AP13068529 "Разработка технологии электронно-лучевого модифицирования полимерных материалов, применяемых в машиностроении"

Руководитель проекта: Мухамедов Нуржан Еролович, PhD, - руководитель проекта ORCID ID - 0000-0002-6672-180x

Актуальность:

Высокоэффективные полимерные материалы, такие как PEEK и PTFE рассматриваются как потенциальный трибологический материал для механических систем с возвратно-поступательно
движущимися компонентами благодаря их самосмазывающимся свойствам, особенно в условиях высоких нагрузок и скоростей скольжения. PEEK и PTFE обладают рядом исключительных свойств, таких как исключительная термическая стабильность, превосходные механические свойства, а также высокая износостойкость. Следовательно, эти замечательные характеристики делают их потенциально превосходными кандидатами в качестве износостойкого материала по сравнению с другими типами полимеров. Однако чистые PEEK и PTFE обычно демонстрируют низкую износостойкость, что ограничивает их применение в узлах трения. Поэтому PEEK и PTFE должны быть модифицированы для увеличения срока службы с помощью технологии армирования или модификации поверхности в процессе фактического применения. Одним из перспективным способом модификации поверхности полимерных материалов является электронно-лучевая обработка, который имеет большой потенциал.

Цель:

Разработка технологии электронно-лучевого модифицирования полимерных материалов, которая позволяет повысить их износостойкость, а также изучение закономерности структурных и радиационно-химических превращений в поверхностных слоях PEEK и PTFE при вневакуумной электронно-лучевой обработке.

Ожидаемый результат:

1. Будут исследованы структура, химический состав, физико-химические характеристики, физико-механические и трибологические свойства полимерных материалов зависимости от режима электронного облучения.
2. Будут определены оптимальные режимы вневакуумной электронно-лучевой обработки полимерных материалов, обеспечивающие высокую износостойкость поверхностного слоя.
3. Будут установлены закономерности формирования структуры и свойств модифицированного поверхностного слоя полимерных материалов при электронно-лучевой обработке.
4. Будут проведены стендовые испытания деталей из полимерных материалов, обработанных электронным пучком.
5. На базе полученных данных будут сформулированы инновационные предложения с перспективой внедрения разработанной радиационной технологии в производство.

Результат:

Электронно-лучевая обработка образцов полимеров проводили на линейном источнике ИЛУ-10. Были исследованы влияние нескольких параметров электронного облучения на модификацию поверхности полимеров PEEK и PTFE. Образцы из данных поолимеров подвергались облучению при энергиях пучка: 2.7, 3.2, 3.7, 4.2, 4.7 МэВ и при дозах облучения 400, 600 КГр для каждого значения энергии пучка. Сила тока и скорость облучения для всех образцов были одинаковы. Измерения твердости и упругости образцов после облучения производились на твердомере FISCHERSCOPE HM2000S в соответствии с DIN EN ISO 14577-1 и ASTM E 2546. Время выдержки образца под нагрузкой 1000мН для полимеров PTFE и PEEK составляло 20 с. Испытание образцов полимеров на изнашивание в режиме сухого трения проводилось в НИЦ «Инженерия поверхности и трибология» по схеме «шар-диск» при нагрузке P=9 Н и скорости скольжения V=0,04 м/с на трибометре Anton Paar 𝑇𝑅𝐵3 в соответствии с международными стандартами ASTM G99-959, DIN50324 и ISO 20808. В трибологических испытаниях использовано контртело в форме шарика из стали ШХ15. Диаметр контртела составлял 6 мм. Путь испытания равен 1000 и 2000м. Для определения шероховатости поверхности полимеров до и после электронно-лучевой обработки использовались контактные профилометры модели 130 и HY2300. Также объемный износ оценивался по профилю дорожки трения при помощи вышеуказанных профилометров. Кроме того, был проведен термогравиметрический анализ образцов полимеров на анализаторе TGA 1250. Каждый образец, изначально измельченный до порошка, нагревался в диапазоне 500-800 градусов по Цельсию. Результаты данного исследования показали, что при следующих параметрах облучения можно получить наилучшие механические показатели для полимера PTFE: энергия электронов – 3,2 МэВ, сила тока – 6,84 мА, скорость - 5 м/мин, доза облучения – 600 КГр и 5 прогонах облучения. При данных условиях значение твердости было равно 41,9 Мпа и шероховатости 2,61 мкм. Для образцов из полимера PEEK наилучшие результаты были получены при следующих параметрах: энергия электронов – 3,7 МэВ, ток – 6,84 мА, скорость 0,3 м/мин и 5 прогонах. Твердость образца выросла до значения 201,9 МПа и значение шероховатости было равно 0,74 мкм. По результатам установлено, что после электронно-лучевой обработки наблюдаются значительные изменения микротвердости полимеров. Исследование на объемный износ полимеров в условиях электронно-лучевого воздействия. показало снижение интенсивности износа и снижение коэффициента трения по отношению к исходному полимеру. Для решения задачи распределения теплового потока по глубине образца полимера были оспользованы уравнения для импульсного источника потоков электронов. Решение данного уравнения требуют определения следующих величин:

  • Мощность воздействия электронного пучка –Р [Вт].
  • Скорость обработки детали –Vобр [м/c].
  • Время воздействия в зоне облучения –tоб [c].

Данные по размерам детали– d Х l (диаметр и высота образца), Глубина проникновения электронов в образец, глубина максимального энерговыделения – h = 0.75 ⋅ S [м]. Для нахождения глубины проникновения электронов было произведено численное вычисление помощью математической среды MathCad уравнение Бете, учитывающее замедление электронов. Проведен фрактографический анализ бороздок износа. Проведены исследования, направленные на выяснение механизмов структурных изменений в упрочненных полимерах PEEK и PTFE при абразивном и ударно-абразивном изнашивании. Получены изображения дорожек износа полимеров PEEK и PTFE до и после их облучения электронным пучком на контактном профилометре Anytester HY2300. Относительная износостойкость образцов определялась на основе измеренной потери массы. Для визуализации изменений на поверхности образцов после испытания были выполнены микроскопические снимки дорожек износа. Результаты фрактографического анализа указывают на то, что электронное облучение приводит к модификации поверхностных слоев полимеров, изменяя их структурные характеристики и свойства. В результате, облученные образцы PEEK и PTFE показали улучшенную устойчивость к абразивному изнашиванию в сравнении с исходными образцами. Это подтверждается снижением глубины и ширины бороздок
износа, что свидетельствует об увеличении износостойкости полимеров PEEK и PTFE после облучения. Проводятся работы по установлению основных закономерностей формирования тонкой субструктуры образцов PEEK и PTFE при электронном облучении. Основное внимание уделяется анализу изменений в тонкой субструктуре, вызванных электронно-лучевой обработкой, с целью понимания механизмов и последствий такого воздействия на материалы. Воздействие
электронным пучком привело к изменениям внутренних связей полимеров, оказывая влияние на их физико-механические свойства. Изменения затрагивали формирование новых кристаллических и аморфных структур, что улучшило устойчивость материалов к внешним воздействиям или, в некоторых случаях, увеличило их подверженность определенным видам деформации. С использованием спектрометра FT-801, спектры были получены в диапазоне от 4000 до 500 см^-1. Каждое измерение предоставляло данные о наличии и изменении функциональных групп в структуре полимеров с точностью измерений, колеблющейся от ±1% до ±3%, что гарантирует высокую надежность результатов. XRD анализ, проведенный с помощью дифрактометра X’Pert PRO, позволил оценить изменения в кристаллической структуре полимеров. Исследование проводилось в диапазоне углов 2θ от 10 до 40° с использованием CuKα-излучения. Полученные результаты XRD анализа подтвердили микроструктурные изменения, связанные с облучением, что способствует более глубокому пониманию воздействия электронного облучения на исследуемые материалы.

2023


  • Ormanbekov, K. D., Rakhadilov, B. K., Zhassulan, A. Z., Mukhamedov, N. E., Shynarbek, A. B., & Magazov, N. M. (2023). Effect of electron irradiation on mechanical, tribological and thermal properties of polytetrafluoroethylene. Eurasian Journal of Physics and Functional Materials, 7(4), 221-231. https://doi.org/10.32523/ejpfm.2023070402
  • Орманбеков К.Д., Рахадилов Б.К., Кусаинов Р.К., Абильмажинов Е.Т. «Воздействие электронного облучения на механико-трибологические свойства полиэфиримида» Труды Университета. Серия «Машиностроение. Металлургия», №3,2023. – С.89-95. https://doi.org/10.52209/1609-1825_2023389
2024


  • Rakhadilov, B., Ormanbekov, K., Zhassulan, A., Mukhamedov, N., Mukhametov, Y., & Kussainov, R. (2024). Study of structural, surface energies, and tribomechanical properties of thermoplastics irradiated by electron beam. Materials Research Express. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ad6a02

Члены Исследовательской группы

  • ФИО: Рахадилов Бауыржан Қорабайұлы, PhD

    Scopus Id: 55539741700

    Researcher Id: ---

    ORCID: 0000-0001-5990-7123

    Дополнительно: