ID: 65471

Название работы: Наукові і технологічні основи створення та керованого функціонування епоксидних композитів з різним ступенем наповнення

Категория: Автореферат

Предметная область: Производство и промышленные технологии

Описание: Епоксидні композиційні матеріали ЕКМ та покриття на їх основі набули широкого застосування у світовій практиці для захисту технологічного устаткування деталей машин і механізмів від зношування корозії перепадів температур в умовах сухого фрикційного контакту або впливу гідроабразивних середовищ.

Язык: Украинкский

Дата добавления: 2014-07-30

Размер файла: 298 KB

Работу скачали: 3 чел.

Національна академія наук України

Інститут проблем матеріалознавства

ім. І.М. Францевича  НАН України

Савчук Петро Петрович

УДК 620.168: 621.763: 621.891: 667.637.22

Наукові І ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ створення та керованого функціонування епоксидних композитів з РІЗНИМ СТУПЕНЕМ НАПОВНЕННЯ

Спеціальність 05.02.01 – Матеріалознавство

Автореферат

       дисертації на здобуття наукового ступеня

       доктора технічних наук

Київ – 2010

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано у Луцькому національному технічному університеті на кафедрі матеріалознавства та обробки металів тиском, Міністерство освіти і науки України

Науковий консультант:   

доктор технічних наук, професор, академік НАН України  

Косторнов Анатолій Григорович, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, завідувач відділу триботехнічних та проникних матеріалів

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Стухляк Петро Данилович,

Тернопільський національний технічний університет ім. І. Пулюя, завідувач кафедрою комп’ютерно-інтегрованих технологій

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Баглюк Геннадій Анатолійович,

Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, завідувач відділу зносостійкості та корозійностійкості порошкових конструкційних матеріалів

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Пащенко Євген Олександрович,

Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, завідувач лабораторії абразивно-полімерних композитів з надтвердих матеріалів

Захист відбудеться “11” жовтня 2010 року о 10.00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.207.03 у Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України за адресою:

03680, м. Київ-142, вул. Кржижанівського, 3.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України.

Автореферат розісланий “6” вересня 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук                                                                 Р.В. Мінакова    

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Використання композиційних матеріалів на полімерній основі є важливим фактором підвищення ефективності і подальшого розвитку провідних галузей техніки. Епоксидні композиційні матеріали (ЕКМ) та покриття на їх основі набули широкого застосування у світовій практиці для захисту технологічного устаткування, деталей машин і механізмів від зношування, корозії, перепадів температур в умовах сухого фрикційного контакту або впливу гідроабразивних середовищ. За рахунок сполучення в одному матеріалі речовин з різними фізико-хімічними, тепловими та механічними властивостями багатокомпонентні ЕКМ мають унікальні показники адгезійної міцності, зносо-, термо- та корозійної стійкості.

Завдяки науковим працям І. В. Крагельського, А. Г. Косторнова,                П. Н. Богдановича, Є. О. Пащенка, Ф. М. Фабуляка, П. Д. Стухляка,          Є. М. Кальби, М. М. Братичака та інших був досягнутий значний прогрес у створенні нових полімерматричних мультинаповнених композиційних систем триботехнічного призначення, з підвищеними корозійно-міцнісними та теплофізичними характеристиками, в тому числі і на основі епоксидних зв’язуючих.

Однак, незважаючи на істотні успіхи в галузі матеріалознавства епоксидних композиційних систем, існує ціла низка проблем, які ще вимагають свого вирішення. Серед них найбільш актуальною є проблема забезпечення надійного з’єднання наповнювачів і полімерної матриці для досягнення комплексу необхідних властивостей і гарантування працездатності матеріалу протягом заданого терміну експлуатації. Розробка механізмів введення структурно-активних модифікаторів і наповнювачів при додатковій обробці інгредієнтів системи і композицій в цілому фізичними полями (ультразвукова, ультрафіолетова, високотемпературна обробки тощо) дозволить виділити принципи поєднання складових в усьому діапазоні можливого дисперсного наповнення епоксиполімерної матриці від мінімального до її перебування у стані тонких граничних шарів.  

Одним із перспективних напрямків досягнення високої зносостійкості ЕКМ є використання термостабілізуючих структурно-активних добавок, зокрема кремнійорганічних модифікаторів, які виступають сповільнювачами деструктивних процесів при виникненні високих температур в зоні фрикційного контакту. Однак, до цього часу недостатньо вивчені механізми структурування та процеси, що відбуваються при формуванні та експлуатації епоксикремнійорганічних мультинаповнених композиційних матеріалів.

На сьогодні значна кількість публікацій присвячена оптимізації температурно-часових параметрів обробки ЕКМ. Поряд з цим відсутні роботи, в яких простежувався б кореляційний зв’язок між їх режимними параметрами та набутими експлуатаційними властивостями.  

Важливим аспектом є також систематизація досліджень щодо  особливостей фізико-хімічних перетворень для забезпечення керованості процесів, які сприяють підвищенню ресурсу роботи виробів на основі ЕКМ.

Тому розробка наукових і технологічних основ вибору та поєднання структурних складових ЕКМ в усьому діапазоні можливого наповнення системи, дослідження закономірностей структуроутворення, механізмів і кінетики процесів формування границь розділу, визначення основних факторів, що дозволяють керувати цими процесами, з метою направленого досягнення комплексу оптимальних характеристик є актуальною науковою та прикладною проблемою.

Зв’язок роботи з науковими роботами, програмами, планами, темами. Наукові дослідження проводилися згідно із пріоритетним напрямом розвитку науки і техніки України №4 “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології”.

Основні наукові результати дисертації отримано в процесі виконання планових науково-дослідних робіт, що проводились у Луцькому національному технічному університеті та у співпраці з  Тернопільським національним педагогічним університетом ім. В. Гнатюка. Робота виконувалась у межах держбюджетної теми ЛНТУ “Розробка теоретичних основ консолідації в сучасному матеріалознавстві” (№ держреєстрації 0103U000279), де автор був відповідальним виконавцем, а також держбюджетних тем ТНПУ ім. В. Гнатюка № РН 0108U00040 “Дослідження гетерогенних полімеркомпозиційних структур для формування зносо- і корозійностійких покриттів з метою підвищення ресурсу роботи технологічного устаткування”, № РН 0103U003117 “Дослідження впливу зовнішніх фізичних полів на самоорганізацію структур полімеркомпозиційних матеріалів” та № 0100U002410 “Дослідження структури градієнтних полімеркомпозиційних матеріалів на основі модифікованих епоксидних смол і дисперсних наповнювачів з метою підвищення зносо- і корозійної стійкості технологічного устаткування”.

Мета і завдання досліджень. Метою роботи є визначення механізмів і кінетики структуроутворення та підвищення експлуатаційних властивостей модифікованих ЕКМ в різних діапазонах дисперсного наповнення при додатковому прикладенні фізичних полів у процесі формування систем та створення на їх основі нових зносо- та корозійностійких матеріалів.

Для реалізації поставленої мети сформульовано такі завдання:

•  теоретично й експериментально обґрунтувати оптимальні шляхи керування структурою і властивостями ЕКМ-систем з різним ступенем дисперсного наповнення;
•  встановити закономірності реалізації механізмів структуроутворення в ЕКМ залежно від природи і морфологічних особливостей інгредієнтів системи та їх кількісного співвідношення;
•  експериментально обґрунтувати вплив температурно-часових параметрів обробки на механізми і кінетику процесів структуроутворення ЕКМ та їх функціональні характеристики;
•  вивчити вплив модифікуючих компонентів на реологічні, фізико-механічні характеристики та процеси структурування ЕКМ;
•  дослідити комплексний вплив різнофункціональних наповнювачів, ультразвукової, ультрафіолетової та магнітної обробки на реологічні, фізико-механічні та триботехнічні характеристики композитів;
•  визначити способи керування структурою та експлуатаційними характеристиками, умови утворення та стабілізації самоорганізуючих плівок переносу при навантаженні тертям;
•  розробити склади нових ЕКМ і технології отримання матеріалів та покриттів на їх основі;
•  провести промислові випробування та впровадження у виробництво ЕКМ-систем, отриманих з урахуванням представлених висновків та рекомендацій.

Об’єкт дослідження – створювані модифіковані ЕКМ-системи з різним ступенем наповнення.

Предмет дослідження – комплексний вплив модифікаторів, різнофункціональних наповнювачів, а також режимів твердіння і фізичної модифікації на структуру й властивості ЕКМ-систем.

Методи дослідження.  При розробці епоксидних композиційних матеріалів використано комплекс традиційних та сучасних методів й методик, які дозволили всебічно дослідити їх структуру та властивості.

Степінь структурування ЕКМ визначали за вмістом гель-фракцій, кількість епоксигруп – методом титрування. Характер структурування  досліджували методами ІЧ-спектроскопії, діелектричного аналізу, дифрактометрії та електронної мікроскопії. Змочуваність і кінетику контактної взаємодії між наповнювачами та полімерним зв’язуючим досліджували методом “лежачої краплі”. Реологічні властивості вивчали за стандартними методиками, а високонаповнених ЕКМ – методом консольного зламу. Для вивчення впливу ультразвукового, ультрафіолетового та магнітного полів на властивості ЕКМ розроблено відповідні методики.

Дослідження макро- та мікроструктур матеріалу проводили на оптичному та металографічному мікроскопах. Фрактограми зламу досліджували на скануючому електронному мікроскопі. Мікроструктури досліджували, використовуючи методи пластмасографічного аналізу. При цьому для аналізу мультинаповнених епоксикомпозитів розроблено методику додаткової  комплексної плазмохімічної та ультразвукової обробки поверхонь мікрошліфів. Дослідження фізико-механічних властивостей матеріалів проводили з використанням методик визначення адгезійної міцності, внутрішніх напружень, ударної міцності та в’язкості, модуля пружності, міцності при стисканні та згинанні, твердості. Теплофізичні характеристики визначали методом диференціально-термічного аналізу та при дилатометричних дослідженнях. Зносостійкість композиту встановлювали ваговим та лінійним методами на стандартних установках. Статистичну обробку результатів досліджень та планування експерименту проводили використовуючи відповідний математичний апарат, а також програмне забезпечення.

Наукова новизна отриманих результатів.

1.  Вперше шляхом виділення структурних й функціональних складових ЕКМ та зв’язків між ними запропоновано моделі побудови полімеркомпозиційних систем з різним ступенем дисперсного наповнення. Обґрунтовано поділ ЕКМ-систем на низько-, середньо- та високонаповнені. Показані основні варіанти управління процесами структуризації розроблених епоксидних композитів.
2.  На прикладі епоксидних композитів вперше проведено комплексний аналіз особливостей створення та керованого функціонування полімерматричних систем із різним ступенем дисперсного наповнення.
3.  Вперше показано, що науково обґрунтоване введення в полімерну матрицю модифікаторів, а в полімерматричну мультинаповнену систему інгредієнтів, що виконують армуючу функцію, дозволяє отримати матеріали зі стабільними фізико-механічними характеристики в діапазоні низького, середнього та високого наповнення, а застосування функціональних добавок – досягнути відповідних експлуатаційних характеристик на завершальному етапі їх створення.
4.  Вперше запропоновано новий метод пластмасографічного аналізу ЕКМ-систем шляхом плазмохімічної обробки поверхонь матеріалів у полі високочастотного газового розряду та подальшої їх УЗ-обробки.
5.  Розроблено новий метод оцінки адгезійно-міцнісних характеристик ЕКМ шляхом комплексного аналізу двовимірного цифрового зображення за допомогою програмного забезпечення.
6.  Вперше показано, що направлений комплексний технологічний та фізико-хімічний вплив на композиції на етапі їх створення дозволяє забезпечити керованість властивостей ЕКМ-систем при їх експлуатації за рахунок адаптації, що ініціює процеси самовідновлення.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Розроблено нові склади полімерних зв’язуючих, конструкційні різнофункціональні матеріали та покриття, які захищені відповідними патентами. Порівняльна оцінка представлених властивостей показала переваги створених матеріалів над світовими та вітчизняними аналогами.

2. Розроблені ЕКМ впроваджені у системах герметизації та забезпечення зносо- й корозійної стійкості у машинобудівній, хімічній, нафтопереробній, промисловості Волинської, Тернопільської, Черкаської областей та авіаційній промисловості м. Києва зі значним економічним ефектом.

3. Систематизовані результати досліджень використані в навчальному процесі при викладанні дисциплін “Матеріалознавство і технологія конструкційних матеріалів”, “Порошкові та композиційні матеріали” та інших споріднених дисциплін при підготовці фахівців в Луцькому національному технічному університеті за напрямом “Інженерне матеріалознавство”.

Особистий внесок здобувача. Надруковані наукові праці за темою дисертації виконані автором особисто [1-6, 49, 50] та у співавторстві [7-48, 51-56]. Основні наукові положення, висновки, рекомендації належать автору, який обрав науковий напрямок, визначив мету і задачі досліджень, запропонував теоретико-методологічні підходи, а також новітню методику пластмасографічного аналізу ЕКМ-систем, провів аналіз та узагальнення експериментальних результатів дослідження. Всі основні результати дисертаційної роботи отримано автором самостійно. У всіх колективних публікаціях зі співробітниками внесок автора є домінуючим.

У друкованих працях, опублікованих у співавторстві, автору належить таке: експериментально досліджено і теоретично обґрунтовано вплив структурного [10, 47] та фізичного [16, 21, 24, 27] модифікування епоксидних композицій на властивості отриманих матеріалів, встановлено закономірності впливу природи порошкових і волокнистих наповнювачів на процеси структуроутворення та властивості ЕКМ [25, 53], запропоновано методику обробки мікрошліфів на основі епоксидних композицій для оптимізації результатів мікроструктурних досліджень [7, 18], шляхом застосування методів математичного планування експериментально визначено оптимальний склад модифікованих мультинаповнених епоксидних композитів з різним ступенем дисперсного наповнення [19, 22, 33], проведена комплексна оцінка реологічних, фізико-механічних та теплофізичних властивостей ЕКМ-систем з різним ступенем наповнення [9, 12, 23, 28, 48], оптимізовано процес керованого функціонування ЕКМ-систем в умовах триботехнічного впливу [8, 13, 17, 20, 36, 51], охарактеризовано експлуатаційні властивості модифікованих мультинаповнених епоксидних композицій [14, 23, 30, 31, 34, 35], оптимізовано і обґрунтовано технологічні умови отримання ЕКМ-систем [11, 15, 19, 29, 52, 54], запропоновано методи й шляхи підвищення функціональних характеристик ЕКМ-систем [32, 45, 46, 56] та регулювання їх структури й властивостей [26, 55],  захищено патентами на винаходи й корисні моделі оптимізовані склади композицій та способи отримання виробів із них [37-44].

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідалися й обговорювалися на наукових симпозіумах, конференціях, семінарах, а також науково-технічних радах організацій та підприємств, у тому числі: на Міжнародному семінарі “Реологічні моделі та процеси деформування пористих і композиційних матеріалів”, (м. Луцьк, 1999 р.); Міжнародних науково-методичних конференціях “Интеграция образования, науки и производства”, (м. Луцьк, 2000 р. і 2001 р.); Міжнародній конференції “Современые материалы, технологии, оборудование и инструмент в машиностроении”,  (м. Киев, 2000 р.); Міжнародних науково-технічних конференціях “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях” (смт. Славське, 2001, 2008-2010 рр.); Міжнародних конференціях “Композиционные материалы в промышленности” (м. Ялта, 2001-2009 рр.); Міжнародній науково-технічній конференції “Сверхтвердые инструментальные материалы на рубеже тысячолетий: получение, свойства, применение”    (м. Київ, 2001 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Инженерия поверхности и реновация изделий” (м. Феодосія, 2001 р.); Міжнародних науково-технічних конференціях “Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин” (м. Хмельницький, 2001 р. і 2003 р.); 6-й і 9-й наукових конференціях Тернопільського державного технічного університету ім. І. Пулюя (м. Тернопіль, 2002 р. і 2005 р.); 4-му Міжнародному симпозіумі з трибофатики (м. Тернопіль, 2002 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Структурна релаксація у твердих тілах” (м. Вінниця, 2003 р.); I-й Міжнародній науково-технічній конференції (DSR AM-1) “Динаміка, міцність і надійність сільськогосподарських машин” (м. Тернопіль, 2004 р.); I-й та II-й Міжнародних науково-практичних конференціях “Теоретичні і експериментальні дослідження в технологіях сучасного матеріалознавства та машинобудування” (м. Луцьк, 2007 та 2009 рр.); IV-й науково-технічній конференції “Поступ у нафтогазопереробній та нафтохімічній промисловості” (м. Львів, 2007 р.); Міжнародних конференціях “HighMatTech” (м. Київ, 2007 та 2009 рр.); V-й Міжнародній науково-практичній конференції “Исследование, разработка и применение високих технологий в промышленности” (м. Санкт-Петербург, 2008 р.);  VIII-й Міжнародній науково-технічній конференції (м. Мінськ, 2008 р.);  IX-й Міжнародній науковій конференції-виставці “Проблеми корозії та протикорозійного захисту конструкційних матеріалів” (м. Львів, 2008 р.); Міжнародному симпозіумі “Инженерия поверхности: новые порошковые композиционные материалы. Сварка” (м. Мінськ, 2009 р.); XII-й Міжнародній конференції “Фізика і технологія тонких плівок і наносистем” (м. Івано-Франківськ, 2009 р.);  науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ЛНТУ в 1999-2009 роках.

Публікації. Основний зміст дисертації викладено у 103 публікаціях, у тому числі: 44 статтях у наукових і науково-технічних фахових журналах та збірниках (з них 36 у наукових виданнях, зареєстрованих ВАК України), 37 тезах доповідей і матеріалах науково-технічних конференцій, 22 патентах України на винаходи й корисні моделі.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, загальних висновків, додатків та списку використаних джерел з 310 найменувань. Обсяг основного тексту дисертації становить 178 сторінок. Повний обсяг дисертації складає 320 сторінок, в тому числі робота містить 102 рисунки, 28 таблиць.

Робота виконана в Луцькому національному технічному університеті на кафедрі матеріалознавства та обробки металів тиском. Низку фізичних та структурних досліджень проведено в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, Фізико-механічному інституті ім. Г. В. Карпенка НАН України, Рівненському гуманітарному університеті та Тернопільському національному педагогічному університеті ім. В. Гнатюка.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і завдання досліджень, наведено відомості про наукову новизну, практичне значення отриманих результатів та викладено основні положення, що виносяться на захист. Також наведено відомості про особистий внесок здобувача, апробацію та публікації основних результатів досліджень, описано структуру та зміст роботи.

У першому розділі охарактеризовано сучасний стан, проблеми та перспективи створення епоксидних композитів з різним ступенем наповнення. Показано існуючі підходи до розробки композитів на основі епоксидних олігомерів, які полягають у формуванні оптимальної структури композиту, що забезпечує його високі техніко-експлуатаційні характеристики. Розкрито значення модифікування епоксидних смол кремнійорганічними та іншими полімерами з метою регулювання параметрів структурної сітки та отримання матеріалу з наперед заданими властивостями. Проаналізовано фізико-хімічні процеси при формуванні епоксидних композитів з різним ступенем дисперсного наповнення. Обгрунтовано введення до складу полімерної матриці модифікаторів, порошкових та волокнистих наповнювачів, що дозволяє підвищити функціональні властивості та розширити сферу використання полімеркомпозитів. Проаналізовано вплив технологічних режимів формування на структуру та властивості епоксикомпозитів.

Охарактеризовано способи компенсації негативного впливу теплових полів при трибовзаємодії шляхом цілеспрямованого підбору добавок, які за підвищених температур беруть участь у процесах структурування, в результаті чого підвищується термостійкість матеріалу, або обумовлюють формування на поверхні контртіла плівок переносу, які забезпечують стабільність протікання фрикційних процесів у зоні трибоконтакту. Розкрито значення фрикційного переносу в механізмі самозмащування полімеркомпозитів і забезпеченні довговічності роботи вузлів тертя ковзання. Проаналізовано процеси в трибологічних системах, охарактеризовано величину і характер їх впливу при терті.

Показано доцільність використання зовнішніх енергетичних полів при формуванні матеріалу з метою покращення фізико-механічних характеристик  епоксикомпозитів за рахунок виникнення сприятливих умов для протікання фізико-хімічної взаємодії між складовими системи.

Сформульовано основні задачі, які необхідно розв’язати для вирішення проблеми отримання нових ЕКМ-систем з керованими властивостями.

У другому розділі охарактеризовано вибрані матеріали та методи досліджень.

Як вихідний матеріал матриці використано епоксидно-діанову смолу марки ЕД-20 (ГОСТ 10587-84), що твердне при нормальній або підвищених температурах без зовнішнього тиску, забезпечує високу щільність матеріалів. Для отвердіння епоксидних композицій застосовували поліетиленполіамін – ПЕПА (ТУ 6-05-241-202-78).

Як модифікатори застосували кремнійорганічні лаки марок КО-921, КО-08К, КО-915Б, КО-978, КО-075 та продукт часткової поліконденсації лаку КО-08К (ТКОС), а також дигліциділовий ефір диетиленгліколю  (ДЕГ-1) та полідиетилакрилат (ПДЕА-4).

Для наповнення композицій використовували вуглецеве волокно (ВВ), базальтові тонке (БТВ) та супертонке (БСТВ) волокна, базальтову луску (БЛ), порошки технічного (ТГ), силіційованого (СГ) і лускатого (ЛГ) графітів, фторопласту (ВДФ), карбіду титану (TiC), оксиду міді (CuO) та ШХ15 дисперсністю від 0,05-0,1 до 90-125 мкм.

При введенні твердофазних компонентів зразки матеріалів були поділені на групи залежно від ступеня поліфункціонального наповнення: мало-, середньо- та високонаповнені. В еквіваленті масових часток (відносно 100 мас. ч. епоксидного зв’язуючого) це складає 0,5-12, 12-100, 100 і більше, а в об’ємному співвідношенні – відповідно 0,05-8% (об.),       8-30% (об.) та понад 30% (об.) наповнювача.

Композиції формували методом гідродинамічного суміщення компонентів з наступною обробкою енергетичними полями. При цьому використано установки для обробки епоксикомпозитів на стадії формування ультразвуком, ультрафіолетовим опроміненням та магнітним полем.

Степінь отвердіння матеріалів визначали за вмістом гель-золь-фракцій шляхом виявлення не зв’язаних в полімерну сітку фрагментів на екстракторі Соксклета.

Для дослідження молекулярної взаємодії при структуроутворенні полімеркомпозитів, а також для виявлення впливу наповнювачів на хімічні і структурні перетворення у полімері на межі поділу фаз використано метод ІЧ-спектроскопії. ІЧ-спектри знімали на спектрометрі марки “Spekord 75” в області частот 400-4000 см–1 двопроменевим методом у відбитому світлі.

В’язко-пружні властивості (модулі пружності, зсуву та коефіцієнт Пуассона) і структуру ЕКМ оцінювали імпульсним ультразвуковим методом за допомогою диференціальної кювети та ультразвукового приладу за методикою Б. С. Колупаєва.  

Структурні зміни та процеси термоокислювальної деструкції епоксикремнійорганічних композитів вивчали також методом диференційно-термічного аналізу на дериватографі системи Ф. Паулік, І. Паулік, Л. Ердей. Нагрів здійснювали на повітрі в динамічному режимі зі швидкістю 10 град/хв в інтервалі температур 293-773 К.

Діелектричну проникність і тангенс кута діелектричних втрат при термостатуванні ЕКМ визначали за допомогою моста змінного струму    Е7-14 для частот 0,1, 1 і 10 кГц згідно з ГОСТ 6433.4-71.

Дослідження отриманих макро- та мікроструктур епоксидних композитів проводили на оптичному мікроскопі МБС-9 при збільшенні (×30-100) та металографічному мікроскопі МИМ-10 (×100-600). Характер розвиненості поверхонь часток, розподіл структурних складових в об’ємі матеріалу, наявність дефектів у системі аналізували на модульному комплексі Dimic 1000, що становить оптичну 3D-систему контролю.

Дослідження структур ЕКМ проводили методом пластмасографії шляхом аналізу отриманих зображень після додаткової комплексної  плазмохімічної обробки поверхні шліфів у полі високоіонізованого газового розряду на установці ВУП-5М та подальшого промивання зразків в ультразвуковій ванні у середовищі етилового спирту.

Фрактограми зламу досліджували на скануючому електронному мікроскопі SUPERPROBE 733 (фірми JEOL, Японія) при прискорюючій напрузі 25 кВ.

Границю адгезійної міцності за нормального відриву визначали за ГОСТ 14759-69. Досліджуваний матеріал наносили на торцеву поверхню стрижнів (грибків) з конічним виступом для самоцентрування. Дослідження проводили на розривній машині марки УММ-5 при швидкості переміщення нижньої траверси 2 мм/хв.

Реологічні властивості низько- та середньонаповнених ЕКМ вивчали за стандартними методиками, а високонаповнених згідно розробленої методики, що побудована на встановлені оптимальної кількості зв’язуючого шляхом визначення максимальної довжини частини зразка при консольному зламі.

Визначення фізико-механічних та теплофізичних характеристик проводили за стандартними методиками.

Для визначення міцності захисних покриттів при ударі застосовували прилад УТ-1 (ГОСТ 25812-83).

Внутрішні напруження у сформованих композиціях визначали консольним методом за ГОСТ 13036-67, який базується на вимірюванні відхилення від початкового положення вільного кінця консольно закріпленої  пружної металевої пластини під дією внутрішніх напружень, які виникають у покриттях.

Дослідження триботехнічних характеристик проводили на машинах тертя М-22П, СМЦ-2 та модернізованій установці 2070 СМТ-1 за схемою “диск-сегмент втулки” в умовах сухого тертя. При цьому на СМЦ-2 фіксували величину спрацювання ЕКМ за вагою та визначали коефіцієнт тертя, а на М-22П – одночасно ваговий і лінійний знос ЕКМ та контртіла, а також коефіцієнт тертя. Визначення температури в зоні тертя здійснювали введенням термопари “хромель-копель” у дослідний зразок на відстані  0,5-1 мм від поверхні тертя. Аналіз топографії поверхонь трибоконтакту здійснювали на скануючому електронному мікроскопі SUPERPROBE 733 та модульному комплексі Dimic 1000.

У третьому роздiлi охарактеризовано процеси структуроутворення в ЕКМ залежно від природи і морфологічних особливостей вибраних інгредієнтів системи та їх кількісного співвідношення. На основі узагальнених результатів експериментальних досліджень сформульовано принципи створення та оцінки мультинаповнених композиційних матеріалів на епоксиполімерній основі: забезпечення цілісності системи, єдності структурних та функціональних складових ЕКМ; забезпечення термодинамічної, механічної та кінетичної сумісності інгредієнтів полімернаповненої композиційної системи; врахування ефекту самоорганізації; формування запасу міцності при створенні матеріалу, що реалізується в умовах тривалої експлуатації; забезпечення оптимального ступеня наповнення варіюванням степеня дисперсності та природи інгредієнтів. Виділено п’ять основних рівнів взаємодії в ЕКМ-системі: епоксидний олігомер – зшиваючий агент-твердник; епоксидний олігомер – модифікатор – твердник; епоксидний олігомер – модифікатор – твердник – наповнювач; епоксидний олігомер – модифікатор – твердник – мультинаповнювач (з додатковим акцентом на взаємодію між наповнювачами); епоксидний олігомер – модифікатор – твердник – мультинаповнювач – розчинник. Для них визначено основні індикативні методи оцінки.

Запропоновано класифікаційний поділ матеріалів на групи залежно від ступеня поліфункціонального наповнення: мало-, середньо- та високонаповнені. Для кожної групи виділені характерні особливості-домінанти, що позначаються на їх структурі та властивостях.  

Для першої групи відзначена важливість реологічних властивостей (седиментація, тиксотропія, життєздатність) композицій та їх чутливість до природи матеріалу частинок. Так, активізацію седиментаційних процесів із збільшенням маси окремо взятого інгредієнта можна локалізувати шляхом зменшення життєздатності систем. Тому найбільш ефективним способом реалізації таких композицій є їх застосування як покриттів, оптимальному формуванню яких сприяє стабільний пік максимуму адгезійної міцності та монотонно зростаючі параметри фізико-механічних характеристик в інтервалі наповнення до 6-12 мас. ч. Для такої типової системи (рис. 1, а) показник гель-фракцій є найвищим: у випадку використання комплексу наповнювачів (рис. 2) та додаткового прикладання енергетичних полів (рис. 3) перебуває у межах 92,6-92,8%.

Для досягнення оптимальних функціональних характеристик середньонаповненої ЕКМ-системи (рис. 1, б) вирішальним є врахування реологічних параметрів зв’язуючого, фізико-механічних властивостей і стехіометричного співвідношення інгредієнтів наповнення. Зростає також вплив технології отримання та її окремих складових (ступінчастий режим термічної обробки, механічне вимішування композицій тощо) на властивості композиту.

Для високонаповненої ЕКМ-системи (рис. 1, в), де зв’язуюче представлене тонкими граничними шарами, особливого значення набуває природа інгредієнтів наповнення та їх властивості (розвиненість поверхні частинок, фізико-хімічна активність складових тощо). Ці чинники також є вагомими для забезпечення стабільності отриманих характеристик.

 Забезпечення надійного з’єднання наповнювачів і полімерної матриці досягається за рахунок оптимальної структурованості ЕКМ у процесі їх формування. Цей показник відображає забезпечення необхідної термодинамічної, кінетичної та механічної сумісності інгредієнтів системи, досягнення максимальної фізико-хімічної взаємодії на межі розділу зв’язуюче-наповнювачі та однорідності в макрооб’ємі композиту, мінімізації дефектів структури тощо.

При дослідженні структурованості ЕКМ за ступенем зшивання сітки зв’язуючого було встановлено низку закономірностей: зі збільшенням кількості наповнювача понад 2-5 мас. ч. вказана характеристика монотонно знижується за рахунок зменшення сегментної рухливості ланок полімерного ланцюга; у діапазоні незначного та середнього наповнення ця характеристика малочутлива до природи наповнювачів; кількість гель-фракцій у системі достатньо чутлива до зовнішнього енергетичного впливу. Встановлено наявність взаємозв’язку між інтенсивністю фізичного модифікування і структурованістю матеріалу. При обробці відбувається дегазація полімеру, підвищується степінь змочування наповнювачів, інтенсифікуються кавітаційні процеси, що забезпечують активацію макромолекул за рахунок виникнення вільних активних радикалів.

У зв’язку з тим, що видимі дефекти-включення на поверхні шліфів з ЕКМ та пори, забруднені продуктами спрацювання при підготовці зразків для мікроскопічного аналізу не дозволяють достатньо оцінити характер взаємодії на межі полімер-наповнювачі та розвиненість поверхонь часток за їх профілем при пластмасографічному аналізі запропоновано комплексний механо-хімічний вплив на досліджувані поверхні. Для усунення фрагментів розмазаного графіту чи інших продуктів шліфування та полірування проводили плазмохімічну обробку поверхні полімерних шліфів у полі високоіонізованого газового розряду на установці типу  ВУП-5М. При цьому оптимально підібраний режим обробки не змінює структуру матеріалу, а лише дозволяє видалити продукти спрацювання, що утворились при механічній обробці досліджуваних поверхонь (рис. 4, а,б). На заключному етапі зразки промивали в ультразвуковій ванні (прилад METASON 60 фірми STRUERS при оптимальному режимі 10 хв.) у різних середовищах. Найкращі результати забезпечила обробка у середовищі етилового спирту. Показано, що додаткова ультразвукова обробка поверхні композитів сприяє її більш якісному очищенню від графітових та інших включень, відповідній якості отриманого текстурного фрагменту, особливо на границі фаз системи епоксидна матриця-наповнювач (рис. 4, в).

Адгезійно-міцнісні характеристики клейової системи, адгезійну здатність захисних покриттів на основі малонаповнених ЕКМ до матеріалу субстрату оцінювали виміром границі міцності при розтязі (метод “грибків”). При аналізі поверхонь руйнування клейового шва (рис. 5, а) для підвищення контрастності зображень розроблено технологію з використанням індикативної речовини. Оцінку адгезійної міцності проводили як методом “грибків”, так і за відносною площею поверхні розриву за допомогою комп’ютерної програми Photom 3.1.1. При цьому для отримання контрасту між клейовою композицією і поверхнею металу проводили травлення першої шляхом нанесення на досліджувану поверхню індикаторної речовини (розчин йоду). Після цього здійснювали технологічну витримку зразків протягом однієї доби (рис. 5, б). Остаточно за допомогою комп’ютерних програм Adobe Photoshop і Photom 3.1.1 отримане зображення (рис. 5, в) обробляли для кількісного відсоткового аналізу компонентів і оцінки міцнісних характеристик клейового шва.

У четвертому роздiлi представлено результати розробки нових ЕКМ. Встановлено оптимальний вміст твердника, модифікаторів, наповнювачів та визначено ефективні параметри температурно-часових режимів твердіння отриманих композиційних матеріалів.

Вивчено вплив модифікаторів на вміст гель-фракції та внутрішні напруження термічно обробленого епоксиполімеру при різному вмісті твердника. Результати визначення оптимального вмісту кремнійорганічних сполук у системах “епоксидна смола – твердник”  на прикладі введення в систему лаку КО-921 та КО-08К представлені на рис. 6. Найвищі значення степені структурованості зафіксовано для немодифікованих епоксиполімерів з вмістом твердника 13 мас. ч. (G = 93,7%), а найнижчі – при 11 мас. ч. (G = 90,2%) (див. рис. 6, а). Введення модифікатора знижує степінь структурування епоксидних полімерів пропорційно вмісту добавки, про що свідчить зниження вмісту гель-фракції у системі на 3,4-3,9%. Високі значення степеня структурування при вмісті твердника  13 мас. ч. пов’язані з утворенням максимальної кількості можливих хімічних зв’язків, а низькі – свідчать про недостатню кількість ПЕПА (11 мас. ч.) для структурування полімеру. Найвищі внутрішні напруження (див. рис. 6, б) зафіксовано для немодифікованих епоксиполімерів з вмістом твердника 13 мас. ч. (σвн = 0,61 МПа), а найнижчі – з його вмістом 11 мас. ч. (σвн = 0,29 МПа). Модифікатор з концентраціями до 10 мас. ч., а також 30 та 40 мас. ч. для епоксикремнійорганічних полімерів з вмістом ПЕПА 11, 12, 13 мас. ч. відповідно призводить до зниження величини внутрішніх напружень.

Результати досліджень також показали, що природа кремнійорганічних сполук не суттєво впливає на степінь зшивання структурної сітки зв’язуючого та його адгезійні властивості. При цьому зона оптимуму перебуває у межах 10-30 мас. ч. на 100 мас. ч. епоксидного олігомеру.

Мікроструктурні дослідження (рис. 7) підтверджують активну взаємодію між модифікаторами та епоксидним олігомером.

Дослідження адгезійної міцності епоксидних полімерів при розтязі методом “грибків” та за відсотковим співвідношенням площі поверхні розриву при введенні в композицію модифікаторів ПДЕА та ДЕГ-1 призвели до отримання симетричних залежностей (рис. 8).

У цілому (таблиця 1), вплив розчинів кремнійорганічних смол при введенні модифікаторів в кількості 20-30 мас. ч. має такий характер: адгезійна міцність зростає на 13-20%, межа міцності при стисканні знижується на 30-40%, теплостійкість погіршується на 20-25%, вміст гель-фракції знижується на 7-12%, ударна в’язкість збільшується на 10-15%.

При цьому оптимальним є введення 20-30 мас. ч. лаку і 10-15 мас. ч. ТКОС на 100 мас. ч. епоксидного полімеру при ступінчастому режимі термостатування.

Таблиця 1

Фізико-механічні властивості модифікованих епоксикомпозитів

Моди-фікуючі компо-ненти	Властивості
		Масовий відсоток нелетких речовин, %	Теплостій-кість (за Мартен-сом),˚С	Структу-рованість, %	Адгезій-на міц-ність, МПа	Ударна в’яз-кість, кДж/м2	Міцність при стис-канні, МПа
–	99	107	98,06	21,83	7,35	135,15
КО-08К	56±2	78 75	87,34 89,17	25,15 26,32	8,56 8,13	87,7 71,76
КО-978	50±1	81 76	91,77 94,28	24,58  22,69	8,52 8,06	96,8 85,04
КО-075	37±3	83 79	90,59 92,45	26,82  20,5	8,64 8,29	97,26 86,88
ТКОС	96-98	128 136	97,2* 97,92**	30,13 26,75	10,09 9,81	101,86* 94,44**

Примітка: чисельник – 20 мас. ч. лаку (або 10 мас. ч.  ТКОС) на       100 мас. ч. ЕД-20; знаменник – 30 мас. ч. лаку (або 20 мас. ч.  ТКОС) на  100 мас. ч. ЕД-20; * – 20 мас. ч. лаку на 100 мас. ч. ЕД-20; ** – 30 мас. ч. лаку на 100 мас. ч. ЕД-20.

Отримані експериментальні дані фізико-механічних (таблиця 2) та структурних досліджень підтвердили позитивний зміцнювальний вплив фактора наповнення на функціональну стабільність отриманих систем.

Таблиця 2

Вплив природи наповнювачів та ступеня наповнення системи на фізико-механічні характеристики ЕКМ

Напов-нювач	Ступінь наповнення, мас. ч.	Адгезійна міцність при розриві, МПа	Модуль пружності, ГПа	Ударна в’язкість, кДж/м2
–	–	22,6	3,4	7,6
ЛГ	низький	22,4	3,5	8,7
		середній	21,1	3,7	7,1
		високий	18,2	3,3	5,5
	ВДФ	низький	22,9	3,6	8,9
		середній	21,4	3,8	9,3
		високий	19,7	3,7	8,8
	CuO	низький	38,8	3,5	9,4
		середній	39,2	3,8	9,8
		високий	37,7	3,9	10,3
	ВВ	низький	41,1	3,6	10,5
		середній	42,3	4,0	11,1
		високий	40,8	4,2	12,9

Слід констатувати, що волокнисті наповнювачі та інгредієнти з більш розвинутою поверхнею часток демонструють вищу активність у діапазоні незначного наповнення. Надалі, із збільшенням ступеня наповнення діапазон зміни значень отриманих характеристик суттєво розширюється за рахунок активізації впливу присутніх частинок. У цілому відбувається зниження конструкційної міцності ЕКМ, однак до певної межі це є прийнятним, оскільки компенсується набуттям системою ряду позитивних ознак та характеристик (теплоізоляційні, антифрикційні властивості тощо).

Надлишкове збільшення вмісту наповнювачів, незалежно від їх природи, зумовлює погіршення фізико-механічних властивостей. Зокрема, фрактограми зламу композитів, наповнених дисперсними частками оксиду міді, вказують на суттєвий вплив твердої фази на структурні перетворення при формуванні ЕКМ. Такі композити із вмістом 15-30 мас. ч. оксиду міді характеризуються значним напруженим станом, що підтверджується наявністю значної кількості ліній сколювання у полімерній матриці. Збільшення вмісту дисперсних часток до 50-80 мас. ч. призводить до седиментації дисперсного порошку в об’ємі полімеру, що також ініціює виникнення значних залишкових напружень та формування термодинамічно неврівноваженої системи. Зазначимо, що композити з оксидом міді характеризуються високими значеннями руйнівного напруження, модуля пружності при згинанні й ударної в’язкості порівняно з аналогічними властивостями епоксикомпозитів з іншими дослідженими наповнювачами (див. табл. 2).

Введення наповнювачів до епоксидної матриці в оптимальному співвідношенні призводить до зниження термічного коефіцієнта лінійного розширення (ТКЛР) у 1,7 рази порівняно з ненаповненою системою.

Методом ДТА встановлено, що межа теплостійкості системи для епоксиполімеру становить 390 К, а для епоксидного композиту – 420 К. Це свідчить про стабільність наповненої системи при вищих температурах.

Недоліки, що мають місце в мононаповненій епоксикомпозитній системі, значною мірою нівелюються при двокомпонентному наповненні епоксиполімерної матриці. Розташовані в агломератах більш масивних часток CuO (63 мкм) дрібнодисперсні частки ЛГ або ВДФ (5-20 мкм) забезпечують підвищену седиментаційну стійкість ЕКМ-систем, а в композиції з вуглецевими або базальтовими волокнами зменшують дефектність структури та розбіжність властивостей. Результати фактографічного аналізу взаємодії на межі поділу фаз в ЕКМ-системах (рис. 9, 10) показали, що досягнення оптимальної взаємодії між інгредієнтами в мультинаповнених системах є результатом оптимізованих технологічних підходів при формуванні та врахування критеріїв сумісності складових композиційного матеріалу.

Зміцнювальний вплив на ЕКМ-систему у випадку мультинаповнення (рис. 11) пов’язаний із збільшенням активності структурних складових при формуванні, що зростає при прикладанні енергетичних полів. З одного боку, це збільшення впорядкованості елементів (наприклад, зменшення розмірів агломератів високодисперсних складових або орієнтованості волокон), а з другого – підвищення фізико-хімічної взаємодії на межі фаз, що пов’язано з новоутворенням та підвищенням активності вільних радикалів полімеру в контакті із звільненими від оксидних плівок молекулярними структурами інгредієнтів наповнення.

Методами ІЧ-спекстроскопії та ДТА підтверджено, що у випадку наповнення ЕКМ полідисперсними частинками із збільшенням ступеня наповнення зростає фізико-хімічна взаємодія у структурній ланці зв’язуюче-мультифазний наповнювач та термодинамічна стабільність системи в цілому із зміщенням на 4-8% межі термодеструкції у напрямку вищих температур. При цьому поєднання частинок різної дисперсності (високодисперсний кабід титану в суміші з порошком ШХ15 або волокнами БСТВ, які мають добре розвинену поверхню) дозволяє досягнути оптимальних функціональних характеристик.

Залежно від ступеня наповнення ЕКМ-системи нами розроблено рекомендації щодо вибору відповідних технологій формування таких матеріалів (табл. 3). Перераховані технології отримання є базовими і потребують додаткових технологічних процедур (термічна, термомеханічна, УЗ-обробка тощо) для досягнення оптимуму властивостей. Серед факторів впливу на ЕКМ насамперед слід виділити властивості інгредієнтів системи та ступінь сумісності між ними.

Таблиця 3

Технологічні схеми отримання ЕКМ-систем з різним ступенем наповнення

Ступінь наповнення	Основні технології отримання	Найвагоміші фактори впливу
Мало-наповнена	Гідродинамічне напилення, вільна заливка у форми, лиття під тиском	Природа зв’язуючого, крайовий кут змочування, в’язкість композиції, шорст-кість поверхні, життєздатність композиції, седиментація
Середньо-наповнена	Ручне та автоматизоване викладання, формування з еластичною діафрагмою, просочення у вакуумі та під тиском, формування намотуванням, лиття під тиском	Природа зв’язуючого та наповнювачів, присутність розчинника, сумісність інгредієнтів наповнення
Високо-наповнена	Лиття під тиском, пресування, вібраційне формування, високошвидкісне (динамічне) формування	Природа наповнювачів, сумісність інгредієнтів наповнення, тиск виштовхування, пружна післядія, бічний тиск, залишкові напруження

У п’ятому розділі показано ефективність впливу комплексного модифікуючого фактора при додатковій обробці систем фізичними полями на процеси структуроутворення, реологічні, фізико-механічні та експлуатаційні характеристики ЕКМ, а також способи керування структурою, умови стабілізації фрикційних характеристик та утворення самоорганізуючих стійких плівок переносу при навантаженні тертям.

Встановлено, що ведення кремнійорганічних модифікаторів, незалежно від їх природи, забезпечує вищу термостабільність системи в інтервалі температур 323-463 К порівняно з немодифікованим полімером. Про це свідчить початок ендотермічного ефекту за температури 323 К для епоксидного полімеру та 463 К – для епоксикремнійорганічної матриці, що підтверджується результатами ДТА. Він пов’язаний з частковим плавленням системи через незавершеність процесів структурування, тому модифікований ЕКМ стабільніший до високих температур, в порівнянні з епоксидними полімерами. Максимуми на кривих термічних ефектів у діапазоні температур 533-573 К свідчать про процеси термоокислювальної деструкції, які в основному пов’язані з руйнуванням епоксидної складової.

Важливе значення для формування необхідної структури ЕКМ мають такі параметри технологічного процесу, як тривалість циклів термічної обробки і швидкість нагріву. Найвища степінь структурованості термічно обробленого епоксикремнійорганічного полімеру (Ткін = 483 К) характерна при повільному нагріві матеріалу із швидкістю 7 К/хв протягом 4-х год. При нагріві зі швидкістю 42 К/хв максимальне тверднення відбувається через 5 год. Це пов’язано з тим, що при швидкому нагріві частина епоксидної матриці залишається у неструктурованому стані через локальне утворення первинних вузлів зшивання, які змінюють реологічний стан системи та блокують структуроутворюючий процес.

Оптимальні характеристики ЕКМ забезпечує ступінчастий нагрів за рахунок максимально повного структурування (G = 94,3%) системи. При повільному нагріві створюються умови для зниження внутрішніх напружень (σвн = 0,18 МПа); формування тривимірної сітки відбувається рівномірно з достатнім часом для конформаційних перетворень, що підтверджують результати фрактографічного аналізу.

Комплексний УЗ- та УФ вплив дозволив підвищити степінь структурування епоксикремнійорганічного композиту (G = 95,7%) внаслідок утворення додаткових вузлів зшивання між активними групами на поверхні наповнювача та функціональними групами епоксикремнійорганічної компоненти.

Обробка у фізичних полях ініціювала також підвищення фізико-механічних характеристик композитів (табл. 4). Вищі значення адгезійної міцності, межі міцності при стисканні та твердості отримано після обробки ультрафіолетовим опроміненням епоксикремнійорганічної матриці на стадії формування порівняно з ультразвуковою обробкою. Це пов’язано з формуванням нових функціональних груп епоксидної та кремнійорганічної складових внаслідок крекінгу макромолекул, що призводить до утворення додаткових вузлів зшивання, а також з  підвищенням упорядкованості системи, оскільки обробка ультразвуком забезпечила додаткове механічне перемішування складових на мікрорівні. Це в свою чергу призвело до зменшення кількості пор в обробленому композиті, що підтверджено результатами фрактографічного аналізу.

Таблиця 4

Фізико-механічні характеристики ЕКМ після обробки у фізичних полях

Вид обробки	Адгезійна міцність, МПа	Міцність при стисканні, МПа	Твердість НВ, МПа	Ударна міцність, Дж
–	39,3/41,3	58,9/60,3	10,9/14,5	28,8/31,1
УЗ-обробка	40,4/44,6	60,5/61,8	14,4/16,0	34,9/37,9
УФ-обробка	41,2/45,9	63,4/62,2	15,3/16,8	30,4/35,6
Комплексна обробка	43,7/49,3	65,6/66,7	17,5/18,9	37,0/39,4

Примітка: чисельник – ЕКМ модифікований КО-08К, а знаменник – ТКОС

Методом математичного планування експерименту (модель Бокса-Уілсона) оптимізовано склад мультифазних мало-, середньо-, та високонаповнених ЕКМ-систем. Для малонаповнених композицій найбільш прийнятною для оцінки є адгезійна міцність. Отримані моделі показали, що зона оптимуму досліджуваної характеристики знаходиться в межах 29-34 МПа, незалежно від природи вибраних інгредієнтів та їх кількості. У випадку використання більше чотирьох інгредієнтів наповнення модель стає менш чутливою до природи компонентів, що дозволяє використовувати матрицю дробного факторного експерименту.

Із збільшенням ступеня наповнення понад 50 мас. ч. важливого значення набуває оцінка структурних зв’язків не лише на межі контакту системи з зовнішнім середовищем, але й взаємодії між структурними елементами всередині неї. Їх індикатором є як механічні (межа міцності при згинанні, твердість тощо), так і фізичні параметри (теплостійкість, тангенс кута діелектричних втрат). Отримання оптимально структурованої та взаємозв’язаної системи підтверджено комплексною оцінкою таких параметрів на реалізованих моделях.

У випадку мультинаповнення для зниження розходження значень досліджуваних параметрів в отриманих математичних моделях необхідне зменшення меж інтервалів варіювання при виборі відповідних інгредієнтів-факторів впливу.

Із збільшенням ступеня наповнення понад 100 мас. ч. найвагомішими є когезійна міцність системи та її взаємозв’язок з технологією отримання.   

При оптимізації впливу енергетичних полів на властивості ЕКМ-систем показана наявність зв'язку між інтенсивністю фізичного модифікування, його послідовністю і якістю набутих матеріалами властивостей, який підсилюється при збільшенні ступеня наповнення композицій.

Так, при обробці мало-, та середньонаповнених ЕКМ найбільш значущими факторами є дегазація полімеру, підвищення змочування наповнювачів і кавітаційні процеси, які забезпечують активацію макромолекул за рахунок виникнення вільних активних радикалів. Для високонаповнених ЕКМ-систем насамперед показові збільшення сумарної площі змочування полімером фрагментів поверхонь наповнювачів і інтенсивність фізико-хімічної взаємодії на межі розділу фаз.

Методом ДТА зафіксовано підвищення термостійкості епоксикомпозитів, оскільки кремнійорганічні сполуки виконують функцію поверхневих бар'єрів, уповільнюючи процеси термоокислювальної деструкції в системі (рис. 12). Термограми ЕКМ показали, що значення термостійкості для приведених систем корелюють з результатами фізико-механічних досліджень. Для модифікованих композицій характерне існування додаткових екзотермічних піків, які зміщені у напрямі вищих температур на 12-22° з 310°С до 350°С, а втрати маси менше на 4-8%.

Мінімум на кривих зношування оптимізованих ЕКМ, термічно оброблених при температурі 483 К, спостерігається у разі введення         30-35 мас. ч. кремнійорганічних лаків і пояснюється ефектом самоорганізованого формування плівки переносу у вузлах тертя при оптимальних умовах. Це породжує стабілізацію фрикційних характеристик ЕКМ для такого роду контакту та підтверджено результатами електронної мікроскопії. Оптимум зносостійкості зафіксований при застосуванні термічно обробленого модифікатора ТКОС за рахунок спрацювання ефекту “адаптації”  до попередньо термічного впливу в зоні максимальних для епоксикремнійорганічної компоненти температур.

У випадку фрикційної взаємодії модифікованого ЕКМ матриця має вищу термостійкість і це сповільнює процеси термічної деструкції. Відповідно, окислення поверхні контртіла є незначним, забезпечується тривале існування ювенільної поверхні і зростає ймовірність формування фрагментів плівки переносу як на поверхні металевого контртіла, так і на спряженій поверхні (рис. 13).

Методом математичного планування експерименту оптимізовано трибологічні властивості ЕКМ-систем в повному діапазоні наповнення. Здійснена оцінка впливу як структурних компонентів (рис. 14), так і фізичних чинників на зносостійкість в умовах сухого тертя ковзання. Зокрема, шляхом підбору порошкових і волокнистого, низько- та високодисперсних інгредієнтів при чотирьохкомпонентному наповненні (X1 – ЛГ, X2 – CuO, X3 – ВДФ, X4 – ВВ; мас. ч.) було досягнуто високої зносостійкості та отримано таку математичну модель:

Υ = 8,5 – 1,33X1 + 0,96X2 – 3,83X3 – 3,5X4 + 0,98X1X3 + 1,46X3X4

Структурна модифікація та комплексна обробка композицій забезпечила підвищення зносостійкості в 1,6-1,8 раза. Встановлено кореляцію між триботехнічними і фізико-механічними характериcтиками досліджуваних систем, зокрема пропорційне зростання показників зносостійкості, границі міцності при стисканні при збільшенні температури полімеризації до 483 К, а також їх підвищення при комплексній обробці фізичними полями, що особливо відчутно при жорсткіших режимах фрикційного навантаження (Р ≥ 1 МПа).

При аналізі триботехнічних властивостей ЕКМ-систем різного ступеня наповнення встановлено, що для малонаповнених систем спостерігається відчутній вплив природи зв’язуючого на досліджувані характеристики. Відмічено стабільно високі значення коефіцієнту тертя (f = 0,2-0,36) та інтенсивності зношування, що пов’язано із недостатньою теплопровідністю такої системи. Застосування твердозмащуючих компонентів в композиції є лише ефективним при низькій потужності тертя (Pv < 1 МПа × м/с), а кремнійорганічні модифікатори здатні лише частково продовжити ресурс роботи матеріалів цієї групи за рахунок збільшення термостійкості та втомної міцності. Підтвердженням цьому є результати дериватографічного аналізу та мікростуктурних досліджень фрактограм зламу. Експлуатація ЕКМ доцільна при зміні конструкції вузла тертя шляхом формування багатошарових покриттів. Це забезпечує більш інтенсивне тепловідведення та підвищує його навантажувальну здатність.

Для середньонаповнених систем особливої ваги набувають технологічні режими їх отримання, зокрема додаткова обробка енергетичними полями, а також відчутній вплив природи та кількості модифікуючих складових полімерного зв’язуючого.

Показано, що направлене введення в епоксиполімерну систему кремнійорганічних складових в оптимальних кількостях при додатковому термічному впливі дозволяє отримати ЕКМ з найвищою зносостійкістю       (Іg  = 0,3-0,5 мг/км при Р = 1,2 МПа та v = 1,5 м/с) за рахунок оптимальної щільності структурної сітки та протікання процесів самоорганізації при навантаженні тертям.

Найбільш актуальними параметрами варіювання триботехнічних характеристик високонаповнених  систем є природа і властивості наповнювачів (зокрема, розмірність і характер розвиненості поверхні частинок), а також режими термічної обробки ЕКМ. Саме у високонаповнених системах є найбільш можливою реалізація процесів самоорганізації, що найбільш чутливі до технологічних та конструктивних змін. Експериментально доведено, що найвищі антифрикційні характеристики притаманні ЕКМ із ступенем наповнення понад 100 мас. ч. (30-40 об. %) при Pv = 2,0-2,5 МПа × м/с. При цьому для таких систем характерні 2 зони оптимуму: перша відображає здатність фрикційних добавок ефективно виконувати закладену в них функцію, а друга – пов’язана із процесами адаптації системи на етапі її створення (попередня обробка інгредієнтів та композицій в цілому енергетичними полями).

Приклади триботехнічних характеристик типових ЕКМ-систем з різним ступенем наповнення наведені в таблиці 5. Серед них представлені епоксикремнійорганічні композити, наповнені оксидом міді, лускатим графітом, фторопластом та вуглецевим волокном при оптимальному концентраційному співвідношенні, визначеному методом багатофакторного планування експерименту.

Отримані триботехнічні характеристики підтвердили працездатність середньо- та високонаповнених ЕКМ в умовах тертя ковзання без змащування.

Таблиця 5

Триботехнічні характеристики ЕКМ при швидкості ковзання v = 1 м/с та навантаженні 1 МПа / 2 МПа

Тип системи	Коефіцієнт тертя	Лінійний знос пари тертя Іh, мкм/км	Ваговий знос Іg, мг/км
						зразок	контр-тіло
Малонаповнена (10 мас. ч.)	0,32 0,36	10,2 10,9	0,51 0,82	0,34 0,39
Середньонаповнена     (50 мас. ч.)	0,24 0,30	6,1 6,6	0,30 0,37	0,12 0,16
Високонаповнена (100 мас. ч.)	0,15 0,22	5,9 6,9	0,42 0,46	0,14 0,18

У шостому розділі представлено технології отримання ЕКМ та покриттів на їх основі, методи покращення властивостей та результати впровадження розроблених ЕКМ-систем. 

Створено ЕКМ-системи різного функційного призначення. Захищено патентами полімерні зв’язуючі ЕКМ-систем на базі оптимізованих композицій, отриманих у результаті структурної та фізичної модифікації (патенти №№ 57994А, 71272А, 31129, 36796, 37236, 38797, 40405, 45630).

Виходячи із порівняльних результатів з прототипами показано, що присутність в епоксидному полімері кремнійорганічних модифікаторів суттєво підвищило фізико-механічні та теплофізичні характеристики систем заявлених складів. Позитивний зміцнювальний вплив термічної та фізичної модифікації на властивості полімерних зв’язуючих найбільш наочний при порівняльній оцінці запропонованих способів отвердіння епоксидних композицій (пат. №№ 36796, 37236) з прототипом (патент України № 51962А).

Показано, що мультинаповнені ЕКМ-системи (пат. №№ 60554А, 72410А, 29452, 34730, 34752, 34755, 34758, 36398, 36784, 36798, 39201, 40524, 44102) характеризуються переважно вищими адгезійно-міцнісними, фізико-механічними, теплофізичними та експлуатаційними характеристиками порівняно з аналогами.

Результати проведених досліджень дозволили розробити методи і способи підвищення зносостійкості ЕКМ-систем та рекомендувати розроблені матеріали для захисту технологічного устаткування, що працює в умовах динамічних навантажень та ерозійно- і корозійно-активного впливу. Впровадження розроблених епоксидних композитів для підвищення експлуатаційних характеристик технологічного устаткування проведено на підприємствах машинобудівної, хімічної, нафтопереробної і харчової промисловості Волинської, Тернопільської, Черкаської областей та авіаційної промисловості м. Києва. У результаті експлуатації розроблених матеріалів встановлено, що їх використання особливо ефективно як захисних двошарових покриттів днища та надколісних ніш автомобільної техніки, зносо- і корозійностійких покриттів для захисту газотранспортного обладнання, а також для герметизації корпусних елементів лічильників води. Впровадження покриттів на підприємствах промисловості забезпечує збільшення міжремонтного періоду експлуатації устаткування у 2,8-3,6 рази, підвищення зносостійкості обладнання у      2,2-2,8 рази.

У додатках наведено методики дослідження структурних параметрів, фізико-механічних та експлуатаційних характеристик ЕКМ, а також математичного планування багатофакторного експерименту. Наведено документи, що підтверджують патентну новизну та промислове впровадження результатів досліджень на підприємствах України.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ І НАУКОВІ РЕЗУЛЬТАТИ

У дисертаційній роботі вирішено важливу науково-технологічну проблему – створення та забезпечення керованого функціонування нових модифікованих ЕКМ з високими фізико-механічними, теплофізичними та триботехнічними характеристиками у повному діапазоні дисперсного наповнення. Розв’язання наукової проблеми полягає у дослідженні властивостей і науково обґрунтованому керуванні процесами структуроутворення у результаті структурного (поєднання інгредієнтів із значним діапазоном відмінностей морфологічних ознак та фізико-хімічних властивостей) та фізичного (оптимального термостатування з додатковим комплексним опроміненням ультразвуковим та ультрафіолетовим енергетичними полями) модифікування композицій, а також у встановленні закономірностей, механізмів та особливостей підвищення експлуатаційних характеристик епоксидних композитів внаслідок поліпшення міжфазної взаємодії у процесі формування матеріалів. У результаті виконання роботи отримано такі основні результати:

1. На основі узагальнення та систематизації результатів досліджень при створенні нових композиційних матеріалів на полімерній основі розроблено наукові засади формування мультинаповнених епоксидних систем з керованими функціональними та експлуатаційними властивостями. Вперше класифіковано ЕКМ-системи на низько-, середньо- та високонаповнені. Шляхом виділення структурних і функціональних складових ЕКМ та зв’язків між ними запропоновано моделі побудови композицій з різним ступенем дисперсного наповнення.

2. Вперше показано, що ступінь наповнення ЕКМ-систем передбачає застосування різних технологічних підходів та схем для забезпечення максимальної однорідності композицій та інтенсивності взаємодії на межі розділу фаз, мінімізації дефективності, що в цілому забезпечує цілісність та стабільність функціонування системи. Шляхом варіювання режимів направленого технологічного впливу на композиції на етапі формування (комплексна структурна та фізична модифікація) запропоновано способи керування структурою та експлуатаційними характеристиками  ЕКМ-систем.

3. Введенням у полімерну матрицю модифікаторів, а в полімерматричну мультинаповнену систему інгредієнтів, що виконують армуючу функцію (порошок оксиду міді, подрібнене вуглецеве та базальтове волокна, базальтова луска тощо), отримані матеріали із стабільними фізико-механічними характеристиками в діапазоні низького, середнього та високого наповнення, а застосуванням функціональних добавок (високодисперсні карбіду титану, графіт та фторопласт) – досягнуті відповідні експлуатаційні характеристики на завершальному етапі їх створення. Це пов’язано насамперед зі структурною та фізичною модифікацією полімерної основи та композицій в цілому, в яких наповнювачі здійснюють різний функціональний вплив на систему.

4. Вперше запропоновано нові методи: пластмасографічного аналізу ЕКМ-систем шляхом додаткової комплексної плазмохімічної та УЗ-обробки поверхонь матеріалів, а також оцінки адгезійно-міцнісних характеристик ЕКМ шляхом комплексного аналізу двовимірного цифрового зоображення за допомогою програмного забезпечення. Методами математичного планування експерименту показано шляхи оптимізації складу і властивостей мультифазних мало-, середньо- та високонаповнених ЕКМ-систем.

5. Досліджено методи регулювання триботехнічних характеристик ЕКМ варіюванням інгредієнтів системи (якісна та кількісна складові). Встановлено, що розроблені ЕКМ-системи працездатні в умовах сухого тертя при значенні критерію Рv  3 МПа × м/с і показано, що активний тепловий вплив при структуризації епоксикремнійорганічних систем у зоні максимально допустимих для епоксидної компоненти температур породжує ефект “адаптації” до прикладеного навантаження та забезпечує стабільність заданих характеристик при фрикційній взаємодії. Експериментально обгрунтовано умови утворення та стабілізації самоорганізуючих плівок переносу при навантаженні епоксидних композитів тертям ковзання.

6. На основі проведених досліджень створені нові ЕКМ-системи різного функційного призначення, які за експлуатаційними характеристиками в більшості переважають існуючі аналоги. Основна дослідно-промислова перевірка результатів дисертаційної роботи проведена на підприємствах машинобудівної, хімічної, авіаційної промисловості Волинської, Тернопільської, Черкаської областей та м. Києва. Впровадження розробок на вказаних підприємствах забезпечило підвищення міжремонтного ресурсу експлуатації устаткування у 2,8-3,6 рази, зносостійкості – у 2,2-2,8 рази.

список опублікованих основних праць:

1.  Савчук П. П. Пластмасографічний метод аналізу структур епоксидних композитів / П. П. Савчук // Доповіді НАН України. – №4. – 2009. – С. 96-99.
2.  Савчук П. П. Теоретичні засади створення епоксидних композитів з керованими функціональними властивостями / П. П. Савчук // Наукові нотатки Луцького національного технічного університету: міжвузівський збірник. Випуск 26. – Луцьк, 2009. – С. 286–295.
3.  Савчук П. П. Особливості застосування епоксидних композиційних матеріалів у триботехніці / П. П. Савчук // Проблеми трибології. – 2008. – № 4 (50). – С. 120–125.
4.  Савчук П. П. Особливості використання базальтопластів у вузлах тертя ковзання / П. П. Савчук // Проблеми тертя та зношування: Науково-технічний збірник. – 2008. – Вип. 50. – С. 164–170.
5.  Савчук П. П. Методи оцінки структури модифікованих епоксидних композитів / П. П. Савчук // Вісник Тернопільського державного технічного університету. – 2008. – Т. 13. – № 3. – С. 71–77.
6.  Савчук П. П. Актуальні напрямки розвитку вітчизняних досліджень в галузі тертя та зношування (огляд) / П. П. Савчук // Наукові нотатки Луцького державного технічного університету: міжвузівський збірник. Випуск 14. – Луцьк, 2004. – С. 258–262.
7.  Савчук П. П. Структура та функціональні властивості епоксидних композитів, наповнених високодисперсними частинками /  П. П. Савчук, А. Г. Косторнов // Порошкова металургія. – 2009. – № 9/10. – С. 81–87.
8.  Савчук П. П. Закономірності тертя та зношування епоксидних композитів з різним ступенем наповнення / П. П. Савчук, А. Г. Косторнов // Проблеми тертя та зношування: Науково-технічний збірник. – 2009. – Вип. 51. – С. 100–106.
9.  Савчук П. П. Реологічні властивості епоксидних композитів з різним ступенем полідисперсного наповнення / П. П. Савчук,  А. Г. Косторнов // Порошкова металургія. – 2009. – №. 3/4. – С. 42–48.
10.  Савчук П. П. Вплив природи модифікаторів КО-85ФМ та КО-08К на структурованість і властивості епоксидних полімерів / П. П. Савчук,   В. П. Кашицький, О. В. Васага // Вісник Хмельницького національного університету. Випуск 4. – Хмельницький, 2009. – С. 204–208.
11.  Вплив штучно створених теплових потоків на структуру та властивості епоксидних полімерів / [Савчук П. П., Косторнов А. Г., Кашицький В. П., Галка І. В.] // Машинознавство. – 2009. – №5. – С. 38–40.
12.  Використання відходів підшипникового виробництва (порошку сталі ШХ15) при створенні епоксидних композиційних матеріалів / [Савчук П. П., Косторнов А. Г., Кашицький В. П., Рудь В. Д.] // Наукові нотатки Луцького національного технічного університету: міжвузівський збірник. Випуск 25. – Ч.2. – Луцьк, 2009. – С. 216–219.
13.  Савчук П. П. Зносостійкість захисних покриттів наповнених металовуглецевою композицією в умовах гідроабразивного  зношування / П. П. Савчук, О. С. Голотенко, С. М. Голотенко // Наукові нотатки Луцького національного технічного університету: міжвузівський збірник. Випуск 24. – Луцьк, 2009. – С. 486–491.
14.  Савчук П. П. Закономерности регулирования структуры и свойств защитных эпоксидных композиционных покрытий / П. П. Савчук, А. Г. Косторнов // Фізико-хімічна механіка матеріалів. Спеціальний випуск № 7. Проблеми корозії та протикорозійного захисту матеріалів. – 2008. –  С. 453–456.
15.  Савчук П. П. Вплив технологічних параметрів на властивості епоксидних композиційних матеріалів / П. П. Савчук, А. Г. Косторнов,     В. П. Кашицький // Вісник Прикарпатського національного університету імені Василя Стефаника. Серія хімія. – Івано-Франківськ: Гостинець,   2008. – Випуск VI. – С. 56–64.
16.  Вплив природи наповнювачів і високочастотного електромагнітного поля на реологічні властивості електропровідних полімеркомпозиційних покриттів / [Кальба Є. М., Савчук П. П.,    Гарматюк Р. Т., Андрієвський В. В.] // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка. Випуск 75. – Харків, 2008. – С. 540–547.
17.  Савчук П. П. Трибологічні властивості модифікованих базальтонаповнених композитів на основі епоксидних смол / П. П. Савчук, А. Г. Косторнов // Проблеми трибології. – 2008. – № 3. (49) – С. 11–14.
18.  Савчук П. П. Властивості епоксидних композиційних матеріалів триботехнічного призначення / П. П. Савчук, А. Г. Косторнов // Проблеми тертя та зношування: Науково-технічний збірник. – 2008. – Вип. 49. –       Т. 2. – С. 52–60.
19.  Спосіб отримання електретних структур на основі епоксидних композиційних матеріалів / [Савчук П. П., Кальба Є. М., Андрієвський В. В., Гарматюк Р. Т.] // Наукові нотатки Луцького державного технічного університету: міжвузівський збірник. Випуск 21. – Луцьк, 2007. – С. 252–257.
20.  Савчук П. П. Особливості впливу процесів модифікації на триботехнічні характеристики епоксидних композиційних матеріалів / П. П. Савчук, А. Г. Косторнов // Проблеми тертя та зношування: Науково-технічний збірник. – К.: НАУ. – Вип. 48. – С. 135–148.
21.  Вплив зовнішніх фізичних полів на властивості захисних покриттів / [Савчук П. П., Голотенко С. М., Кальба Є. М., Гарматюк Р. Т.] // Наукові нотатки Луцького державного технічного університету: міжвузівський збірник. Випуск 20 (2). – Луцьк, 2007. – С. 163-167.
22.  Савчук П. П. Вплив природи кремнійорганічного модифікатора і умов тверднення на властивості епоксидних композитів / П. П. Савчук,    О. А. Отченашенко, О. І. Гулай // Наукові нотатки Луцького державного технічного університету: міжвузівський збірник. Випуск 20. – Луцьк,  2007. – С. 429–431.
23.  Савчук П. П. Особливості формування та властивості епоксикремнійорганічних композитних покриттів / П. П. Савчук, А. Г. Косторнов, В. П. Кашицький // Наукові нотатки Луцького державного технічного університету: міжвузівський збірник. Випуск 20. – Луцьк,  2007. – С. 424–428.
24.  Кашицький В. П. Особливості обробки епоксикомпозитних композицій на стадії формування у фізичних полях / В. П. Кашицький,     П. П. Савчук // Наукові нотатки Луцького державного технічного університету: міжвузівський збірник. Випуск 19. – Луцьк, 2007. – С. 150–155.
25.  Савчук П. П. Властивості епоксикремнійорганічних композитів армованих базальтовими волокнами / П. П. Савчук, О. А. Отченашенко // Наукові нотатки Луцького державного технічного університету: міжвузівський збірник. Випуск 18. – Луцьк: ЛДТУ, 2006. – С. 340–348.
26.  Усійчук Ю. Ю. Властивості епоксикомпозитів будівельного призначення наповнених портландцементом марки М500 / Ю. Ю. Усійчук, П. П. Савчук, Ф. М. Крисак // Наукові нотатки Луцького державного технічного університету: міжвузівський збірник. Випуск 16. – Луцьк,  2005. – С. 256–258.
27.  Савчук П. П. Дослідження впливу фізичних полів на функціональні характеристики епоксикомпозитів / П. П. Савчук, Ю. Ю. Усійчук // Збірник наукових статей. – Луцьк: ЛДТУ, 2004. – С. 142–145.
28.  Савчук П. П. Реологічні властивості епоксикомпозитів триботехнічного призначення / П. П. Савчук, О. В. Заболотний // Реологія, структура, властивості порошкових та композиційних матеріалів : Зб. наукових праць / відп. ред. В. В. Божидарнік. – Луцьк, 2004. – С. 139–144.
29.  Кальба Є. М. Вплив тугоплавких наповнювачів і режиму формування на релаксаційні процеси в епоксидних композиціях / Є. М. Кальба, С. М. Голотенко, П. П. Савчук // Структурна релаксація у твердих тілах : збірник наукових праць / відп. ред. О. В. Мозговий. – Вінниця, 2003. – С. 223–224.
30.  Gordiejew O. F. Polepszenie niezawodnosci maszyn technologicznych z prowadnicami pokrytymi kompozytem epoksydowym / O. F. Gordiejew,  P. P. Sawczuk // Technologia i automatyzacja montazu. – 2003. – №1. – С. 9–10.
31.  Букетов А. В. Ефективність використання епоксикомпозитних покриттів / А. В. Букетов, П. П. Савчук, Т. Є. Божко //  Наукові нотатки Луцького державного технічного університету: міжвузівський збірник. Випуск 10. – Луцьк, 2002. – С. 17–21.
32.  Савчук П. П. Методи підвищення триботехнічних характеристик епоксикомпозитів / П. П. Савчук, В. П. Кашицький, Є. М. Кальба // Трибофатика : пр. 4-го Міжнародного симпозіуму з трибофатики, 23-27 вересня 2002 р. / Відп. ред. В. Т. Трощенко. – Тернопіль, 2002. – Т.2. – С. 777–779 (Зараховано як фахове видання. Постанова Президії ВАКу від 15.01.03 №1-05/01).
33.  Оптимізація складу та дослідження впливу різнофункціональних наповнювачів на зносостійкість епоксикомпозиту / [Савчук П. П., Рудь В. Д., Кашицький В. П., Мельник О. Д.] // Наукові нотатки Луцького державного технічного університету: міжвузівський збірник. Випуск 9. – Луцьк, 2001. – С. 244–249.
34.  Двухслойное эпоксиполимерное покрытие для цанговых механизмов зажима /  [Кузнецов Ю. Н., Кальба Е. М., Савчук П. П., Редько Р. Г.] // Материалы, технологии, инструменты. – 2001. – Т. 6, № 4. – С. 37–40.
35.  Савчук П. П. Порівняльна оцінка триботехнічних властивостей епоксиполімерів і фторопласту / П. П. Савчук, В. П. Кашицький,                В. Г. Габрусєв // Вісник Тернопільського державного технічного університету. – Т. 6, № 3. – Тернопіль, 2001. – С. 13–17.
36.  Розробка складу та дослідження триботехнічних характеристик полімеркомпозитів на основі епоксидної смоли / [Кальба Є. М., Савчук П. П., Мельник О. Д., Кашицький В. П.] // Наукові нотатки Луцького державного технічного університету: міжвузівський збірник. Випуск 6. – Луцьк, 2000. – С. 87–93.
37.  Пат. 45630 Україна, МПК6 C08L 63/00. Полімерна композиція / Савчук П. П., Отченашенко О.А., Кальба Є.М.; заявник і патентовласник Луцький державний технічний ун-т. – № u200714545 ; заявл. 24.12.07 ; опубл. 25.11.09, Бюл. № 22.
38.  Пат. 44102 Україна, МПК9 С04B 38/02, C08L 63/00. Полімерна композиція для теплоізоляційного матеріалу / Савчук П. П., Косторнов А. Г., Чувашов Ю. М., Дідук І. І., Ященко О. М.; заявник і патентовласник Луцький національний технічний ун-т. – № u200813236 ; заявл. 17.11.08 ; опубл. 25.09.09, Бюл. № 18.
39.  Пат. 39201 Україна, МПК9 С08K3/00, C09D163/00, C23C14/00. Спосіб одержання багатошарового епоксидного композиційного покриття / Савчук П. П., Косторнов А. Г., Кашицький В. П., Букетов А. В., Тунік І. Г.; заявник і патентовласник Луцький національний технічний   ун-т. – № u200811525 ; заявл. 23.09.08 ; опубл. 10.02.09, Бюл. № 3.
40.  Пат. 38797 Україна, МПК6 С08L3/00. Полімерна композиція для захисних покрить / Савчук П. П., Савчук Л. А.; заявник і патентовласник Луцький державний технічний ун-т. – № u200800115 ; заявл. 02.01.08 ; опубл. 26.01.09, Бюл. № 2.
41.  Пат. 34752 Україна, МПК6 С08К3/00, С09D163/00, C23C14/00. Спосіб одержання двошарового епоксидного композиційного покриття / Савчук П. П., Косторнов А. Г., Кашицький В. П. ; заявник і патентовласник Луцький державний технічний ун-т. – № u200802352 ; заявл. 25.02.08 ; опубл. 26.08.08, Бюл. № 16.
42.  Пат. 31129 Україна, МПК6 С08L63/00. Епоксидне в’яжуче / Савчук П. П., Отченашенко О. А. ; заявник і патентовласник Луцький державний технічний ун-т. – № u 2007 13622 ; заявл. 06.12.07; опубл. 25.03.08, Бюл. № 6.
43.  Пат. 29452 Україна, МПК6 С08К3/00, F16C33/00. Епоксикомпозитне покриття / Савчук П. П., Косторнов А. Г., Кашицький В. П. ; заявник і патентовласник Луцький державний технічний ун-т. – № u 2007 10948 ; заявл. 03.10.07; опубл. 10.01.08,       Бюл. № 1.
44.  Пат. 72410 А Україна, МПК6 С08К3/00, F16C 33/00. Антифрикційний полімеркомпозиційний матеріал / Савчук П. П., Кашицький В. П.; заявник і патентовласник Луцький державний технічний ун-т. – № 20031212973 ; заявл. 30.12.03 ; опубл. 15.02.05, Бюл. № 2.
45.  Косторнов А. Г. Принципы создания эпоксидных композиционных материалов с управляемыми свойствами / А. Г. Косторнов, П. П. Савчук // HighMatTech : матеріали міжнародної конференції, 19 – 23 жовтня 2009 р. – К., 2009. – С. 287.
46.  Савчук П. П. Шляхи підвищення функціональних характеристик епоксидних композиційних матеріалів / П. П. Савчук, М. Д. Мельничук, В. П. Кашицький // Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях: материалы 9-й ежегодной международной конференции и выставки, 9-13 февраля 2009 г. – Киев: УИЦ „Наука. Техника. Технология”. – С. 342–343.
47.  Косторнов А. Г. Закономерности создания эпоксидных композиционных материалов с управляемыми свойствами /  А. Г. Косторнов, П. П. Савчук // Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий : материалы V-й международной конференции, 22-26 сентября 2008 г. – К., 2008. – С. 28.
48.  Савчук П. П. Створення багатошарових епоксикомпозитних покрить для роботи в екстремальних умовах / П. П. Савчук, М. Д. Мельничук, В. П. Кашицький // Композиционные материалы в промышленности : материалы 28-й ежегодной международной конференции и выставки, 26-28 мая 2008 г. – К., 2008. – С. 342.
49.  Савчук П. П. Методы регулирования структуры и свойств многокомпонентных эпоксидных композиционных материалов /  П. П. Савчук // Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка : материалы  VIII-й международной научно-технической конференции, 27-28 мая 2008 г. – Минск, 2008. – С. 101–102.
50.  Савчук П. П. Закономірності тертя та зношування модифікованих епоксидних композитів / П. П. Савчук // Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях : материалы 8-й ежегодной международной конференции и выставки, 11-15 февраля 2008 г. – К. – С. 188.
51.  Косторнов А. Г. Трибологические свойства эпоксикремний-органических композитов / А. Г. Косторнов, П. П. Савчук // HighMatTech : матеріали міжнародної конференції, 12 – 16 жовтня 2007 р. – К., 2007. –    С. 368.
52.  Савчук П. П. Епоксикремнійорганічні композити: особливості одержання та властивості / П. П. Савчук, О. А. Отченашенко, О. І. Гулай // Поступ у нафтогазопереробній та нафтохімічній промисловості : матеріали IV-ї науково-технічної конференції, 11-14 вересня 2007 р. – Львів, 2007. – С. 105–106.
53.  Савчук П. П. Поліволокнисті епоксикомпозити: особливості одержання та властивості / П. П. Савчук, О. А. Отченашенко // Композиционные материалы в промышленности : материалы 26-й ежегодной международной конференции и выставки, 29 мая – 2 июня  2006 г. – К., 2006. – С. 350–351.
54.  Савчук П. П. Технологічні основи формування термостійких епоксикомпозитних покриттів триботехнічного призначення / П. П. Савчук, В. П. Кашицький // Композиционные материалы в промышленности : материалы 24-й ежегодной международной конференции и выставки, 31 мая – 4 июня 2004 г. – К., 2004. – С. 202.
55.  Савчук П. П. Оптимізація процесу зношування епоксикомпозитів методом математичного планування / П. П. Савчук  // Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин : матеріали міжнародної науково-технічної конференції, 17-19 жовтня 2001 р. – Хмельницький, 2001. – С. 36–37.
56.  Матеріалознавчі методи підвищення триботехнічних характеристик епоксикомпозитних покриттів / [Гордєєв О. Ф., Кальба Є. М., Редько Р. Г., Савчук П. П.] // Инженерия поверхности и реновация изделий : материалы международной научно-технической конференции, 29-31 мая 2001 г. – К., 2001. – С. 52–54.

Анотація

Савчук П. П. Наукові і технологічні основи створення та керованого функціонування епоксидних композитів з різним ступенем наповнення. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.01 – матеріалознавство. – Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, Київ, 2010.

Класифіковано ЕКМ-системи на низько-, середньо- та високонаповнені, для кожної із груп показані домінуючі ознаки впливу, що відображаються на їх функціональних властивостях. Шляхом виділення структурних й функціональних складових ЕКМ та зв’язків між ними запропоновано моделі побудови полімерних систем з різним ступенем дисперсного наповнення. Узагальнено принципи створення та керованого функціонування ЕКМ-систем, а також методи їх контролю та діагностики властивостей.

Розроблені основні варіанти управління процесами структуризації епоксидних композитів. Введенням у полімерну матрицю модифікаторів, а в полімерматричну мультинаповнену систему інгредієнтів, що виконують армувальну функцію, отримані матеріали із стабільними фізико-механічними характеристики в діапазоні низького, середнього та високого наповнення, а застосуванням високодисперсних добавок – досягнуті відповідні експлуатаційні характеристики на завершальному етапі їх створення.

Проаналізовано методи регулювання триботехнічних характеристик ЕКМ варіюванням інгредієнтів системи (якісна та кількісна складові).

Здійснено дослідно-промислову перевірку та впровадження розроблених матеріалів з різним ступенем наповнення, різного функційного призначення.

Ключові слова: епоксидна матриця, зв’язуюче, епоксидний композиційний матеріал, покриття, структура, структурованість, модифікація, ультрафіолетова та ультразвукова обробки, ступінь наповнення, зносостійкість.

Аннотация

Савчук П. П. Научные и технологические основы создания и управляемого функционирования эпоксидных композитов с различной степенью наполнения. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.02.01 – материаловедение. – Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины, Киев, 2010.

Решена важная научно-техническая проблема – разработаны научно- технологические основы формирования эпоксидных композиционных материалов с различной степенью наполнения, а также сформулированы и обобщены принципы их управляемого функционирования.

Классифицированы ЭКМ-системи на низко-, средне- и высоконаполненные, для каждой из групп выделены доминирующие признаки влияния, которые отображаются на их функциональных свойствах. Путем выделения структурных и функциональных составляющих ЭКМ и связей между ними предложены модели построения полимерных систем с различной степенью дисперсного наполнения. Предложены новые методы контроля и диагностики структурных параметров и свойств ЭКМ-систем. Разработаны основные варианты управления процессами структуризации эпоксидных композитов путем регулирования структуры с использованием различного качественного и количественного состава модификаторов и наполнителей, а также применения физического модифицирования. Введением в полимерную матрицу модификаторов, а в полимерматричную систему ингредиентов, которые выполняют армирующую функцию (порошок оксида меди, измельченные углеродное и базальтовое волокна, базальтовая чешуя и др.) получены материалы со стабильными физико-механическими характеристиками в диапазоне низкого, среднего и высокого наполнения, а применением функциональных добавок (высокодисперсный карбид титана, графит и фторопласт) – достигнуты соответствующие эксплуатационные характеристики на завершающем этапе их создания. Методами математического планирования эксперимента показаны пути оптимизации состава, технологии и свойств мультифазных, мало-, средне-, и высоконаполненных ЭКМ-систем.

Проанализированы методы регулирования триботехнических характеристик ЭКМ путем варьирования ингредиентов системы (качественная и количественная составляющие). Установлено, что разработаные ЭКМ-системы работоспособны в условиях сухого трения при значении критерия Рv  3 МПа × м/с. Показано, что активное тепловое влияние при структуризации эпоксикремнийорганических систем в зоне максимально допустимых для эпоксидной компоненты температур вызывает эффект “адаптации” к прилагаемой нагрузке и обеспечивает стабильность заданных характеристик при фрикционном взаимодействии.

На основе проведенных исследований созданы и защищены патентами новые ЭКМ-системы с различной степенью наполнения и разного функционального назначения, которые по своим эксплуатационным характеристикам в большинстве преобладают отечественные аналоги. Осуществлены опытно-промышленная проверка и внедрение разработаных материалов в промышленности.

Ключевые слова: эпоксидная матрица, связующее, эпоксидный композиционный материал, покрытие, структура, структурированность, модификация, ультрафиолетовая и ультразвуковая обработки, степень наполнения, износостойкость.

Annotation

Savchuk P. P. Scientific and technological bases of creation and guided functioning of epoxy composites with different filling degree. – Manuscript.

Thesis for a doctor’s degree by speciality 05.02.01 – Materials Science. – Frantsevich Institute for Problems of Materials Science NASU, Kyiv, 2010.

ECM-systems are classified into low-, media- and highly filled; dominant influential features that are reflected on their functional properties are distinguished. By means of separation structural and functional ECM components and their links the models of polymer systems construction with different degree of dispersed filling are offered . Principles of creation and guided functioning of ECM-systems as well as the methods of their control and diagnostic properties are generalized.

The main variants of control for the processes of epoxy composites structurization are worked out. By means of adding modifiers into polymer matrix and introducing ingredients that perform function of reinforcing into multifilled system the materials with stable physical and mechanical characteristics with the low, media and high filling degree are obtained; and the correspondent working characteristics are achieved on the final stage of their creation by means of application functional additives (highly disperse titanium carbide, graphite and fluoroplastic).

Methods of tribotechnical ECM characteristics regulation are analysed by modifying ingredients of the system (qualitative and qualitative components).

Research-industrial control and introducing into industry the developed materials with different degree of filling and different functional purposes is made.

Key words: epoxy matrix, linking, epoxy composite material, covering, structure, cross-linking, мodification, ultraviolet and ultrasonic treatment, degree of filling, durability.

Підписано до друку 01.09.2010 р.

Формат 6090 1/16. Папір офсетний.

Умовн. друк. аркушів 2,5

Тираж 150 прим. Замовл. №797

Друк РВВ ЛНТУ. 43018, м. Луцьк, Львівська, 75

Свідоцтво Держкомінформу України ДК № 351 від 05.03.2001 р.