12133 Ústav strojírenské technologie
VÝZNAM POLYMERNÍCH NANOKOMPOZITŮ V TRIBOLOGICKÝCH SYSTEMECH Ing. Olga Konovalová
Tribologické vlastnosti typických polymerů Polymer Tribologické vlastnosti Vyznačuje se nízkým třením, ale vysoká míra opotřebení, Polytetrafluoroethylene obvykle ve směsi s jinými polymery nebo vyztužené jako (PTFE) kompozitní materiál. Vysoká mez provozní teploty. Nylony
Mírný koeficient tření a nízká míra opotřebení. Střední výkon pro materiál ložiska. Intenzita opotřebeni se zvětší ve vodě. Relativně nízká provozní teplota.
Polyacetaly Polyetheretherketon (PEEK)
Výkon podobný nylonu. Odolný ve valivých kontaktech. Vysoká provozní teplota. Odolný vůči většině chemických činidel. Vhodný pri vysokém kontaktním napětí. Vysoký koeficient tření.
Velmi vysoká odolnost proti opotřebení, i když je voda Ultra high molecular weight polyethylene přítomna. Mírný koeficient tření. Dobrá odolnost vůči otěru. Relativně nízká provozní teplota. (UHMWPE) Dobrá odolnost proti otěru a proti opotřebení v valivých Polyurethany ložiskách. Relativně vysoký koeficient tření v kluzných ložiskách. Polyimidy Epoxidy and phenoly
Vysoce výkonné polymery, vhodné pro práci za vysokých kontaktních napětí a vysokých provozních teplotách. Používá se jako pojiva v kompozitních materiálech.
Typickými příklady tribologické aplikace plastů a kompozitů ve strojírenství V oblastech, kde se vyžadují vysokou odolnost proti opotřebení při nízkých součinitelů tření a stále vyšší okolní teploty : kluzná ložiska (pro automobilový průmysl); plastové kluzná ložiska jsou rozděleny do kovových ložisek s polymerních povlaků a plastovými ložisky.• ložiska tlumičů; žlábkové pásů kola v zapalování, alternátorů nebo dieselových vstřikovacích čerpadel; elastomerové O-kroužky; kompresorové kohouty (letecký, automobilový, elektronický a chemický zpracovatelský průmysl). V oblastech, kde koefficient tření není tak důležitý jako odolnost vůči otěru nátěry v papírenských strojích nebo kalandrů; mazání ložisek v čerpadle, které za extrémně abrazivních podmínkách musí i nadále pracovat; části stroje, které jsou převážně zatíženy vlastní vahou kvůli rotačním pohyby, mnoha zrychlením a zpomalením (technické systémy týkající se energetických technologií); uhlíkové kartáče; ozubená kola, převody; míchácí tyče; pístové části.
Výhody polymerních kompozitů: nízký koeficient tření (Povrchová energie polymerů je
mnohem nižší než u keramiky a kovů. Jako následek je nižší koeficient tření.); vysoká odolnost proti adhezi; dobrá chemická odolnost a odolnost proti korozi (Mohou pracovat v prostředí, jako je mořská voda, různé roztoky a v bazenech.); mazivo není potřeba; nemagnetické; nízká hmotnost; viskoelasticita (Poškození jako rýhy na povrchu polymeru se může léčit kvůli viskoelastickému "toku" materiálu.); tvoření přenosového filmu;
Výhody polymerních kompozitů: v fázi zaběhu (například v ložiskách) konečný
pracovní tvar polymerní kompozitní součásti se docílí plastickou deformací; méně citlivé na nesouosost hřídelu a ložiska; lepší vyrobitelnost a zpracovatelnost; pokud se plastová součást poškodí (z důvodu vysoké teploty apod.), nemůže se poškodit kovová část uzlu, takže oprava není příliš drahá a komplikovaná; ekonomicky lze vyrábět; tvar může být velmi složitý s dobrou funkční integraci.
Nevýhody: nízký tepelný odpor; nízká tepelná vodivost; vysoký koeficient tepelné roztažnosti; nízká tuhost (modul pružnosti); nízká pevnost; polymerní může bobtnat ve styku s mazivem,
vodou a další kapaliny.
