význam polymerních nanokompozitů v tribologických

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.