилизирующие компоненты - цитраты аммония, калия, натрия.

Кроме того, порошки обрабатывают 0,05-0,10% растворами стеариновой кислоты и 1-2% раствором гидрохинона, чтобы модифицировать их против окисления кислорода в воздухе и повысить их стабильность.

Полученные порошки характеризуются хорошей долговременной стабильностью в течение нескольких месяцев.

Авторами работы [94] в качестве жидкости для растворения соли был выбран водорастворимый комплекс на основе различных производных амина с антисептическими свойствами. Раствор диспергировали ультразвуковой обработкой при повышенной температуре. Во время диспергирования солевая оболочка удаляется путем одновременного образования органической оболочки на поверхности металлических частиц, что обеспечивает их стабилизацию.

Исследование суспензии после 100 дней выдержки при комнатной температуре показало, что все свойства суспензии оставались стабильными.

1.4 Металлополимерный композит

Материалы, армированные ультрадисперсными порошками, получают методами порошковой металлургии, которые контролируются кристаллизацией, интенсивной пластической деформацией, плазмохимическим, детонативным, механическим, самораспространяющимся высокотемпературным синтезом, пиролизом, электрошоком, электролизом и другими. К настоящему времени было собрано значительное количество экспериментальных данных по наноматериалам [95-98].

Однако получить материалы сложно по нескольким причинам. Полученные материалы обычно представляют собой термодинамические неравновесные системы с дефектной структурой и избыточной поверхностной энергией, которые делают наночастицы липкими и агрегируют. Кроме того, наночастицы являются химически активными и часто теряют свои уникальные свойства при взаимодействии с другими веществами.

В области производства композиционных материалов с полимерной матрицей были разработаны методические подходы и технологии для извлечения новых наноструктурированных металлосодержащих композиционных материалов, как путем введения ультрадисперсных наполнителей, так и путем извлечения наночастиц непосредственно в полимерной и олигомерной матрице [99].

Модификация полимеров ультрадисперсными или нанодисперсными соединениями обеспечивает максимальное структурирование полимерной матрицы на различных уровнях и достижение материалов с уникальными механическими, электрическими, оптическими и другими свойствами, которые часто недоступны для традиционных композиционных материалов.

При поглощении полимерных композитов термолиз металлсодержащих мономеров, электроосаждение металла в пористой структуре, полимеризация и поликонденсация могут использоваться в определенных режимах, которые обеспечивают поглощение наноразмерных частиц или кластеров непосредственно в полимерной матрице [ 100].

Ультрадисперсные порошки металлов и их оксидов создаются путем молекулярного диспергирования (распыления или восстановления) с последующей конденсацией атомарного металла в наночастицах или испарения в плазме атомного металла на тонких полимерных подложках, электролитического осаждения металлов в нанопористой структуре полимерных матриц [101, 102].

В то же время их теплофизические и физико-механические свойства улучшают:

Удельное напряжение увеличивается, а его термостойкость уменьшается на 20% по линейному коэффициенту теплового расширения.

Производство новых наноматериалов на основе труднообрабатываемых полимеров (фторопласты, сверхвысокомолекулярный полиэтилен, полиимиды, ароматические полиамиды, полиэфиры) возможно благодаря активационной обработке для структурной модификации компонентов компонентов.

Это способствует образованию наноструктурированных материалов за счет одновременного расположения начальных фаз в нанодиапазоне, химического взаимодействия компонентов на атомном уровне посредством механохимических превращений, улучшения их адгезионного взаимодействия [103].

1.4.1 Технологии производства металлонаполненных композитов с фторопластовой матрицей

Обработка и изготовление наполненных композиционных материалов на основе F-4 в основном осуществляется порошковыми металлургическими процессами и существенно отличается от изготовления композиционных материалов на основе других термопластичных полимеров, таких как ПЭ, что обусловлено высокой вязкостью полимера даже при температурах плавления, а также Причиной является инертность, которая не позволяет реализовать высокое взаимодействие компонентов наполнителя с матрицей [104].

Технологический процесс изготовления металлонаполненных фторопластовых композиционных материалов состоит из следующих последовательных этапов: подготовка компонентов; Приготовление смеси соединений; прессование; Спекание прессов; Калибровка. Механические смеси порошка F-4 и дисперсной фазы армирования используются в производстве композиционных материалов в качестве исходного материала.

Существует два основных способа получения смесей фторопластовых композитов:

1) Смешивание и измельчение порошка F-4 и наполнителя на механических мешалках и мельницах [105];

2) Коагуляция суспензии F-4D вместе с наполнителем [106].

В первом случае наилучшие результаты получены при смешивании при низких температурах (охлаждение жидким азотом) или в ударном режиме, поскольку F-4, имеющий волокнистую структуру, легко склеивается при нормальной температуре и препятствует равномерному распределению наполнителя [107].

Как правило, основным методом получения наполненных фторопластовых композиционных материалов является смешивание порошка F-4 с наполнителями, а затем расплавление формованной системы.

F-4 характеризуется высокой вязкостью расплава, очень трудно добиться хорошей гомогенности системы таким способом и предотвратить агломерацию дисперсных наполнителей.

По этой причине были разработаны другие подходы для получения нанокомпозитов для F-4 и других термопластичных полимеров.

Предложен способ обработки ультрадисперсных порошков веществами с пониженной поверхностной энергией.

Ультрадисперсные порошки при смешивании с полимерами и металлическими порошками на планетарных мельницах дают неорганические материалы с равномерно распределенными наполнителями по всему объему полимера. Такая активация, однако, сильно меняет исходные частицы металлического порошка и превращает их в капсулы размером 10-70 нм, которые покрыты тонким слоем полимера с низкой поверхностной энергией.

Такие частицы лучше всего подходят для фиксации в матрице, в то же время форма частиц является оптимальной с точки зрения взаимодействия частиц с поверхностью полимера.

Поэтому использование методов, исключающих деформацию композитных частиц, является наиболее оптимальным для производства композитных наноматериалов [108-111].

Различия в результатах [112-114] исследований микро- и нанокомпозитных материалов показывают, что при приближении размеров элементов композиционных материалов к наноуровню реакционная способность F-4 увеличивается, а его влияние на свойства других компонентов композиционных материалов возрастает. ,

Наблюдаемые эффекты могут быть использованы для производства новых, перспективных материалов.

Введение механически активированных ультрадисперсных керамических частиц приводит к образованию термостойких полимеров и, в частности, в сетчатой ​​структуре F-4 на поверхности трения.

Этот слой служит защитным экраном для локализации контактной деформации и защиты материала от износа.

Разработанные антифрикционные материалы на основе Ф-4 и активированной синтетической ультрадисперсной керамики, природных наполнителей (цеолиты, алмазные отходы) характеризуются повышенной износостойкостью (в 100-370 раз) и свойствами сопротивления деформации (на 20-30%) по сравнению с исходным полимером. [115].

Поэтому изготовление металлополимерных нанокомпозитов является многообещающим, поскольку позволяет получать материалы с высокими, а иногда и уникальными свойствами.

Однако наноматериалы трудно получить по разным причинам. Получающиеся наноматериалы обычно представляют собой термодинамически неравновесные системы с дефектной структурой, и избыточная поверхностная энергия заставляет частицы слипаться и агрегировать.

Кроме того, наночастицы являются химически активными и часто теряют свои уникальные свойства при взаимодействии с другими веществами [116].

Второй способ получения композиционных материалов на основе фторопласта обеспечивает лучшее смешивание компонентов.

Смешивание происходит в растворах спирта, ацетона, дистиллированной воды и т. Д., Иногда поверхностно-активные добавки вводят в суспензию для улучшения межчастичного взаимодействия [117]. Равномерное распределение наполнителя в матрице, что улучшает физико-механические свойства.

Композиционные материалы получают в смесителях коллоидной мельницы, которые широко используются в отечественной практике [118].

Статическое холодное прессование композитных смесей под давлением 50-70 МПа обеспечивает их первичную монолитизацию и придает изделиям определенную форму.

Окончательное формирование структуры и свойств композиционных материалов происходит при спекании при температуре 360-390 ° С и времени выдержки 15-20 минут на мм толщины образца.

Спекание может быть свободным или под давлением. Давление создается внешним напряжением или ограничением теплового расширения формованной детали во время спекания в закрытой пресс-форме, в результате чего достигается более высокое взаимодействие компонентов композиционных материалов и более низкая пористость материала. Важным фактором является скорость охлаждения заготовки после спекания.

При низких скоростях охлаждения образуется более плотная структура, которая обеспечивает повышенные прочностные свойства.

1.4.2 Технология изготовления металло-наполненных композитов. Полиэтиленовые матричные материалы.

Выбор полиэтилена в качестве полимерной матрицы связан с высокой прочностью, трещиностойкостью в агрессивных средах, жаростойкостью, морозостойкостью, низким удельным весом, способностью пропускать ультрафиолетовые лучи и поглощать радиоактивное излучение, хорошими диэлектрическими свойствами, хорошей способностью к переработке в продуктах.

Благодаря такому сочетанию свойств полиэтилен низкого давления широко используется в химической, нефтяной, электротехнической, угольной, авиационной, лесной, лесной, легкой и пищевой промышленности, тяжелой и транспортной технике, медицине, сельском хозяйстве, станках, инструментах и ​​др. Судостроение и др.

Использование полиэтилена низкого давления в качестве форм для металлополимерных композиционных антифрикционных материалов обусловлено не только экономичностью, но и способствует техническому прогрессу - снижению веса изделий, увеличению срока их службы, снижению трудоемкости производства и т. Д. [119- 122].

Наиболее важными методами обработки композиционных материалов с полиэтиленовой матрицей низкого давления являются литье под давлением и экструзия.

Самый дешевый метод изготовления термопластичных полимерных изделий - литье под давлением.

Несмотря на то, что стоимость оборудования в этом процессе достаточно высока, его неоспоримым преимуществом является его высокая производительность.

В этом процессе отмеренное количество расплавленного термопластичного полимера вводят под давлением в относительно холодную форму, где он отверждается в качестве конечного продукта. Процесс состоит из помещения сложного пластикового материала в форме гранул, гранул или порошка из бункера через определенные промежутки времени в нагретый горизонтальный цилиндр, где он размягчается. Гидравлический поршень обеспечивает давление, необходимое для проталкивания расплавленного материала через цилиндр в форму на конце цилиндра.

Когда полимерная масса движется вдоль горячей зоны цилиндра, происходит смешивание жидкой фазы.

Композиционный материал с червячным винтом, который обеспечивает равномерное распределение наполнителя по всему объему матрицы.

Затем расплавленный пластиковый материал впрыскивается через отверстие в основание формы.

В своей простейшей форме форма представляет собой систему из двух частей: одна часть находится в движении, а другая - неподвижна.

Неподвижная часть формы прикреплена к концу цилиндра, а подвижная часть снята и надета.

Специальное механическое устройство используется для плотного закрытия формы. В этот момент расплавленный пластиковый материал впрыскивается под давлением 1500 кг / см2. Механическое закрытие должно выполняться таким же образом, чтобы выдерживать высокое рабочее давление. Равномерный поток расплавленного материала во внутреннюю часть кристаллизаторов предварительно нагревают до определенной температуры. Эта температура обычно немного ниже температуры размягчения пластика, подлежащего прессованию.

После заполнения формы расплавленным полимером ее охлаждают циркулирующей холодной водой и затем открывают для удаления готового продукта. Этот цикл может повторяться много раз как в ручном, так и в автоматическом режиме [123-125].

Супрамолекулярная структура полимерных продуктов в основном определяет их физико-механические и эксплуатационные свойства, которыми можно управлять, вводя в материал различные модифицирующие вещества [126-128].

Авторы работ [129] исследовали влияние и технологические параметры модифицирующих добавок на структуру и свойства полиэтилена низкого давления в качестве матрицы для композиционных материалов, полученных экструзией. Известно, что ответственными за свойства продуктов экструзии являются поверхности, которые вызывают их структурную неоднородность и концентрируют общие напряжения.

Композитный материал из исходного полиэтилена низкого давления характеризуется неоднородной супрамолекулярной структурой, характерной для продуктов экструзии [130].

При скорости шнека 20 об / мин композитный материал наружной поверхности характеризуется деформированной структурой, внутри с круглыми четко очерченными сферолитами. Деформация конструктивных элементов уменьшается с увеличением скорости.

На внутренней поверхности исследуемых образцов наблюдаются недеформированные сферолиты диаметром 3-4 мкм.

Следовательно, способ экструзии посредством повышенных физико-механических показателей технологического процесса при минимальных скоростях шнека должен быть выпущен для включения композиционных материалов через полиэтиленовую матрицу, что значительно снижает производительность шнека.

Глава 2 Материалы, оборудование и методы экспериментальных исследований

2.1 Завод по производству ультрадисперсного медного порошка

Для получения ультрадисперсного медного порошка была разработана система, общий вид которой показан на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Общий вид установки для получения ультрадисперсного порошка меди.

Принцип действия основан на электрохимическом методе получения порошка, который, благодаря изменению условий электролиза, плотности тока и потенциала электрода, позволяет контролировать скорость электродных реакций и, благодаря этой производительности, химический состав и дополнительные добавки (стабилизаторы, комплексообразующие агенты и т. Д.) Размер и форма производимого порошка.

Универсальность метода заключается в том, что он позволяет использовать в качестве сырьевой базы компактные металлы, сплавы, оксиды, соли, в том числе металлосодержащие материалы, которые могут быть переработаны в виде лома.

Технологическая схема завода по производству ультрадисперсных медных порошков

Технологическая схема устройства для производства ультрадисперсных медных порошков может быть представлена ​​в виде трех блоков: блока электролиза, блока отделения электролита и сушки ультрадисперсных порошков, блока управления процессом.

Рисунок 2.2 - Схема основной установки для производства стабилизированных ультрадисперсных порошков меди.

1 - электролизер; 2 - источник питания; 3 - вибропривод; 4 - бак дистиллята; 5 - адсорберы влаги;

6 - газовое отопление;

 7 - терморегулятор;

8 - сепаратор;

9 - датчик влажности (гигрометр);

10 - датчик давления;

11 - компрессор; 1

12 - блок управления процессом

Электролизная установка, состоящая из электролизера с гофрированным катодом, который оснащен виброприводом, анодом и источником питания.

Ультрадисперсное устройство.

Электролитный порошок для промывки и сушки содержит устройство для отделения ультрадисперсной порошковой суспензии, емкость с дистиллированной водой и закрытую систему сушки с газовым нагревателем, компрессор и адсорбер для удаления влаги из циркулирующего газа.

Блок управления процессами извлечения ультрадисперсных медных порошков выполнен через блок управления, к которому он подключен:

Датчик для контроля температуры газа,

Ультрадисперсный порошковый датчик влажности, датчик давления и блок управления питанием.

Электролизер для производства порошка

Медный порошок получают электролизом на виброкатоде из титановой рифленомы с растворимым медным анодом в импульсном режиме с амплитудой импульса 0,2 А / см2, длительностью импульса и паузой 1: 1 с.

Замена электролита проводится периодически каждые 2 часа электролиза.

Электролизер (рис. 2.3) имеет призматическую форму с импульсной сборкой, которая образует пирамиду на дне.

В призматической части электролизера имеются гофрированные катоды и графитовые аноды, эта часть снабжена поворотными соединениями электролита. Импульсный узел соединен с устройством для отделения порошка через шаровой клапан.

Рисунок 2.3 - Электролиз для производства порошка

1 - корпус электролизера;

2 - крышка;

3 - аноды;

4 - катод;

5 - дренажный штуцер.

Электролиз проводился на вибрирующих катодах с различными концентрациями стабилизирующих добавок в электролите.

Рисунок 2.4 - Гофрированный катод с частично изолированными гофрами

1 - катодная пластина,

2 - катодная рабочая поверхность,

3 - изоляция

• и циркуляционные потоки в результате их колебаний (B)

Выбор формы катода оправдан более ранними исследованиями, представленными в [131].

Вибрация катода способствует генерации турбулентных потоков в слое электрода, в результате чего частицы порошка отделяются от поверхности катода и осыпаются на дно электролизера. Для образования аммиачных комплексов из меди в состав электролита вводится хлорид аммония, медный анод растворяется с образованием комплексов аммиака из меди (I), которые восстанавливаются на виброкатоде с образованием наночастиц из порошка.

Это хлорид аммония за счет его буферных свойств, предотвращающих подщелачивание слоя электролита.

Выбор плотности катодного тока зависит от достижения максимальной производительности на порошке меди.

При высоких плотностях тока химическая реакция снижает производительность образования оксида меди (I) в результате выщелачивания слоя, близкого к катоду.

Плотность анодного тока выбирается таким образом, чтобы исключить солевую пассивацию медных анодов.

Молекулы, изготовленные из поливинилпирролидона или полиакриламида, которые инъецируются электролитом, сорбируются на поверхности порошка и образуют защитную пленку, которая замедляет их рост и агломерацию.

Устройство для отделения и сушки порошка

Металлический порошок отделяют фильтрованием аргонного инертного газа под избыточным давлением на фильтрующей перегородке.

После отделения порошка выполняется процесс промывки, чтобы окончательно удалить следы электролита с поверхности порошковой части.

Ополаскивание проводится при добавлении в фильтр дистиллированной воды,

Окончание процесса стирки определяется путем измерения электропроводности промывочной воды; после стирки металлический порошок сушат продувкой горячим инертным газом, нагретым до температуры 90-1100 ° C.

Рисунок 2.5 - Устройство для разделения порошка

Суспензия металлических порошков отделяется устройством, состоящим из (рис. 2.5) контейнера 1 со съемным фильтрующим устройством.

Перегородка 3, съемная крышка 4, которая установлена ​​на фильтре через уплотнительные кольца 2, снабжена впускным патрубком 7 для подачи ила

Порошок на сите фильтра, соединение 5 для подачи моющего средства

Соединение 6 для воды и инертного газа, днище корпуса имеет коническую форму, снабжено сливом 8 для удаления жидкости из циркулирующего газа.

Устройство для разделения суспензий ультрадисперсного порошка будет соприкасаться с агрессивными средами, корпус (рисунок 2.5) устройства выполнен из катаной нержавеющей стали класса качества 03Х16Н15М3, ГОСТ 5632-72.

Съемный фильтрующий экран 3 и крышка 4 (рисунок 2.5) выполнены из стали марки 40Х по ГОСТ 4543-71 с антикоррозийным никель-фосфорным покрытием, защищающим поверхность от разрушения.

Уплотнительные кольца изготовлены из термостойкой силиконовой резины, которая работает при температуре от -100 до +300^оС можно оперировать. Для реализации предлагаемого способа контроля кинетики сушки использовался гигрометр для измерения влажности и температуры воздуха.

Предложенный способ использования гигрометра для контроля сушки порошка заключается в следующем: в процессе сушки через порошок пропускается газ, нагретый до определенной температуры, и через некоторое время устанавливается равновесие сорбции между жидкостью на поверхности порошка и протекающим через нее газом. в объеме. Таким образом, влажность газа будет пропорциональна влажности содержащегося в нем материала. Основой для использования сорбционного равновесия в закрытом помещении с целью контроля влажности материала был так называемый объемный метод тепломассообмена, известный в теории и на практике. Циркуляционный газ после удаления

Из камеры осушения идет в фильтр-адсорбер для удаления из него влаги.

Безводный хлорид калия был выбран в качестве адсорбента для поглощения влаги из циркулирующего газа, благодаря его свойствам для адсорбции влаги, получаемой в виде пористой мембраны. После сушки газ возвращается в нагреватель, где он нагревается до температуры 90-110 ° С и снова поступает в сушилку для порошка.

Управляя процессом извлечения ультрадисперсных порошков и сводя к минимуму человеческий фактор в процессе извлечения, были использованы автоматизированные средства управления, которые позволяют вам контролировать процесс самостоятельно с минимальным участием человека.

2.2 Методы исследования состава и свойств полученного ультрадисперсного порошка меди

Структуры, полученные ультрадисперсным порошком, исследовали на энергодисперсионном микроанализаторе EDAX GENESIS, который совместим с компьютерами и специальным программным обеспечением, максимальное увеличение устройства составляло до 150000 раз, разрешение составляло 1 мкм, работала (ускорялась).

Напряжение - 30кВ, регистрируемый сигнал - вторичные электроны. Для анализа использовались контрольные образцы.

Рентгеновские лучи меди, железа, углерода и других элементов возбуждались сфокусированным электронным пучком в исследуемой точке материала. Объем исследуемого материала определялся по интенсивности излучения.

Методы ИК-спектроскопии

Исследованы координационные соединения, образующиеся при экстракции ультрадисперсных порошков водорастворимыми полимерами, исследование проводилось на приборе Varian 640.

Рентгенофазовый анализ порошков проводился на рентгеновском диффузоре.

Дифрактометр ARL X'TRA Thermo Fisher Scientific с использованием метода, описанного в [132]. Дифрактограммы записывали со скоростью 1-2 градуса в минуту.

Их декодирование и идентификация фазы проводились по установленному методу [133, 134] с использованием соответствующих справочных данных [135].

Стандарты дифракционных спектров были выбраны из файла формы, который был принят американским комитетом по стандартизации порошковых дифракционных данных JCPDS и имеет погрешность измерения плюс / минус 5%. Распределение частиц по размерам определяли на приборе Microtrac S3500, оборудованном лазерным анализатором, дифрактометром с техническими характеристиками (таблица 2.1). Лазерный гранулометр обеспечивает надежное представление формы и размера частиц с помощью лазерной дифракции.

Запатентованная трех лазерная система обеспечивает высокую точность, большой диапазон измерений и повторяемость результатов анализа. Нет различий между повторными субмикронными анализами.

Стабильность и самонастройка системы были основаны на увеличенном количестве лазеров, новейшей технологии обработки результатов и широком спектре приложений, использующих современные светочувствительные детекторы.

Система лазерного анализа (лазерный дифрактометр) Microtrac S3500 соответствует международным стандартам для измерения размера частиц лазера и сертифицирована в соответствии с ISO 13320-1.

Устройство зарегистрировано в Государственном реестре Российской Федерации и сертифицировано в соответствии с ISO 13320-1.

Регистр средств измерений (US.E.27.001.A 23120).

Таблица 2.1 - Технические характеристики лазерного анализатора и дифрактометра Microtrac S3500

2.3 Способы производства композиционных материалов

Оценить влияние исследуемых порошков на триботехнические и физико-механические свойства композиционных материалов,

Образцы изготавливали из партии, содержащей полимер (фторопласт-4, 10-70%, полиэтилен-277, 40-60%) и приготовленные порошки.

Ткань смешивали на барабанной мешалке и затем прессовали в цилиндрические формы размером 60 × 80 и 90 × 10 мм при давлении 150-25 МПа.

Статическое холодное прессование проводилось на гидравлическом лабораторном прессе в цилиндрических формах с размерами 90 × 10 и 15 × 25 мм по схеме одностороннего прессования (рис. 2.6).

Слева на схеме показано положение инструмента до отливки, справа - после приложения нагрузки.

Рисунок 2.6 - Схема формы статических образцов холодного прессования

1 - умирают;

2 - пуансон верхний;

3 - пороховая заготовка;

4 - нижний штамп.

Спекание образцов, предназначенных для исследования механических свойств и износостойкости, проводилось в камерной печи при температуре 390-400оС в среде инертного газа (аргона) (рис.2.7).

Рисунок 2.7 - Схема электролабораторной печи

1 - термопара;

2 - нагревательный элемент;

3 - футеровка;

4 - контейнер;

5 - образец лодки.

Образцы помещали в лодочку 5 из жаропрочной стали.

Лодка 5 была помещена в контейнер 4, в который подавался инертный газ, который высушивался твердым адсорбером.

Для этой цели смесь полиэтилена и порошка меди пропускали через шнековый экструдер, что увеличивало равномерность распределения наполнителя по всему объему полимера.

Полученную смесь добавляли до 125-140^оС разогретой пресс-формы отливают и отливают под давлением 40-45 МПа. Температура в духовке измерялась с помощью термопары и терморегулятора с точностью плюс / минус 10 ^oС контролирует и регулирует.

После спекания были измерены физико-механические свойства композиционных маталло-полимерных материалов, полученных с фторопластовой матрицей.

В отличие от фторопласта, полиэтилен имеет низкую вязкость в точке плавления, что позволяет жидкофазной смеси композиционного материала во время подготовки образца.

Для этого смесь порошка полиэтилена и меди пропускали через шнековый экструдер, что позволило увеличить равномерность распределения наполнителя по всему объему полимера. Полученную смесь добавляли до 125-140^оС разогретой пресс-формы отливают и отливают под давлением 40-45 МПа.

Когда все условия соблюдены, полимер будет равномерно покрывать наполнитель, не оставляя пор в конечном продукте.

Полученные образцы были испытаны для определения физико-механических свойств.

2.4 Методы изучения структуры и свойств спеченных композитов

2.4.1 Исследование структуры композиционных материалов

Влияние введения порошков в качестве компонента сплава в композиционные материалы на основе фторопласта-4 и полиэтилена-277 на формирование структуры и топографии поверхности порошков было продемонстрировано с помощью оптического металлографического микроскопа МИМ-8, оснащенного электронным окуляром. Для исследования поверхностных слоев образцы вырезали перпендикулярно поверхности износа и исследовали под микроскопом МБС-1.

Взаимодействие наполнителя с матрицей исследовали на растровом электронном микроскопе Quanta 200 в ЦПЦ «Нанотехнологии» *.

* Платов М.И. Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ)

Исследование структуры поверхностного слоя композиционных материалов

был выполнен на сканирующем зондовом микроскопе SolverHV.

2.4.2 Определение физико-механических свойств материала

Фрикционные свойства полученных материалов исследовали на машине конечного трения ТМТ-25 (рис. 2.8).

Рисунок 2.8 - Машина трения ТМТ-25

(а) кинематическая схема конечной машины трения;

1. б) узел трения.

1 - узел трения;

2 - загрузочный механизм;

3 - механизм перемещения головки;

4 - муфта фрикционная;

5 - планетарная передача;

 6 - ременная передача;

7 - регулятор натяжения ремня;

8 - электродвигатель;

9 - кровать;

10 - крепление несущей рамы;

11 - корпус каркаса;

12 - держатель контртела;

13 - держатель образца;

14 - центрирующий шар;

15 - шпиндель;

16 - поворотный механизм;

17 - узор;

18 - винт крепления контртела;

19 - контртело;

20 - подшипник.

Испытания проводились при нагрузках от 0,5 до 5 МПа с интервалом изменения нагрузки 0,5 МПа и скоростью скольжения 0,075 м / с как без смазки, так и в масле МС-20.

Контрактором был валик диаметром 40 мм и толщиной 0,7 мм, изготовленный из стали Р6М5 (Межгосударственный стандарт 19265-73), закаленный до 61-65 HRC.

Коэффициент трения определялся математически по измеренной силе (моменту трения), которая непрерывно регистрировалась во время испытаний.

где f - коэффициент трения;

N - момент трения;

P - удельная нагрузка, МПа;

S - площадь трения, см2;

Определение износа

Образцы испытывали в течение 10 минут, а контрольные - в течение 30 минут.

Износ определялся путем изменения линейных размеров и массы образцов до и после 1, 2 и 4-часовых испытаний.

Испытания проводились на конечном фрикционном станке ТМТ-25 с относительной скоростью скольжения 0,075 м / с. И нагрузка была 4 МПа. Испытания проводились без смазки в зоне трения.

Линейный износ определяется путем изменения линейных размеров с помощью оптического измерительного прибора с точностью до 0,003 мм.

Вес износа определялся на аналитических весах с точностью до 0,001 г.

Вес износа определяется по формуле:

W = W1 - W2

где W1 - вес образца до испытаний, граммы.

W2 - вес образца после испытаний, граммы

Прочностные свойства разработанных композитов определяли на разрывной машине П-0,5 (ГОСТ 25.602-80).

Твердость определялась на приборе АС-111 в соответствии с ГОСТ 4670-91.

2.5 Использованные материалы

Исследовано влияние водорастворимых полимеров на получение ультрадисперсного медного порошка и свойства металлополимерных композитов.

Термопластичный полимерный полиэтилен 277 и фторопласт-4 использовались в качестве полимерной матрицы с высокой химической стойкостью и практической значимостью для извлечения перспективных композитов на их основе.

Таблица 2.2 - Используемые материалы

поливинилпирролидона

Таблица 2.3 - Характеристики ТНВД

Глава 3: Получить стабилизированный ультрадисперсный порошок меди

3.1 Параметры для получения стабилизированного ультрадисперсного порошка

Важной задачей при создании композиционных материалов с ультрадисперсным порошком в качестве наполнителей является их равномерное распределение по всему объему полимерной матрицы. Основным недостатком наноразмерных порошков является их высокая поверхностная энергия, что приводит к агломерации. Распределить такие порошки в матрице и смешать их равномерно, используя стандартные методы, практически невозможно, поэтому важной задачей является поиск защиты порошка от агломерации и агрегации.

Поэтому одним из наиболее часто используемых методов является стабилизация ультрадисперсных порошков, формирование защитной оболочки на поверхности частиц. Для создания защитного покрытия в данной работе использовались водорастворимые полимеры, которые способны к хемосорбции на поверхности частиц ультрадисперсного порошка во время записи.

Свойства таких порошков могут значительно отличаться от нестабилизированных ультрадисперсных порошков.

Ультрадисперсные медные порошки, которые заключены в защитную рубашку для стабилизации и защиты от агломерации и агрегации, были получены электролизом с растворимым анодом.

Изменяя различные параметры процесса, такие как: концентрация растворов электролитов, изменение плотности тока, времени электролиза и температуры сушки, можно получить порошок меди с определенными размерами и свойствами.

Как водорастворимые полимеры поливинилпирролидона и полиакриламид выбран. В таблице 3.1 приведены оптимальные составы электролита и параметры для производства ультрадисперсных медных порошков.

Эти составы были выбраны как оптимальные на основе экспериментальных данных.

Таблица 3.1 - Составы оптимальных растворов электролитов и параметры для получения ультрадисперсных порошков.

В зависимости от типа электролита процессы катодного восстановления форм меди, содержащихся в электролите, значительно различаются. В электролите (хлорид аммония) КА наблюдалось прямое восстановление четырехкоординатного аммиачного комплекса (3.1 - 3.3) (первый максимум, таблица Hp.1), а также восстановление оксида меди (I) (второй максимум) (3.4), по-видимому, из простых заряженные комплексы, образованные восстановлением двухзарядных комплексов за счет подщелачивания электродного слоя по схеме:

[(3) 4] XNUMX⁺ + 2 = + 43 (первый максимум) (3.1)

[(3) 4] XNUMX⁺ + = [(3)] ⁺+ 23 (3.2)

2 [3) 4] ²⁺ + 2- = 2 + 43 + 2 (3.3)

2 + 2 + 22 = 2 + 4^– (второй максимум) (3.4)

В ходе электролиза концентрация двухзарядных комплексов, которая оценивается по максимальному значению тока, сначала снижалась до нуля, а затем увеличивалась.

В то же время, количество ₂ практически постоянный.

Такое изменение характера электродных реагентов может быть связано с изменением процессов пассивации и последующей активации медного анода.

В электролите HACCP восстановление несвязанного иона в электродном слое путем частичного восстановления меди (II) и последующего осаждения оксида в щелочной среде:

²⁺ + 2 = (первый максимум) (3,5)

2⁺ + 2^– = ₂ + ₂ (второй максимум) (3,6)

После короткого периода нарастания токов в процессе максимального восстановления несвязанных ионов меди (II) наблюдалось уменьшение их концентрации и их стабилизация.

Как было обнаружено, результатом анодного растворения меди в аммиачной среде является образование аммиачных комплексов.

Фиксированный потенциал восстановления, соответствующий несвязанным ионам меди в комплексе, может быть связан с более ранней диссоциацией комплекса, усиленной пленкой HDPE на поверхности катода. Стабилизация максимальных токов во времени была обусловлена ​​регулировкой катодного и анодного токовых выходов.

В то же время, в отличие от электролита хлорида аммония, количество оксида Cu ₂O-слой постепенно уменьшается. Поверхностная пленка поливинилпирролидона изменила баланс рН электродного слоя, тем самым постепенно уменьшая возможность образования оксида меди в этой пленке.

Таблица 3.2 - Максимальные потенциалы вольтамперометрической зависимости и соответствующие им электродные процессы

Особенностью аммонийхлоридно-полиакриламидного электролита является отсутствие восстановления меди₂ O.

Первый максимум связан с восстановлением свободных, двухзарядных ионов меди (II), второй - с восстановлением меди (II) до меди (I), а третий - с прямым восстановлением комплексов.

Следовательно, действие поверхностной пленки полиакриламида полностью исключает образование оксида меди и способствует промежуточной диссоциации комплексов меди с аммонием.

В отличие от поливинилпирролидоновой пленки прямое восстановление комплексных ионов аммиака не было исключено. Как концентрация ионов меди, так и концентрация комплексных ионов увеличиваются в основном со временем, что может быть связано с превышением тока анода через катод.

Он также предотвращает влияние сложного иона на прочность связи с поверхностью, а также на способность сохранять сольватную оболочку через кристаллические семена.

Вероятно, можно представить процесс разряда комплексных ионов меди, которые происходят в полимерной микропленке поверхностно-активного вещества на поверхности катода, структура и свойства которого представляют собой матрицу для образования кристаллических зародышей и их агломератов.

3.2 Свойства ультрадисперсных медных порошков в зависимости от технологических условий их изготовления

3.2.1 Влияние производственных параметров на размерный состав частиц

Согласно данным методики 2.1, электролиз может проводиться как в импульсном режиме, так и в режиме постоянного тока.

Когда порошок подвергается электролизу в импульсном режиме, размер частиц порошка уменьшается.

Гистограммы распределения частиц по размерам, полученные при разных плотностях тока электролиза (фиг.3.1), свидетельствуют о том, что при приеме порошка в импульсном режиме доля фракций частиц с размерами до 0,1 мкм при плотности тока катода 0,6А / см2 намного больше, чем в случае электролиза с постоянным током с такими же параметрами.

Процесс в импульсном режиме позволяет ограничить рост частиц, благодаря прерывистому процессу импульсов и пауз с частотой 1 Гц можно получить порошок с меньшими размерами, чем при постоянном токе. Во втором случае процесс образования частиц является непрерывным, постепенно растущим, что объясняет дендритную форму частиц, которая характерна для большинства электролитических порошков.

Авторы [127] доказали, что эмбрионы развиваются с разными скоростями в разных кристаллографических направлениях во время кристаллизации дендритов. Например, максимальный рост кристаллитов металлов и сплавов с кубической решеткой имеет место в трех взаимно перпендикулярных направлениях, которые соответствуют октаэдрическим осям.

В результате образуются ветви - оси дендритов 1-го порядка, отклоняющиеся от центра кристаллизации на определенные углы.

При дальнейшем развитии кристаллизации от осей 1-го порядка под определенным углом к ​​ним начинают расти поперечные ветви - оси 2-го, а от них оси XNUMX-го порядка и так далее. В ходе нашей работы мы обнаружили, что размер дендритных ветвей при производстве электролитических порошков зависит только от одного фактора.

Скорость реакции извлечения меди и через определенные промежутки времени размер ее кристаллов можно регулировать в зависимости от плотности катодного тока. Получение ультрадисперсных порошков в импульсном режиме позволяет на несколько порядков замедлить реакцию восстановления медного порошка. Это связано с тем, что образовавшиеся дендриты практически «застывают», в этот момент на поверхности частиц из-за высокой поверхностной энергии полимер хемосорбируется и, таким образом, поглощает активные центры образования дендритной структуры и пассивирует частицу перед дальнейшим ростом. Известно, что водорастворимые полимеры поливинилпирролидонов и полиакриламидов могут образовывать координационные соединения с ионами меди в щелочной среде (pH <7),

25% -ный раствор аммиака использовали для контроля pH, чтобы влиять на размер и форму частиц, образующихся ультрадисперсными порошками.

Как показывают результаты исследования кривых дифференциального распределения частиц по размерам (рис. 3.1), полученные порошки полидисперсны с содержанием как наноразмерной фракции, так и агломератов прочно связанных частиц, размер которых достигает 10-70 мкм.

Рисунок 3.1 -

Гистограммы гранулометрического состава порошков, полученных из медно-аммиачного раствора при постоянном токе и плотности катодного тока:

а - при j = 0,4 А / см²;

 б - при j = 0,6 А / см²;

в - при j = 0,8 А / см²

Рисунок 3.2 - Гистограммы гранулометрического состава порошка, полученного из медно-аммиачного раствора в импульсном режиме, с длительностью импульса и паузы 1: 1 и катодной плотностью тока:

 а - при j = 0,4 А / см²,

б - при j = 0,6 А / см²,

в - при j = 0,8 А / см².

При тех же условиях электролиза ультрадисперсные порошки меди, полученные в импульсном режиме, имеют более однородный состав по сравнению с порошками постоянного тока.

Существует пик в диапазоне более мелких дисперсионных фракций в порошках, которые производятся с использованием водорастворимых полимеров, изготовленных из поливинилпирролидона (рис. 3.3) и полиакриламида (рис. 3.4), что объясняется более ранним прекращением роста частиц.

Рисунок 3.3 - Гистограмма распределения частиц порошка, полученного с добавлением поливинилпирролидона, при катодной плотности тока j = 0,6 А / см.²:

а - с постоянным током;

б - в импульсном режиме, где длина импульса и паузы 1: 1

Рисунок 3.4 - Гистограмма распределения частиц порошка, полученного с добавкой полиакриламида, при катодной плотности тока j = 0,6 А / см² были получены:

а - с постоянным током;

б - в импульсном режиме длительность импульса и паузы 1: 1.

Результаты гранулометрического состава ультрадисперсных порошков из аммонийхлоридных электролитов с использованием различных концентраций стабилизирующих добавок и с учетом оптимальных параметров экстракции, которые были определены экспериментально и приведены в Таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Гранулометрический состав и форма медного порошка

распределение по размерам

Частицы ультрадисперсных порошков, полученных из электролитов хлорида аммония, которые не содержат водорастворимых полимеров, имеют наиболее вероятный размер 26-70 нм с наноразмерным содержанием не более 46,3%, а порошки электролитов хлорида аммония - Содержащие водорастворимые полимеры имеют наиболее вероятный размер и более высокую долю наноразмерных фракций до 76,2% и содержание частиц с меньшим размером 7-23 нм не менее 15%.

Изменение размера частиц при электролизе в присутствии водорастворимых полимеров можно объяснить более ранним прекращением роста частиц из-за образования комплексных соединений.

3.2.2. Изучение количественного и качественного состава полученного ультрадисперсного медного порошка.

Исследования элементного состава полученного ультрадисперсного порошка (рис. 3.5-3.7) показали, что порошок, полученный добавлением водорастворимых полимеров, содержит меньше кислорода (рис. 3.7), чем электролит хлорида аммония без впрыска полимера, это доказывает, что состав Хлориды аммония электролиты и оказывают защитное действие против окисления воздуха кислородом.

Рисунок 3.5 - Элементный анализ порошка из медно-аммонийного электролита без использования стабилизаторов.

Рисунок 3.6 - Элементный порошковый анализ, полученный из медно-аммиачного электролита с полиакриламидом в качестве стабилизатора.

Рисунок 3.7 - Элементный порошковый анализ медно-аммиачного электролита с поливинилпирролидоном в качестве стабилизатора.

Как видно из рисунков 3.6 и 3.7, введение полиакриламида и поливинилпирролидона оказывает сильное влияние на чистоту получаемого ультрадисперсного порошка.

На рис. 3.5 - порошки, изготовленные без стабилизаторов, сильно загрязнены продуктами электролита и содержат много хлоридов и оксидов.

Введение полиакриламида снижает содержание хлора до 0,5% и уменьшает количество оксидов на 30%. Влияние поливинилпирролидона на чистоту полученного порошка выражается более чем в два раза за счет снижения содержания хлора до 0,4% и количества кислорода по сравнению с порошком, полученным без добавления стабилизаторов.

Это может быть связано с менее прочной связью между молекулами полиакриламида и поверхностью меди из-за высокой молекулярной массы полимера.

Это связано с менее прочной связью между молекулами полиакриламида и поверхностью меди из-за высокой молекулярной массы полимера.

3.2.3 Влияние стабилизаторов на форму частиц ультрадисперсного порошка

Влияние на форму и размер частиц порошка, полученных при введении поливинилпирролидонов в состав электролита, более четко меняет форму частиц (рис. 3.8).

Рисунок 3.8 - Микрофотографии порошков, полученных из аммиачных электролитов:

1. а) чистый;

(б) При введении поливинилпирролидона

На рисунке 3.8 показано изображение ультрадисперсных порошков, полученных без стабилизирующих добавок.

Эти порошки образуют довольно большие агломераты, порядка 20-60 микрон, которые получают с использованием поливинилпирролидона в качестве стабилизатора, имеют большую дисперсию и меньшую склонность к образованию агломератов.

Изменяя производственные параметры, можно было получать ультрадисперсные порошки с увеличенной долей частиц в нанометровом диапазоне. Исследование агломерированных ультрадисперсных порошков показало, что стабилизированные порошки являются менее стойкими агломератами, и даже большинство механических агломератов разрушаются. Объясняется, что химическая связь, возникающая в результате контакта с нестабилизированными частицами меди, намного сильнее, чем адгезивное взаимодействие стабилизированных частиц, на границе раздела которых находится полимер.

Рисунок 3.9 - Микрофотография медного порошка из аммиачного электролита без добавок.

Рисунок 3.10 - Микрофотография медного порошка из аммиачного электролита с добавкой полиакриламида

Рисунок 3.11 -

Микрофотография медного порошка, полученного из аммиачного электролита с добавлением поливинилпирролидона.

На рисунках 3.9 - 3.11 показаны изображения наночастиц меди электролитов, которые получены из хлорида аммония (рис. 3.9) и при добавлении водорастворимых полимерных растворов к электролиту в качестве стабилизирующих добавок (рис. 3.9) (310, 3.11). Как видно из фигур, введение поливинилпирролидона и полиакриламида в раствор электролита снижает способность к агломерации и приводит к получению частиц с меньшим распределением по размерам. Как видно из рисунков 3.9–3.11, поливинилпирролидон является наиболее эффективным стабилизатором частиц.

3.2.4 Исследование взаимодействия стабилизаторов с ультрадисперсными порошковыми частицами

Для получения полимерных оболочек на поверхности ультрадисперсного медного порошка анализ порошка проводился с помощью инфракрасной спектроскопии. Этот метод четко показывает образование полимерных связей, которые образуют комплексные соединения на поверхности ультрадисперсного медного порошка.

На рисунках 3.12 и 3.13 приведены данные исследования комплекса полиакриламида и меди, которые образовались в процессе получения ультрадисперсного порошка меди.

Рисунок 3.12 - ИК-спектр поверхности ультрадисперсного медного порошка, полученного с использованием полиакриламида в качестве стабилизатора.

В инфракрасных спектрах можно выделить валентные колебания функциональных групп, которые отличаются от среды, в которой были записаны спектры:

-NH - 3600-3000 см^-1

-С-Н - 2900-2750 см^-1

С = О -1700-1600 см^-1

-С-С - 1300-1200 см^-1

Как видно из показанных ИК-спектров, введение полиакриламида в электролит изменяет валентные колебания амидной и карбоксильной групп, что указывает на реакцию и поддержание комплекса меди с полиакриламидом.

Рисунок 3.13 - ИК-спектр ультрадисперсного порошка меди после удаления полиакриламида.

Как видно на рисунке 3.13, комплекс полиакриламида и меди очень нестабилен, и после короткого отделения и промывания порошка он распадается и удаляется с поверхности наночастиц.

Это также подтверждается термогравиметрическим анализом.

Исследование ультрадисперсного медного порошка (фиг.3.14), изготовленного с поливинилпирролидоном в качестве стабилизатора, с низкой молекулярной массой 8000 ± 1500.

Защитное покрытие, образованное этим полимером, имеет более прочную химическую связь, чем полиакриламид.

Рисунок 3.14 - ИК-спектры: а - поливинилпирролидон; б - ультрадисперсный порошок, полученный с использованием поливинилпирролидона в качестве стабилизатора.

Как видно из рис. 3.14б, в отличие от поливинилпирролидона (рис. 3.14а), излучение адсорбируется в диапазоне 2360 - 2200. Это свидетельствует об образовании на поверхности ультрадисперсных порошков меди, координационных соединений с поливинилпирролидоном, который не удаляется при разделении и отмывке электролита, сохраняя свои защитные свойства.

3.2.5 Стойкость ультрадисперсного стабилизированного порошка к окислению при высоких температурах

Термогравиметрический анализ (ТГ) был использован для проверки устойчивости к ультрадисперсным порошкам меди окисления и химического взаимодействия. В работе использовался термический анализатор STA 449C.

Анализ проводился в режиме линейного нагрева в диапазоне 10-600 ° С со скоростью нагрева 10 градусов / мин в воздушной атмосфере.

Рисунок 3.15 - Термогравиметрический анализ ультрадисперсных порошков меди, полученных из аммиачного электролита без добавок.

Рисунок 3.16 - Термогравиметрический анализ ультрадисперсных порошков меди, полученных из аммиачного электролита с добавкой полиакриламида.

Рисунок 3.17 - Термогравиметрический анализ ультрадисперсных порошков меди, полученных из аммиачного электролита с добавкой поливинилпирролидона.

Представлены термограммы ультрадисперсных медных порошков, полученных с использованием и без использования водорастворимых полимеров в качестве стабилизаторов частиц (Рисунки 3.15 - 3.17).

Изменение характера своеобразной зависимости термогравиметрического анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии от повышения температуры приводит к выводу о существенном различии реакционной способности этих образцов по отношению к окислению на воздухе.

Ультрадисперсный порошок, который получают без использования стабилизаторов, начинается при 25-140 с небольшим нагревом^oС окисляется, а масса образца увеличивается на 1-1,5%.

Интенсивный процесс окисления происходит в интервале температур 140-300^oС вместо

Общее увеличение массы составляет 14,93%, дальнейшее окисление ультрадисперсного медного порошка происходит с небольшим увеличением скорости процесса до 600^оС.

Как видно на кривой ДСК (рис.3.15), процесс окисления меди является экзотермическим.

Кривая может быть разделена на 3 части.

Первый раздел 10-179.3^oС показывает экзотермическую реакцию, которая характерна для образования оксида меди (I), как в разделе 179.3-300.5^oC можно видеть дальнейшее увеличение, которое можно объяснить переходом от оксида меди (I) к оксиду меди (II), что полностью согласуется с термогравиметрическим анализом.

При температурном сечении 300,5^оС-600^оС наблюдается спад и рост кривой дифференциальной сканирующей калориметрии, что указывает на завершение реакции окисления и установившийся режим равновесия.

Данные на рисунках 3.15 и 3.16 идентичны, что указывает на отсутствие полимера на поверхности частиц меди.

На рисунке 3.17 приведены кривые термогравиметрии и дифференциальной сканирующей калориметрии в интервале температур 10-600^оС для ультрадисперсных порошков меди, стабилизированных в процессе экстракции поливинилпирролидона.

Как из кривой термогравиметрии на интервале 0-160^оС видно, наблюдается небольшое изменение массы на 1,5-2%, которое можно охарактеризовать удалением ультрадисперсного порошка из летучих соединений и остаточной влаги с поверхности.

В диапазоне температур 160-260^оС снижение массы составляет 13%, что можно объяснить разрушением полимера и его частичным удалением с поверхности ультрадисперсного медного порошка.

В диапазоне температур 260-340^оС показывает кривую термогравиметрии с менее интенсивной потерей массы, которая характеризуется частичным удалением полимера с поверхности ультрадисперсного порошка и началом окисления.

В точке 340^оС на кривой термогравиметрии происходит окончательное удаление полимерного защитного слоя и ограниченный процесс окисления ультрадисперсного медного порошка, прирост массы на участке кривой термогравиметрии в интервале температур 340-600^оС составляет 7,92%.

3.2.6 Влияние стабилизаторов на фазовый состав производимых ультрадисперсных медных порошков

Фазовый состав ультрадисперсных порошков исследовали с помощью рентгеноструктурного анализа, рентгенограмма приведена на рисунке 3.18.

Рисунок 3.18 - XRF-спектры ЭДП меди: а) без добавок;

1. б) с добавлением

полиакриламид;

1. в) с добавлением поливинилпирролидона (ПВП).

 ■- Cu; ♦- Cu2O; ■CuO.

Результаты рентгенофазового анализа свидетельствуют о наличии кристаллических фаз меди и оксидов меди в составе исследуемых ультрадисперсных порошков.

В отличие от исходного порошка (рис. 3.18 а), на рис. 3.18 б показано повышенное содержание соответствующей фазы чистой меди, а также оксида меди, но в незначительных количествах.

На рисунке 3.18c показан фазовый состав ультрадисперсных порошков электролита, полученных из хлорида аммония с дополнительным впрыском поливинилпирролидона в качестве стабилизатора, который показывает влияние этой добавки не только на размер получаемых ультрадисперсных порошков, но также на их структуру и свойства.

Изменения фазового состава ультрадисперсных порошков в процессе изготовления указывают на то, что введение полиакриламида в электролит не только помогает уменьшить размер частиц ультрадисперсных порошков, но и влияет на их фазовый состав.

Также на рентгеновском изображении на рисунке 3.18c отсутствуют пики, соответствующие CuO, что указывает на отсутствие таких соединений в этом образце.

3.3 Выводы из главы 3

В ходе проведенных исследований процессов получения порошков из аммиачных электролитов за счет генерации восстановителей на аноде и на основании полученных экспериментальных данных были сделаны следующие выводы:

1) Показана возможность управления свойствами ультрадисперсных порошков, такими как форма частиц, фаза и распределение частиц по размерам в процессе.

2) Производство ультрадисперсных порошков в импульсном режиме позволяет уменьшить размер частиц и добиться более равномерного распределения по размеру частиц по сравнению с ультрадисперсными порошками, которые производятся с использованием постоянного тока.

3) Было обнаружено, что введение полиакриламида в электролит уменьшает средний размер частиц до 0,36 мкм и увеличивает количество нанофракции. На поверхности частиц образуется полимерная пленка, которая удаляется с поверхности вместе с электролитом во время стирки, что повышает чистоту получаемого ультрадисперсного порошка. Форма полученного порошка является дендроидом.

4) Введение поливинилпирролидона в электролит уменьшает размер частиц, изменяет размер частиц и состав фракций полученного порошка, обеспечивает дополнительную защиту от кислорода, что уменьшает его количество примерно в два раза, и предотвращает появление оксидов меди в конечном продукте (II). ).

5) Порошки, которые были получены с использованием поливинилпирролидона в качестве частиц стабилизатора, подвергаются термическому окислению только после удаления с поверхности защитной пленки.

6) Медный порошок, стабилизированный водорастворимыми полимерами, может быть рекомендован в качестве легирующей добавки для использования в антифрикционных композитах на основе различных полимерных матриц для повышения твердости и уменьшения износа.

Глава 4

Исследование свойств композиционных материалов, наполненных ультрадисперсным медным порошком

4.1 Композиты с фторопластовой матрицей

При разработке композиционных материалов с полимерной матрицей необходимо учитывать процессы, происходящие в смеси. Это фазовые переходы материала (стеклование, размягчение, пластификация) и трудности в образовании продукта из-за реологических свойств и частичного разрушения макромолекул в полимерных цепях.

4.1.1 Оптимизация композиционных композиционных материалов с использованием метода математического планирования эксперимента

Метод центральной композиции планирования был использован для оптимизации композиций [132]. Метод выбран в качестве влияющих факторов:

X₁ - Концентрация ультрадисперсного медного порошка, X₂ - давление, Х₃ - Время перемешивания.

Разрушающее напряжение при сжатии принимается как функция реакции. Уровни и интервалы изменения приведены в таблице 4.1.

Для реализации матрицы планирования эксперимента были выбраны следующие основные уровни и интервалы вариации коэффициента для оптимизации условий приема для получения композиций: материалы на основе ультрадисперсного медного порошка (таблица 4.1).

Таблица 4.1 - Значения базового уровня и интервалов вариации

Факторы планирования эксперимента матрицы для оптимизации условий производства медного порошка

Выбор таких значений был определен предварительными экспериментами и представляет собой средний интервал изменения факторов.

Одним из основных факторов в производстве наноматериалов является время перемешивания компонентов смеси, которое отвечает за равномерное распределение наполнителя по всему объему матрицы.

Чтобы оптимизировать условия извлечения композиционного материала, была реализована матрица планирования для полноэкранного фактора 23.

(Таблица 4.2).

Таблица 4.2 - Матрица экспериментального планирования для оптимизации условий производства никелевого порошка

Стойкость материала к разрушающим нагрузкам была использована в качестве функции реакции.

Чтобы оценить распространение воспроизводимости, опыт на базовом уровне был повторен 3 раза.

На основании полученных результатов были рассчитаны коэффициенты уравнения квазилинейной регрессии (4.1):

Знаки полученных коэффициентов означают, что движение должно происходить до необходимого максимума в направлении увеличения концентрации ультрадисперсных медных порошков, давления прессования и времени перемешивания.

Это означает, что для достижения максимальной прочности материала необходимо создать условия, предотвращающие агломерацию наполнителя.

Исследования, проведенные за пределами матрицы планирования, показали, что увеличение времени смешивания компонентов композиционного материала не приводит к улучшению свойств, так что вместо переменной X₃ возьмите оптимальное время смешивания 12,5 минут.

Экспертиза диапазона оптимальных условий

Чтобы оптимизировать матрицу планирования, было выполнено центральное композиционное планирование эксперимента.

Давайте создадим матрицу планирования с двумя наиболее важными факторами (Таблица 4.3).

Таблица 4.3 - Значения базового уровня и интервалы варьирования факторов матрицы планирования эксперимента по изучению диапазона оптимальных условий извлечения медного порошка

Для оптимизации условий производства композитного материала реализована матрица планирования полноценного эксперимента с дополнительными исследованиями в «звездных» точках и центре плана (таблица 4.4). (Таблица 4.4).

Таблица 4.4 - Матрица планирования экспериментов для оптимизации условий производства никелевого порошка

На основании полученных результатов были рассчитаны коэффициенты уравнения квазилинейной регрессии (4.3):

(4.3)

Более высокая концентрация наполнителя и более высокое давление прессования способствуют увеличению нагрузки на материал.

Области ответа показаны на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Зона реагирования

Оптимальное содержание ультрадисперсных медных порошков составляет 45-47% масс, а давление прессования составляет 173,6 МПа.

Ультрадисперсный порошок, полученный методом электролиза, стабилизированный водорастворимыми полимерами хлоридно-аммониевого электролита, использовался в качестве добавки к полимерным композиционным материалам с высокой степенью наполнения 30-70%.

Ультрадисперсные медные порошки использовались в качестве наполнителей для полимеров, когда F-4 и PE-277 были выбраны из-за их высоких свойств скольжения, но недостаточных физико-механических свойств и сходства методов обработки и производства продуктов, используемых в порошковой металлургии.

Была создана математическая модель для исследования влияния наноразмерных частиц меди, полученных различными способами, описанными в главе 3, на свойства композиционных материалов, что позволяет оптимизировать состав композиционных материалов на основе фторопласта F-4. Оптимизированные данные приведены в таблице 4.5.

Таблица 4.5 Составы смесей для приготовления образцов на основе фторопласта F-4, оптимизированные по методу математического планирования.

Для получения достоверных данных было подготовлено 3 образца каждого состава.

4.1.2 Деформация спеченных композитов

Перемешивание проводили в барабанной мешалке с керамическими шариками диаметром 10 мм в течение 12-15 минут при периферийной скорости барабана не более 0,3-0,5 м / с.

Прессовали при давлении 1100-1200 кг / см2 в цилиндрической форме d = 12 мм.

После удаления заусенцев использовали микрометр СССР 5417 для измерения линейных размеров образцов, полученных до и после спекания (таблица 4.6).

Спекание проводили при 370-410 ° С в течение 2,5 часов в среде инертного газа аргона.

Таблица 4.6 - Изменение линейных размеров образцов при спекании

Изменяя линейные размеры образцов, можно увидеть, что образцы из композиционных материалов, легированных медным порошком, дают усадку меньше, чем по высоте и диаметру.

4.1.3 Физико-механические свойства композиционных материалов

Испытания под давлением проводились для определения влияния ультрадисперсных медных порошков на прочностные свойства композиционных материалов. Данные приведены в таблице 4.7.

Таблица 4.7 - Данные испытаний на сжатие композитных материалов

Таким образом, приведенные выше данные показывают, что использование ультрадисперсных порошков меди в качестве добавки к высоконаполненным композиционным материалам повышает их устойчивость к приложенной нагрузке. Кроме того, добавление стабилизированных ультрадисперсных медных порошков, полученных из анодно синтезированного электролита, показало более высокий результат, чем использование фирменных порошков, которые получены по той же технологии, но без стабилизаторов. Следует также отметить, что из-за релаксационных свойств полимеров и равномерного распределения наполнителя по всему объему было обнаружено, что если деформация при сжатии не превышает 4%, материалы, которые до 45-57% стабилизированы, ультрадисперсны Медные порошки содержат, после снятия нагрузки, способные восстановить свои прежние размеры и форму, не теряя своих антифрикционных свойств. Материалы, изготовленные из нестабилизированных ультрадисперсных порошков, не обладают такими сильными свойствами, чтобы сохранять свою форму, и при деформации 1-1,5% они не могут восстановить свою первоначальную форму.

Это связано с силой сцепления между матрицей и наполнителем.

Это достигается путем стабилизации наполнителя и защиты его от агломерации и различных воздействий (например, высоких температур и окисления).

Важную роль в этом процессе играет поливинилпирролидон, который используется в качестве стабилизатора при производстве ультрадисперсных порошков и формировании пленок поливинилпирролидона на поверхности наночастиц, что, в свою очередь, позволяет использовать такие порошки для производства изделий из высоконаполненных полимерных композитов. Свойства таких композиций могут значительно отличаться от тех, которые достигаются введением различных нестабилизированных наполнителей. Особый интерес представляют частицы нано и микро металлов, в данном случае меди. Исследовано влияние различных добавок на твердость полученных композиционных материалов.

Как на рисунке 4.2. Видно, что введение стабилизированных ультрадисперсных порошков значительно улучшает свойства композиционных материалов.

В то же время увеличение твердости материала наблюдалось в образцах, полученных на основе фторопласта F-4.

Рисунок 4.2 - Твердость по Бринеллю неотвержденных образцов

В зависимости от скорости охлаждения после спекания, можно получить отвержденные изделия с более высокой твердостью, для этого образец после спекания с 100-200^oС / сек быстро остывает. Вероятно, это связано с пониженной кристалличностью полимера и, следовательно, с его плотностью и твердостью.

Рисунок 4.3 - Твердость по Бринеллю образцов после закалки.

Введение ультрадисперсных медных порошков приводит к практически линейному упрочнению материала.

Как видно на рисунках 4.2 и 4.3, введение наночастиц меди более чем вдвое увеличивает твердость композита по сравнению с чистым полимером. Композиции 7 и 10 соответствуют максимальному значению твердости по сравнению с другими композициями.

Однако увеличение содержания наполнителя до 70% приводит к снижению твердости. Это связано с тем, что при содержании наполнителя 70% и более давление прессования должно быть увеличено, но структура композиционных материалов деформируется и образует агломераты, что приводит к регрессу свойств композиционных материалов.

4.1.4 Антифрикционные и износостойкие свойства

При выборе оптимального содержания наполнителя следует учитывать, что материалы, используемые для подшипников скольжения, должны обладать высокой износостойкостью при высоких удельных нагрузках и, следовательно, низким коэффициентом трения.

Для оценки износостойкости разработанных композиционных материалов были определены зависимости коэффициента трения от удельной нагрузки и линейного износа при сухом трении с использованием методов, описанных в разделе 2.4.2. Результаты испытаний показаны на рисунках 4.4-4.6.

Рисунок 4.4 - Зависимость коэффициента трения от сухой нагрузки

Рисунок 45 - Зависимость коэффициента трения от сухой нагрузки

Рисунок 4.6 - Зависимость коэффициента трения от сухой нагрузки

Анализ полученных данных показывает, что введение ультрадисперсных медных порошков во фторопластовую матрицу способствует незначительному увеличению коэффициента трения при малых нагрузках, а коэффициент трения уменьшается с увеличением нагрузки.

Полезная нагрузка разработанного композиционного материала увеличивается более чем на 30%.

Введение ультрадисперсных медных порошков, стабилизированных водорастворимыми полимерами, даже с небольшим наполнением, помогает снизить коэффициент трения и увеличить нагрузку на композиты на 30-50% относительно относительно чистого полимера, а также на нестабилизированные композиты. Ультрадисперсный порошок меди содержит от 10 до 15%.

Также были проведены испытания на трение CM в масле.

Результаты испытаний представлены на рисунках 4.7-4.9.

Рисунок 4.7 - Зависимость коэффициента трения от нагрузки в масле МС-20

Рисунок 4.8 - Зависимость коэффициента трения от нагрузки в масле МС-20

Рисунок 4.9 - Зависимость коэффициента трения от нагрузки в масле МС-20

Следует отметить, что коэффициент трения в масле значительно ниже по сравнению с трением в сухом состоянии, кроме смазочного эффекта, масло обеспечивает терморегуляцию образцов.

При достижении высоких нагрузок масло может выталкиваться из зоны трения, что угрожает увеличить коэффициент трения и износ. По этой причине рекомендуемые постоянные рабочие нагрузки не должны превышать 5,5-6 МПа для металлополимерных композитов, хотя кратковременные нагрузки могут достигать 12-14 МПа.

Одной из целей при введении исследуемых добавок является повышение износостойкости.

Данные о влиянии импортного ультрадисперсного медного порошка на вес и линейный износ приведены в виде диаграмм (рисунки 4.10-4.11). Износостойкость определяли в парах со сталью (сталь 45), время испытаний 1, 2 и 4 ч при сухой силе трения 4 МПа в соответствии с методом, описанным в главе 2.2.