Antifrikční přísady pro plasty Antifrikční přísady: Grafit, MoS2, Al2O3, CrO2, ZrO2, TiO2, ZnO, CuO, SiO2, Si3N4, SiC, tekuté krystaly, Polytetrafluorethylen (PTFE), nanotrubky; kapalná syntetická maziva. Koeficient tření se mění velmi dramaticky pri vysoké teplotě v třecí zóně, tedy zlepšení tepelné vodivosti vede ke zlepšení antifrikčních vlastnosti kompozitního detailu. Tepelná vodivost zlepšuje se pomocí: mědi, grafitu, uhlíkových vláken, keramických prášků (Každý polymer vyžaduje speciální výběr typu částic, vzhledem k obrovským rozdílům jejich synergických mechanismů). Některé polymery absorbují různé tekutiny. Nabobtnaní zvětší polymerní součást v třecím uzlu, což vede ke snížení přípustné vůle, a tím se zvyšuje normální zatížení vkontaktní zóně, takže dochází k vysokému tření a opotřebení uzlu. Přísady-stabilizátory rozměru: skleněná vlákna, uhlíková a kevlarová vlákna; keramické prášky; nanotrubičky
Ceramic powders
Liquid crystals
PTFE
MoS2 closed nanoparticles
MoS2
Carbon nanotubes
Graphite
Fibers
Výhody nanoaditiv v porovnání s makro- a mikropřísadami velikost nanočástic je menší, než je kritická
délka trhliny, které obvykle zahájí selhání kompozitu; obecně nižší abrazivita kvůli snížené ostrohrannosti; zvýšená pevnost, modul pružnosti a houževnatost díky struktuře bez defektu; vyšší zvláštní povrchové plochy, a tím lepší adheze; vysoká efektivnost při velmi nízkém obsahu.
Povrchová energie polymerů je mnohem nižší než u keramiky a kovů.Vliv povrchové energie na koeficientu tření se vysvětluje vznikem a narušením adhezních vazeb mezi třecími povrchy. Nižší povrchová energie vede k nižšímu koeficientu tření. Hlavní nevýhodou polymerů je jeho relativně nízká pracovní teplota. Tato skutečnost, spolu s nízkou tepelnou vodivostí, vede k relativně rychlému poškození polymerů vlivem růstu třecí teploty v kontaktní zóně. Na základě tribologické teorie polymerů tření se zvyšuje proporcionálně s kritickou povrchovou energií polymeru.
Tepelná vodivost Polymery
λ , W m-1K-1
Lineární sklovité PS Polystyren, expand. PMMA PVC Semikrystalický PE lineární PE HD PP PA 6 POM PFTE Epoxy PU
0,042 0.033 0,193 0,168 0,35 0.42 - 0.51 0,16 0,33 0,22 0,24 0.682 - 1.038 0.02
Material/Substance Aluminum oxide Al2O3 Aluminum nitride AlN Titanum nitride TiN Zinc oxide ZnO Boron nitride h-BN c-BN Copper Brass Cu63% Brass Cu70% Copper oxide CuO Bronze Carbon Diamond impure Diamond natural Diamond isotopically enriched Carbon nanotube (multiwall) (single wall) Graphene Calcium silicate Chalk Clay, dry to moist Clay, saturated Porcelain Quartz mineral (single crystal) Quartz –Fused or Vitreous Silica Glass SiO2 pure SiO2 96% Fibreglass
λ , W m-1K-1 30 285 19.2 21 600║; 30 ┴ 740 401 125 109 33 42 1.7 1000 2.2 3.32-41 3180 3500 (5300±480) 0.05 0.09 0.15 - 1.8 0.6 - 2.5 1.5 12 ; 6.8 1.46 1.05 1.2-1.4 0.04
Závěr V současné době nanočástice jsou často používány pro zlepšení tribologických vlastností polymerů. Takže, je vhodné zkoumat jejich vliv na tepelné vodivosti také, zda je účelné a jak zlepšit tento vliv.