Рисунок 4.10 - Зависимость весового износа композиционных материалов от вводимых добавок при Pd = 4,0 МПа в течение 1, 2 и 4 часов

Рисунок 4.11 - Зависимость линейного износа композитов от ввода присадок при Pd = 4,0 МПа в течение 1, 2 и 4 часов

Повышенный износ в начальной фазе обусловлен неровностями как на образце, так и на поверхности контртела, что, в свою очередь, приводит к сильному износу на начальной фазе испытания, но износ заметно снижается после компенсации неровностей. Это происходит, когда под воздействием высоких давлений и температур продукты разложения и частицы наполнителя перемещаются с поверхности образца на противоположную поверхность и, таким образом, образуют идеально адаптированные уровни, и происходит равномерное распределение удельных нагрузок по всей поверхности тела трения, что снижает как коэффициент трения, так и также объясняет износ. На рисунках 4.12 и 4.13 показаны поверхности образцов до и после испытаний на фрикционной машине, исследование проводилось на сканирующем зондовом микроскопе SolverHV.

Рисунок 4.13 - Профиль поверхности образцов после трения

Как видно из рисунка 4.12, отклонение профиля поверхности в исследуемом участке перед испытаниями составляет около 0,3-0,35 мкм.

Данные исследования поверхности после трения представлены на рисунке 4.13.

Большинство неровностей на поверхности трения были сглажены или заполнены частицами, вызванными износом композитных материалов или контртела, отклонение от центральной линии составляет 0,08-0,12 мкм.

Это также снижает коэффициенты износа и трения после обработки поверхности.

4.1.5 Исследование структуры композиционных материалов

Одним из важнейших процессов при производстве композиционных материалов является смешение компонентов: чем более однороден состав материала, тем выше его физико-механические свойства (твердость, износостойкость).

При смешивании смеси композиционных материалов высокая гомогенность практически невозможна с нестабилизированными ультрадисперсными порошками меди из-за агрегации частиц наполнителя. Если в процессе перемешивания используются стабилизированные наполнители, полученные агломераты снова диспергируются. Также возможно, чтобы два противоположных процесса формирования и разрушения были сбалансированы в определенный момент времени.

В этом случае нет смысла продолжать перемешивание, поскольку качество смеси не меняется. Согласно исследованиям, наибольшая однородность в распределении частиц стабилизированного наполнителя достигается через 12-15 минут времени перемешивания, тогда как для нестабилизированных наполнителей это время составляет 40-45 минут, что составляет не менее трех раз. Чтобы оценить качество смеси, были проведены микроструктурные исследования композитных материалов с различными наполнителями, которые были получены путем холодного прессования с последующим спеканием (рис. 4.14 (ag)).

Рисунок 4.14 - Микроструктура композиционных материалов с различными наполнителями при 250-кратном увеличении.

(а) медный порошок, полученный без использования стабилизаторов со средним размером частиц 1,92 мкм;

1. б) медный порошок, полученный без использования стабилизаторов со средним размером частиц 1,27 мкм;

(в) медный порошок, полученный с использованием полиакриламида и стабилизаторов среднего размера частиц 0,54 мкм;

4. d) медный порошок, полученный с использованием поливинилпирролидона и средний размер частиц 0,46 мкм. Рисунок 4.14 (а и б) показывает, что композитный материал, который содержит ультрадисперсный порошок меди без стабилизаторов, образует большие агломераты, что приводит к неравномерному распределению частиц по всему объему полимерной матрицы и, в свою очередь, не позволяет материалу, который ультрадисперсные порошки реализовать свойства, присущие сплаву. На рисунке 4.14 (с) показано изображение композитного материала, который содержит ультрадисперсный порошок меди в качестве стабилизатора в процессе производства полиакриламида, что значительно снижает его способность к агломерации,

Однако в ходе изучения структуры композиционного материала, полученного с применением, все еще остаются незаполненные участки полимера, что также влияет на неравномерность физико-механических свойств.

Рисунок 4.14 (d) показывает

изображение структуры композиционного материала, полученного с использованием ультрадисперсного порошка, полученного из раствора аммиака, содержащего поливинилпирролидон в качестве стабилизатора частиц.

На фигуре показано, что наполнитель распределен равномерно, отсутствуют дефицитные или избыточные зоны наполнителя во всем объеме полимера, что позволяет максимально увеличить потенциал ультрадисперсного порошка в качестве наполнителя для F-4.

Рисунок 4.15 - Взаимодействие наполнителя и металлополимерной матрицы

Композиты на основе меди F-4 и UDP:

 (а) получены без стабилизаторов постоянного тока;

1. б) получены без стабилизаторов в импульсном режиме;
2. в) использование полиакриламидов в качестве стабилизаторов;
3. г) Использование поливинилпирролидона в качестве стабилизатора.

При исследовании влияния стабилизированных ультрадисперсных порошков на структуру композиционных материалов было обнаружено, что при использовании нестабилизированных ультрадисперсных порошков отсутствует взаимодействие между полимерной матрицей и наполнителем, что объясняет большую фазовую границу между наполнителем и полимером.

Исследования композитов на основе F-4 со стабилизированными ультрадисперсными порошками меди (рис. 4.15 г) показали, что после спекания уменьшается зона раздела между полимером и наполнителем, что является результатом взаимодействия с высокой адгезией и приводит к улучшению свойств материала.

В то же время уменьшение межфазной зоны наблюдается как при средних концентрациях наполнителя (40-60%), так и при сильно заполненных композиционных материалах (более 60%).

4.2 Разработка композиционных материалов с использованием полиэтилена в качестве матрицы.

В этой работе, в дополнение к ПТФЭ-4, полиэтилен-277 также использовался в качестве полимерной матрицы для разработки композиционных материалов, а наполнителями были также ультрадисперсные медные порошки, которые были получены с использованием различных водорастворимых полимеров в качестве стабилизаторов.

В ходе исследований был разработан ряд композиций, оптимальные составы которых приведены в таблице 4.7.

Таблица 4.7 - Состав и свойства исследованных составов

4.2.1 Антифрикционные и износостойкие свойства композиционных материалов

В этом отчете с целью оценки характеристик разработанных композитов были определены зависимости коэффициентов трения от величины удельной нагрузки, а также линейного износа вследствие сухого трения. Результаты испытаний коэффициента трения приведены на рисунках 4.16-4.19.

Рисунок 4.16 -

Зависимость коэффициента трения в сухом состоянии

Рисунок 4.17 -

Зависимость коэффициента трения в сухом состоянии

Рисунок 4.18 - Зависимость коэффициента трения в сухих условиях

Анализ полученных данных показывает, что введение полиэтилена в виде

Ультрадисперсный медный порошковый наполнитель, стабилизированный водорастворимыми полимерами полиакриламида и поливинилпирролидона, помогает снизить коэффициент трения, и, как следствие, износостойкость получаемого композиционного материала зависит.

Надежность и долговечность деталей из разработанных композиционных материалов во многом определяются размерами массы и линейным износом.

Определение линейного износа показано на следующем рисунке 4.19.

Рисунок 4.19 - Линейная зависимость присадок от износа

Как видно из представленных данных, введение в состав стабилизированного Лиде порошка поливинилпирролидона меди снижает линейность и износ по сравнению с композиционными материалами, содержащими нестабилизированные ультрадисперсные порошки, склонные к агломерации. Разработанные композиционные материалы могут быть использованы для изготовления деталей, работающих в узлах трения без смазочных материалов и влаги в зоне трения. Решающее влияние на физико-механические свойства этих материалов оказывает межфазное взаимодействие в зонах контакта гетерогенных фаз.

4.2.2. Влияние ультрадисперсных медных порошков на твердость композиционных материалов.

Исследовано влияние добавок, включенных в композиции, на твердость полученных образцов.

Исследование проводилось на устройстве AS-111 в соответствии с методикой, представленной в главе 2. Результаты показаны на рисунке 4.20.

Рисунок 4.20 - Зависимость твердости образцов по Бринеллю от введенных добавок.

Как видно на рисунке 4.20, твердость материала увеличивается с введением ультрадисперсных медных порошков.

Однако введение частиц меди, которые получают при введении в электролит в качестве стабилизатора полиакриламида, также повышает твердость полученных материалов (примерно на 1,5-2%) и отличается от материала, используемого при использовании ультрадисперсных порошков. получается без стабилизаторов.

Наилучшие свойства для этого демонстрируют материалы, полученные с ультрадисперсными порошками, изготовленными из стабилизированного поливинилпирролидона. Очевидно, это достигается равномерным распределением частиц. Ультрадисперсные порошки во всем объеме полимера без областей с высокой концентрацией наполнителя или недостатком, как в случае нестабилизированных ультрадисперсных порошков.

4.2.3. Влияние ультрадисперсных медных порошков на прочность композиционных материалов.

Исследовано влияние ультрадисперсных медных порошков на сопротивление давлению разработанного композита.

Результаты исследования приведены в таблице 4.8.

Таблица 4.8 - Прочностные характеристики композиционных материалов

Как видно из таблицы, влияние наполнителя с разветвленной дендритной наноструктурой оказывает сильное влияние на прочность материала даже при низком заполнении.

Однако исследования показывают, что введение ультрадисперсного медного порошка, который стабилизирован полимерной оболочкой из поливинилпирроидов, способствует физико-механическим свойствам композиционных материалов благодаря взаимодействию на молекулярном уровне и образованию связей с поверхностью ультрадисперсного медного порошка.

4.2.4. Изучение структуры поверхностного слоя

В контексте данной работы структура поверхностного слоя композитного материала, а также поверхность материала и контртела были исследованы до и после испытаний на трение.

Результаты исследований позволили объяснить снижение коэффициента трения и высокую интенсивность износа в первые часы испытаний.

Снижение коэффициента трения при увеличении нагрузки объясняется тем, что из-за неравномерности материала зона фактического контакта материала отклоняется от теоретической зоны на несколько порядков. В результате на пиках возникают сверхвысокие давления и температуры, которые отрицательно влияют на коэффициент трения композиционного материала. С увеличением нагрузки пики неровностей на материале сглаживаются, площадь контакта материалов увеличивается, давление равномерно распределяется по всей поверхности, температура стабилизируется, что приводит к снижению коэффициента трения.

На рисунке 4.21 показаны фотографии поверхности композиционных материалов на основе ПЭ-277 до и после трения при увеличении 400х.

Рисунок 4.21 - Поверхность материала:

1. а) до трения;
2. б) после трения

На поверхности образца имеются частицы меди, которые были перенесены в контртело путем трения.

(Рисунок 4.22).

Поверхность была сглажена, а продукты износа заполнены неровностями. На основании этих данных снижение коэффициента трения также можно объяснить в этом случае.

Рисунок 4.22 - Поверхность контртела после трения

Исследования поверхности противотела, проведенные с помощью энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного спектрометра, показали, что после трения на его поверхности образуется тонкая медная пленка, которая участвует в селективной передаче и способствует улучшению триботехнических свойств.

После испытаний на трение был проведен элементный анализ поверхности контртела, результаты которого показаны на рисунке 4.23.

Рисунок 4.23 - Элементный анализ противоположной поверхности тела

Данные, показанные на рисунках 4.21-4.23, показывают, что пара металл-полимер-композиция-сталь трения может проявлять явление отсутствия износа из-за образования пленки для отбеливания сервопривода. * (лат. серво-остроумие)

Механизм образования белой серво-пленки зависит от смазки, используемых материалов и условий трения.

Металлическая пленка, образующаяся при трении, называется «сервообмоткой».

Механизм формирования сервопленки на поверхностях трения может быть различным. Поскольку слой меди, сформированный на поверхности, становится более тонким за счет его переноса на стальную поверхность, поверхность полимера дополнительно разрушается.

Поскольку слой меди, сформированный на поверхности, становится тоньше из-за его переноса на поверхность стали, поверхность полимера дополнительно разрушается. Этот процесс продолжается до тех пор, пока на стальных и полимерных поверхностях не будет сформирован слой меди толщиной от 0,01 до 2 микрон.

Как только медная пленка покрывает полимерную и стальную поверхности, молекулы меди больше не могут вырываться из полимера, процесс разрушения полимера останавливается и срабатывает установленная система селективной задержки. Процесс формирования серво-белой пленки на стальной поверхности незаметен. Частицы меди с поверхности полимера переносятся на верхнюю часть неровностей стальной поверхности контртела, то есть на части стали, которые вступают в прямой контакт с медью. Затем скопившаяся медь постепенно «проскальзывает» в полость неровностей.

Во время трения оксидный слой на стальной поверхности разрушается (поверхность восстанавливается), что обеспечивает высокую адгезию медной пленки к стальной поверхности. В результате последняя покрывается медной пленкой, и пара из фрикционной полимерной стали становится парой медь-медь.

Анализируя полученные данные, можно сказать, что введение ультрадисперсного медного порошка в состав меди способствует твердости образцов из разработанных материалов по сравнению с чистым полиэтиленом.

На рисунках 4.22 и 4.23 показаны поверхности образцов до и после

Испытания на фрикционной машине, исследование проводилось на сканирующем зондовом микроскопе SolverHV.

Рисунок 4.25 - Поверхность образца после испытания на терке

Как видно на рисунке 4.24, поверхность образца имеет сложную топографию, пики пиков и впадин с высотой от 0,1 до 1,1 микрометров можно увидеть по всей поверхности.

Поверхность образца после испытания на затирочной машине, как показано на рис. 4.25, имеет более мягкий рельеф без резких выступов или углублений. После испытаний трибо на поверхности можно увидеть небольшие возвышения, что можно объяснить тем фактом, что частицы меди, участвующие в селективной передаче, начали образовывать обмотку с сервоприводом.

4.3 Выводы по главе 4

В ходе исследований процессов получения антифрикционных композиционных материалов с полимерной матрицей были исследованы факторы, влияющие на свойства композиционных материалов, и на основании полученных экспериментальных данных были сделаны следующие выводы:

1. Разработанная математическая модель для оптимизации состава композиционных материалов позволяет определять влияние технологических параметров на физико-механические свойства композиционных материалов и прогнозировать их свойства.
2. Влияние наполнителя на изменение линейных размеров исследовано при спекании композиционных материалов. Было обнаружено, что линейные размеры материалов, легированных стабилизированным медным порошком, претерпели меньшую усадку как по высоте, так и по диаметру.
3. Было обнаружено, что равномерное распределение наполнителя по всему объему полимерной матрицы достигается только за счет использования стабилизированного ультрадисперсного медного порошка, что также влияет на однородность свойств по всему объему композиционного материала и повышает такие свойства, как прочность на сжатие Твердость, износостойкость и повышенные максимальные рабочие нагрузки более чем на 30% по сравнению с нестабилизированными наполнителями.

Использование ультрадисперсных порошков, стабилизированных поливинилпирролидоном, позволило сократить время перемешивания и добиться более равномерного распределения частиц в объеме матрицы композиционного материала.

5. Было обнаружено, что использование стабилизированных ультрадисперсных медных порошков уменьшает межфазную границу между матрицей и поверхностью наполнителя, что увеличивает адгезию наполнителя к полимерной матрице.
6. Изучение структуры поверхностного слоя композита и противотела до и после испытаний на трение показало, что трение материала создает эффект селективного переноса меди на поверхность противотела, что приводит к более однородной поверхности сопряженных поверхностей трения, что снижает износ.
7. Введение более 30% полиэтиленового наполнителя влияет на вязкость расплава, что затрудняет обработку материала экструзией и литьем под давлением, а также повышение температуры при обработке смеси и частичное разрушение полимера.

Выводы и выводы

В зависимости от химической природы наночастиц, структура на поверхности трения изменяется из-за агломератов дисперсных частиц.

При использовании в качестве наполнителя локально нестабилизированные ультрадисперсные порошки меди, которые редко встречаются на поверхности трения, образуют кластеры микронных частиц, которые образуют неровности высотой от 1,0 до 1,2 микрометра.

Введение такого же количества стабилизированных ультрадисперсных порошков в F-4 приводит к образованию поверхностного слоя образца с равномерным распределением частиц наполнителя.

В этом случае площадь, занимаемая кластерами, в 3 раза больше площади сайтов локализации микрочастиц. Уменьшение износа композитов, содержащих ультрадисперсные порошки, стабилизированные водорастворимыми полимерами, в 1,5-2 раза свидетельствует о большей устойчивости к контактной деформации поверхностного слоя образца по сравнению с композитами, содержащими нестабилизированный ультрадисперсный Порошок в комплекте.

Коэффициент трения композиционных материалов снизился в 1,7 раза, что, очевидно, связано с оптимальной шероховатостью поверхности трения.

И были сделаны следующие выводы о работе:

1. Разработанный способ получения ультрадисперсных медных порошков на основе электролиза позволяет изменять форму частиц, химическую активность и фазовый состав. Такие, как изменение концентрации водорастворимых полимеров и солей в электролите и изменение параметров тока.

2) Использование полиакриламида в качестве стабилизатора позволяет уменьшить средний размер частиц до 0,36 мкм за счет увеличения количества нанофракции. За счет образования полимерной пленки на поверхности частиц, которые вместе с электролитом в процессе промывки водой, улучшается чистота получаемого ультрадисперсного порошка. Форма порошка - дендрит.

3) Введение поливинилпирролидона в электролит снижает средний размер частиц до 0,18 мкм, обеспечивает дополнительную защиту от кислорода за счет уменьшения его количества примерно в два раза, за счет образования полимерной пленки на поверхности частиц меди, которая после отделение и отмывка электролита остается на порошке и предотвращает появление оксидов меди в конечном продукте (II).

4) Включение порошков в импульсном режиме позволяет уменьшить размер частиц, полученных из ультрадисперсных порошков, что в сочетании с добавлением водорастворимых полимеров полиакриламида и поливинилпирролидона в электролит обеспечивает меньшее распределение частиц по размерам. Наименьшее изменение размера частиц достигается, когда поливинилпирролидон с концентрацией не менее 6 г / л в импульсном режиме с текущей катодной плотностью 0,6 А / c.^m2 впрыскивается в электролит.

5) Стабилизированные водорастворимые медные порошки могут быть рекомендованы для использования в антифрикционных композиционных материалах на основе различных полимерных матриц в качестве добавки к сплавам для повышения твердости и уменьшения износа.

6) Разработанная математическая модель оптимизации состава композиционных материалов позволяет определять влияние технологических параметров на физико-механические свойства композиционных материалов и прогнозировать их свойства.

7) Исследовано влияние наполнителя на изменение линейных размеров при спекании композиционных материалов. Установлено, что изменение линейных размеров материалов, легированных порошками стабилизированной меди, происходит в меньшей степени по высоте и диаметру.

8) Использование ультрадисперсных порошков меди, стабилизированных поливинилпирролидоном, позволяет сократить время смешивания и добиться более равномерного распределения наполнителя во всей полимерной матрице, уменьшает межфазную границу между матрицей и наполнителем, что увеличивает адгезионную прочность наполнителя на полимерной матрице. повышенный. Использование ультрадисперсных порошков меди, стабилизированных поливинилпирролидоном, повышает физико-механические (твердость, сопротивление давлению и износостойкость) и антифрикционные свойства (коэффициент трения) композиционных материалов более чем на 30% по сравнению с нестабилизированными нанонаполнителями.

9) Обнаружен эффект избирательного переноса атомов меди на поверхность встречного тела, который создает более однородную поверхность и, следовательно, более равномерное распределение нагрузок по сопряженным поверхностям трения, что снижает коэффициент износа и трения.

10) Стабилизация частиц ультрадисперсного медного порошка позволяет ввести их в полиэтиленовую матрицу в качестве наполнителя на 18-27% при небольшом изменении вязкости расплава, что позволяет обрабатывать материал экструзией и литьем под давлением и приводит к более быстрому нагреванию обрабатываемой смеси.

Список сокращений и символов

ПВП с поливинилпирролидоном;

ПАА-полиакриламид;

РФА - рентгенофазовый анализ;

ДТА - дифференциальный термический анализ;

t - время;

СЭМ - сканирующая электронная микроскопия;

Surfactant - ПАВ;

j - плотность тока;

Т - температура;

PE 277 - полиэтилен;

Ф-4 - тефлон-4;

LDPE - полиэтилен низкого давления;

SVC - сверхвысокая частота;

УДП - ультрадисперсный порошок;

КМ - композитный материал;

ТМА - термомеханический анализ;

ТГ - термогравиметрия;

ДСК - дифференциальная сканирующая калориметрия;

ИК - инфракрасный;

f - коэффициент трения;

N - момент трения;

R_ud - нагрузка на крыло;

N - поверхность трения;

ПИ - селективная передача;

CPS - статическое холодное прессование;

Ха - хлорид аммония

Ссылки:

Смотрите в оригинальном русском тексте.

Институт редкоземельных металлов

Приносим свои извинения за грамматические ошибки, возникающие при переводе с русского. Наш сотрудник не является профессиональным переводчиком.

Прочтите полную диссертацию по созданию сверхтонкого медного порошка - PDF

Немецкий:

ИЗГОТОВЛЕНИЕ УЛЬТРАДИСПЕРСОВ МЕДНЫХ ПОРОШКОВ, СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ С ВОДОРАСТВОРАЕМЫМИ ПОЛИМЕРАМИ ДЛЯ АНТИФРИКЦИОННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

Оригинал на русском:

Пожалуйста, подписывайтесь на нас: