автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Повышение эксплуатационных свойств композитов на основе политетрафторэтилена путем структурной многоуровневой модификации

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СТРУКТУРА, СВОЙСТВА И МОДИФИКАЦИЯ АМОРФНО

КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЛИНЕЙНЫХ ПОЛИМЕРОВ.

1.1. Актуальность разработок в области создания новых полимерных композиционных материалов специального назначения.

1.2. Структура, молекулярная подвижность и свойства политетрафторэтилена в разных физических состояниях.

1.2.1. Строение и структура.

1.2.2. Вязкоупругие свойства и молекулярная подвижность.

1.2.3. Механические свойства.

1.2.4. Теплофизические свойства.

1.2.5. Триботехнические свойства.

1.3. Влияние наполнителей на структуру аморфно-кристаллических полимеров.

1.4. Влияние наполнителей на физические свойства аморфно-кристаллических полимеров.

1.4.1. Молекулярная подвижность и вязкоупругие свойства.

1.4.2. Деформационно-прочностные свойства.

1.4.3. Теплофизические свойства.

1.4.4. Триботехнические свойства.

1.5. Анализ результатов исследований, цель и задачи работы.

1.6. Выводы.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ, ВЫБОР И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Объекты исследования.

2.2. Методы и средства изучения структуры полимерных материалов.

2.2.1. Рентгеноструктурный анализ.

2.2.2. Электронная микроскопия.

2.3. Термический анализ.

2.4. Методы и средства исследования физико-механических и триботехнических свойств.

2.4.1. Вязкоупругие свойства.

2.4.2. Деформационно-прочностные и триботехнические свойства.

2.5. Методы исследования теплофизических свойств.

2.5.1. Теплоемкость.

2.5.2. Тепловое расширение.*.91^

2.6. Вспомогательные методы.

2.6.1. Метод гидростатического взвешивания.

2.6.2. Ультразвуковой импульсный метод.

2.7. Выводы.

ГЛАВА 3. СТРУКТУРА МОДИФИЦИРОВАННОГО ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА.

3.1. Выбор модельных систем для структурных исследований.

3.2. Морфологические особенности структуры модифицированного политетрафторэтилена.

3.2.1. Электронно-микроскопический анализ надмолекулярной структуры модифицированного ПТФЭ.99 V

3.2.2. Дефектность структуры модифицированного ПТФЭ.

3.3. Особенности кристаллизации модифицированного политетрафторэтилена.

3.3.1. Рентгеноструктурные исследования модифицированного

ПТФЭ.119//

3.3.2. Особенности кинетики кристаллизации модифицированного

ПТФЭ.

3.4. Выводы.

ГЛАВА 4. ВЯЗКОУПРУГИЕ СВОЙСТВА ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА

И КОМПОЗИТОВ НА ЕГО ОСНОВЕ.

4.1. Вязкоупругие свойства полимеров. Связь вязкоупругости политетрафторэтилена с надмолекулярной структурой.

4.2. Вязкоупругие свойства модифицированного политетрафторэтилена.

4.2.1. Модельная двухкомпонентная система ПТФЭ-БП.

4.2.2. Модельная двухкомпонентная система ПТФЭ-УВ.

4.2.3. Многокомпонентные композиты.154 I

4.3. Связь вязкоупругих свойств модифицированного политетра фторэтилена с молекулярной подвижностью.

4.4. Выводы.

ГЛАВА 5. РЕЛАКСАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА МОДИФИЦИРОВАННОГО ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА.

5.1. Физические основы и возможности релаксационной спектрометрии.

5.2. Разработка методов исследования релаксационных процессов в модифицированных материалах.

5.2.1. Расчет релаксационных параметров в модели линейного вязкоупругого тела с дискретным временем релаксации.

5.2.2. Расчет непрерывных спектров времен релаксации в модели релаксаторов с дискретным временем релаксации в приближении линейной вязкоупругости.

5.3. Применение методов релаксационной спектрометрии к анализу процесса стеклования и степени структурной микронеоднородности композитов на основе политетрафторэтилена.

5.3.1. Особенности стеклования политетрафторэтилена.

5.3.2. Структурная микронеоднородность модифицированного политетрафторэтилена.

5.4. Вывод.

ГЛАВА 6. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ, ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ И

ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОДИФИЦИРОВАННОГО ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА И ИХ СВЯЗЬ СО

СТРУКТУРОЙ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ ПОДВИЖНОСТЬЮ.

6.1. Физико-механические свойства модифицированного политетрафторэтилена.201 }/

6.1.1. Динамические модули упругости композитов модельных систем.201 ¡У

6.1.2. Деформационно-прочностные свойства композиций политетрафторэтилена с углеродным волокном.208 V

6.2. Теплофизические свойства модифицированного политетрафторэтилена.

6.2.1. Влияние температуры, типа и концентрации наполнителя на теплоемкость и линейное расширение политетрафторэтилена.

6.2.2. Роль межфазного слоя в формировании теплофизических свойств композитов.

6.3. Триботехнические свойства и их связь с механическими характеристиками.232 ¿^

6.4. Модель структурной модификации политетрафторэтилена и критерии выбора наполнителей-модификаторов.

6.4.1. Физическая модель структурной модификации политетрафторэтилена.239 [/

6.4.2. Обоснование критериев выбора наполнителей-модификаторов.

6.5. Выводы.

ГЛАВА 7. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МЕХАНИЧЕСКИХ И ТРИБО ТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА.

7.1. Моделирование микронеоднородных сред и методы расчета их эффективных характеристик.

7.1.1. Физико-математические модели микронеоднородных сред.

7.1.2. Моделирование случайно-неоднородных сред на основе клеточных автоматов.

7.2. Прогнозирование упругих и триботехнических характеристик композитов на основе аморфно-кристаллических полимеров.266 7.2.1. Прогнозирование модулей упругости аморфно-кристаллических полимеров, модифицированных структурно-неактивным наполнителем.266 ^

7.2.2. Прогнозирование механических свойств политетрафторэтилена, наполненного углеродным волокном.270^

7.2.3. Прогнозирование износостойкости модифицированного политетрафторэтилена.277 (/

7.3. Рекомендации по выбору и оценке влияния наполнителей-модификаторов на эксплуатационные свойства политетрафторэтилена.

7.3.1. Выбор и оценка влияния наполнителей на эксплуатационные свойства с учетом основных критериев выбора.281 / "

7.3.2. Рекомендации по методике выбора типа наполнителей и оптимизации состава композиционных материалов на основе политетрафторэтилена.288 {/

7.4. Выводы.

Ускорение научно-технического прогресса, создание новой высокоэффективной техники, реализация ресурсосберегающих технологий, а также экологические проблемы в значительной степени диктуют необходимость создания новых материалов с оптимальными эксплуатационными свойствами. Анализ перспектив использования традиционных материалов показывает, что резервы повышения эксплуатационных свойств значительно ограничены. Особенный интерес в связи с этим представляет новый класс материалов - композиты и среди них - полимерные композиционные материалы (ПКМ). Они имеют ряд важных преимуществ перед традиционными материалами - металлами, керамикой, «чистыми» (т.е. ненаполненными ) полимерами. Включение частиц наполнителя определенного типа в полимерную основу - матрицу может способствовать существенному изменению эксплуатационных характеристик композиции. При этом появляется возможность целенаправленного регулирования отдельного или целого комплекса свойств. Этим, вероятно, объясняется стремительный рост производства ПКМ, проникновение их в самые разные области техники и успешное вытеснение ими многих традиционных материалов.

Научные основы создания ПКМ базируются на общих принципах физики, фи-зикохимии и коллоидной химии полимеров, развитых в приложении к многокомпонентным гетерогенным полимерным системам, к которым, в частности, относятся и полимерные композиционные материалы. Эти области науки о полимерах сегодня получили широкое распространение.

К настоящему времени издана серия работ, содержащих изложение общетеоретических и практических основ создания и свойств полимерных композиционных материалов (ПКМ) [1-5]. Однако, проводя параллель с материаловедением традиционных материалов (например, металлических сплавов), следует констатировать определенное отставание материаловедения полимеров с точки зрения адекватного отражения этой областью науки существующих материаловедческих проблем реальных многокомпонентных систем. Долгое время развитие технологии создания ПКМ базировалось чаще всего на эмпирических исследованиях или, как справедливо замечает А. А. Берлин [5] , на изобретательстве. Это становится понятным, если учесть всю сложность межфазных взаимодействий в многокомпонентных полимерных системах и их связь со свойствами полимерных композитов. Проблема взаимодействия компонентов - наполнителей, вводимых в полимерную матрицу с целью модификации ее свойств, и самих матриц настолько многогранна, что еще долго будет предметом пристального внимания многих исследователей. Появившиеся в последнее время теоретические работы по расчету механических, теплофизических и других свойств, а также новые возможности компьютерного моделирования структуры и свойств полимерных композиционных материалов вселяют оптимизм в разрешение накопившихся вопросов. Сочетание теоретических исследований структурно-фазовых превращений, происходящих при введении наполнителей в матрицу композита с экспериментальными исследованиями, это тот путь, который позволит сформулировать научно обоснованный подход к прогнозированию и целенаправленному регулированию свойств ПКМ в терминах полимерного материаловедения.

Из большого числа известных к настоящему времени полимерных композиционных материалов широкое применение в качестве конструкционных и антифрикционных материалов находят ПКМ на основе аморфно-кристаллических полимеров. Аморфно-кристаллические полимеры имеют преимущества по сравнению с аморфными полимерами, основными из которых являются более высокие механические характеристики. Это объясняется «двухфазной» структурой аморфно-кристаллических полимеров, которые в рамках феноменологического подхода можно представить состоящими из низкомодульной непрерывной фазы и распределенных в ней высокомодульных включений (кристаллитов).

Как показывает анализ современных исследований, на пути создания полимерных композиционных материалов с кристаллической матрицей стоят проблемы, присущие всем ПКМ. Вместе с тем «двухфазность» структуры создает дополнительные трудности. Причина - многофакторная зависимость структурно-фазовых превращений, как от относительного содержания, так и от характеристик компонентов-наполнителей. Наиболее важными в этом случае являются технологические факторы, химическая природа, структурная активность, геометрия частиц наполнителей. Выявление закономерностей влияния каждого из этих факторов является серьезной проблемой полимерного материаловедения и трибоматериаловедения, в частности.

Хорошей иллюстрацией к изложенному выше могут служить фторопласты, относящиеся к линейным аморфно-кристаллическим полимерам, и композиты на их основе. Эти материалы широко используются в качестве конструкционных и, в особенности, антифрикционных материалов для металлополимерных трибосистем в силу уникального комплекса физических и химических свойств [6,7]. Например, антифрикционные свойства политетрафторэтилена (ПТФЭ) делают его незаменимым материалом для не смазываемых узлов трения и особенно работающих в среде осушенных инертных газов. Вместе с тем ненаполненный ПТФЭ характеризуется недостаточно высокими механическими свойствами и износостойкостью, низким коэффициентом теплопроводности и, напротив, высоким коэффициентом теплового расширения вблизи комнатной температуры. С целью устранения этих недостатков разработчики идут по пути модифицирования политетрафторэтилена, в том числе путем введения наполнителей в матрицу. С учетом того, что до 90 % машин выходят из строя вследствие недопустимого износа трущихся деталей [8], такие разработки являются весьма актуальными.

Методологической основой изучения материаловедческих проблем полимерных композиционных материалов с аморфно-кристаллической матрицей является структурно-термодинамический анализ структурообразующих процессов и превращений в полимерной матрице композита, а также комплексное исследование физических свойств ПКМ. Такой подход продуктивен и для анализа процессов фрикционного взаимодействия в трибосистемах, так как эти процессы в значительной степени определяются структурой и свойствами исходных материалов.

Другой, не менее важный подход связан с изучением релаксационных процессов в аморфной фазе матрицы композита, являющихся отражением специфики подвижности отдельных фрагментов молекулярной цепи. Исследование релаксационных процессов в полимерных композиционных материалах имеет большое теоретическое и прикладное значение, так как позволяет получить информацию о взаимосвязи свойств с «тонкой» структурой ПКМ.

Актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью ускорения научно-технического прогресса в области создания новых антифрикционных материалов путем формирования научных физических основ модифицирования полимерных композиционных материалов и на их базе разработки новых технологий, позволяющих получать материалы с заданным комплексом физико-механических, теплофизических, триботехнических и иных эксплуатационных свойств.

Метод модифицирования полимерных материалов включением компонент-наполнителей в матрицу, по-прежнему, является одним из наиболее распространенных методов из-за его эффективности, дешевизны и относительно простой технологичности синтеза. Модифицированные наполнителями полимеры и изделия из них хорошо зарекомендовали себя в качестве конструкционных материалов в различных отраслях промышленности.

Отмеченный метод модифицирования эффективен также и при создании антифрикционных материалов на фторопластовой основе. Изделия из них достаточно широко применяются в качестве подшипников, поршневых колец, уплотнительных манжет и тому подобных деталей узлов трения. К изделиям (деталям) предъявляются довольно высокие эксплуатационные требования, так как они предназначены для работы в самых разнообразных условиях. Вместе с тем проведенный анализ исследований, выполненных к настоящему времени в области трибоматериаловедения антифрикционных полимерных композиционных материалов (АПКМ) с аморфно-кристаллической матрицей, в том числе на основе ПТФЭ, показывает, что, несмотря на большие успехи, достигнутые в этой области, все же остается много нерешенных проблем. В этой связи актуальным является исследование влияния наполнителей, разной природы и характеристик, на структуру и свойства фторопластов, выяснение закономерностей и взаимосвязей между характеристиками наполнителей и структурой, с одной стороны, и структурой и свойствами композита - с другой. При этом важными направлениями являются разработка и выбор методов и методик анализа влияния наполнителей-модификаторов на структуру и физические свойства материалов, раскрытие механизмов такого влияния, разработка моделей композитов и прогнозирование на их основе эксплуатационных характеристик АПКМ, а также разработка рекомендаций по выбору наполнителей и их относительному содержанию с целью получения заданной структуры и свойств композитов. Не менее важной задачей является изучение воздействия тепловых и механических полей на эксплуатационные свойства ПКМ.

Актуальность темы диссертационного исследования подтверждается также тем, что исследования выполнялись в соответствии с целевыми программами и координационными планами ГКНТ СССР, АН СССР, Минобразования РФ (Министерства общего и профессионального образования), региональными программами, выполнение которых проводились на кафедре физики Омского государственного технического университета (Омского политехнического института) в рамках хозяйственных договоров и фундаментальных НИР под руководством и непосредственном участии автора. Это программа 0.72.01., утвержденная постановлением ГКНТ СССР и АН СССР № 573/137 от 10.11.85 г. на 1986 - 1990 гг. и постановлением ГКНТ СССР № 167 от 29.05.87.Г., единые наряд - заказы Минвуза РФ (министерства общего и профессионального образования) на выполнение НИР в 1989 - 1996 гг., региональная научно-техническая программа «Омский регион», раздел 5 «Фундаментальные исследования» на 1993 - 1995 г.г.

Цель и задачи работы. Целью работы является разработка физических основ структурной многоуровневой модификации аморфно-кристаллического политетрафторэтилена и обоснованных рекомендаций по получению новых антифрикционных материалов с заданными свойствами на основе установления закономерностей и взаимосвязей структурно-фазовых превращений, изменений вязкоупругих, механических, теплофизических и триботехнических свойств ПКМ с характеристиками и содержанием наполнителей-модификаторов.

Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи: провести анализ известных и полученных автором экспериментальных и теоретических данных по модифицированию линейных аморфно-кристаллических полимеров путем введения в полимерную матрицу добавок различной природы и характеристик; разработать комплекс экспериментальных установок, реализующих методы и методики исследования вязкоупругих свойств для анализа молекулярной подвижности и динамических модулей упругости в широком диапазоне температур и частот; провести исследование надмолекулярной структуры политетрафторэтилена и композиционных материалов на его основе и анализ изменений структурно-фазового состояния в зависимости от состава и свойств компонентов - наполнителей с привлечением термодинамических и кинетических представлений; выполнить комплексные исследования вязкоупругих, механических, триботехнических и теплофизических свойств полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена в широком диапазоне концентраций, температур и частот и выявить закономерности их изменения, вызванные структурной перестройкой матрицы композитов и модифицирующими факторами компонентов - наполнителей в разных физических состояниях; разработать элементы теории, новые расчетные модели и методы, вычислительные алгоритмы для моделирования структуры, расчета релаксационных констант и непрерывных спектров времен релаксации напряжения в модифицированных полимерных материалах; исследовать методами релаксационной спектрометрии особенности сегментальной подвижности молекулярных цепей аморфной фазы политетрафторэтилена, их проявление под влиянием модифицирующих факторов, и установить взаимосвязь изменения структуры и эксплуатационных свойств композитов с матрицей ПТФЭ с изменением молекулярной подвижности, релаксационных спектров и констант; на основе структурного анализа и исследований методами релаксационной спектрометрии раскрыть механизмы влияния содержания и свойств наполнителей-модификаторов и температуры на важные эксплуатационные свойства композитов на основе ПТФЭ; с целью прогнозирования износостойкости композитов на основе ПТФЭ установить возможную взаимосвязь триботехнических характеристик этих материалов с характеристиками механических свойств ПКМ; на основе установленных закономерностей и механизмов влияния содержания и свойств наполнителей-модификаторов на отдельные значимые эксплуатационные свойства композитов разработать модель структурной модификации ПТФЭ в процессе производства и трения; разработать обоснованные рекомендации для целенаправленного регулирования характеристик физико-механических, триботехнических и теплофизических свойств полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена.

Методы исследования. Теоретические методы, включающие математические методы моделирования, термодинамику обратимых и необратимых процессов, кинетику кристаллизации, статистические методы обработки результатов экспериментов, теоретические методы релаксационной спектрометрии.

Экспериментальные методы исследования включали рентгеноструктурный анализ, электронную микроскопию, гидростатический метод определения плотности, физико-химические и физические методы исследования пластмасс: термический анализ методом ДТА, методы исследования теплофизических свойств, методы механических и триботехнических испытаний.

Кроме этого, для исследования вязкоупругих свойств полимеров и композиционных материалов были разработаны экспериментальные установки для определения динамических вязкоупругих характеристик в широком диапазоне температур и частот.

Научная новизна. В результате теоретических и экспериментальных исследований структуры, вязкоупругих, механических, триботехнических и теплофизиче-ских свойств политетрафторэтилена получены следующие новые результаты:

1. Раскрыты механизмы влияния наполнителей-модификаторов разного типа на структурообразующие процессы и сегментальную подвижность цепей ПТФЭ, раскрывающие особенности взаимодействия наполнителей с разным уровнем структурной активности с аморфно-кристаллической полимерной матрицей с позиций кинетики кристаллизации, изменения конформации цепей и межмолекулярного взаимодействия.

2. Предложена физическая модель структурной модификации политетрафторэтилена в процессе производства и трения, раскрывающая механизмы влияния наполнителей-модификаторов на механические, теплофизические свойства и износостойкость полимера на трех уровнях структурной организации: молекулярном, надмолекулярном и макроуровне.

3. Разработаны расчетная модель, метод и вычислительные алгоритмы для моделирования мелкомасштабной и сегментальной подвижности молекулярных цепей полимера, а также для расчета непрерывных спектров времени релаксации напряжения и констант релаксационных процессов с использованием линейного и нелинейного регрессионного анализа в сочетании с методом регуляризации по Тихонову.

4. Рассчитаны и проанализированы спектры времен релаксации напряжения и релаксационные константы композитов на основе политетрафторэтилена в области механического стеклования. Показана принципиальная возможность использования релаксационных констант для оценки структурной микронеоднородности аморфной фазы наполненных полимеров.

5. Предложен новый метод определения предельных концентраций относительного содержания компонент-наполнителей по изменению энтропии фазового перехода в кристаллической фазе политетрафторэтилена, позволяющий оценить уровень адгезии наполнителя к полимеру и вклад межфазного слоя (МФС), образующегося на границе раздела полимер - наполнитель, в теплофизические свойства композитов с матрицей ПТФЭ, и более полно учесть влияние модификаторов на теплофизические и триботехнические свойства полимерных композитов.

6. Доказано, что энергия активации процесса механического стеклования аморфной фазы ПТФЭ в отличие от большинства аморфно-кристаллических полимеров зависит от температуры и может быть описана уравнением Фогеля-Фульчера-Таммана. Показано также, что эмпирическая функция памяти Кольрау-ша удовлетворительно описывает а - релаксационный процесс в аморфной фазе ПТФЭ только в области температур, несколько превышающих температуру механического стеклования.

7. Разработана физико-математическая модель структурно-неоднородных сред типа наполненного полимера с использованием понятий и принципов клеточных автоматов, позволяющая имитировать на микроуровне основные структурообразующие процессы: стохастический процесс кластеризации частиц наполнителя в полимерной матрице, процесс образования межфазного слоя на границе раздела «матрица-частица наполнителя», процесс превращения жидкой матрицы (расплава) в одно из физических состояний полимерной матрицы в присутствии частиц наполнителя.

8. Разработаны и обоснованы методы прогнозирования комплекса эксплуатационных свойств ПКМ на основе политетрафторэтилена, включающие прогнозирование характеристик механических свойств и скорости изнашивания на основе регрессионного и корреляционного анализа.

Практическая значимость работы. Практический выход работы заключается в разработке физической модели структурной модификации политетрафторэтилена и обоснованных рекомендаций по выбору наполнителей-модификаторов полимерных композиционных материалов на основе аморфно-кристаллических полимеров, позволяющих осуществлять синтез новых материалов с комплексом требуемых эксплуатационных свойств, всесторонне оценить поведение аморфно-кристаллических полимеров и их композиций в механических и тепловых полях.

Предложены практические рекомендации по оценке воздействия модифицирующих факторов на вязкоупругие, деформационно-прочностные и теплофизиче-ские свойства композитов на основе ПТФЭ.

На основе регрессионных уравнений, определяющих корреляционную связь скорости изнашивания с некоторыми деформационно-прочностными характеристиками, предложена методика прогнозирования износостойкости ПКМ.

В рамках метода неразрушающего контроля предложена методика составления технологических карт с целью выбраковки изделий из ПКМ, полученных с нарушением технологии их изготовления.

Результаты работы в виде рекомендаций по оптимальным концентрациям, типам наполнителей, а также справочные данные по концентрационным, температурным и частотным зависимостям динамических модулей упругости, теплоемкости, линейного расширения многокомпонентных ПКМ переданы ОАО «Омскгидропри-вод» и ОАО «Сибкриотехника». Разработанные на основе рекомендаций ПКМ применяются в производстве уплотняющих элементов герметизирующих устройств гидроагрегатов сельскохозяйственного и дорожно-строительного машиностроения на ОАО «Омскгидропривод», а также в производстве уплотняющих и направляющих элементов изделий микрокриогенной техники (MKT) на ОАО «Сибкриотехника». Использование теоретических и экспериментальных результатов работы позволило на перечисленных предприятиях повысить надежность, долговечность и другие эксплуатационные характеристики аппаратуры, содержащей металополимерные узлы. Так применение новых ПКМ позволило существенно повысить надежность уплотнений приводных валов гидромоторов и насосных агрегатов и практически исключить отказы агрегатов в эксплуатации по не герметичности. Применение уплотнений и направляющих элементов тяжелонагруженных узлов конструкций в изделиях MKT позволили увеличить их ресурс в 1,5-2 раза и снизить затраты на эксплуатацию до 3 - 5 %. Эффективность применения ПКМ подтверждается результатами длительных стендовых испытаний.

Результаты работы могут быть использованы также на других авиа - и машиностроительных предприятиях, занимающихся разработкой конструкций и узлов трения с использованием полимерных композиционных материалов.

Результаты научных исследований, проведенные в рамках данной работы, были включены в спецкурсы, прочитанные автором для студентов специальностей 190900 и 220100.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Механизмы влияния наполнителей-модификаторов на структурообразующие процессы и сегментальную подвижность цепей ПТФЭ, раскрывающие особенности взаимодействия наполнителей с разным уровнем структурной активности с аморфно-кристаллической полимерной матрицей с позиций кинетики кристаллизации, изменения конформации цепей и межмолекулярного взаимодействия.

2. Физическая модель структурной модификации политетрафторэтилена в процессе производства и трения, раскрывающая механизмы влияния наполнителей-модификаторов на механические, теплофизические свойства и износостойкость полимера на трех уровнях структурной организации: молекулярном, надмолекулярном и макроуровне, и позволяющая сформулировать критерии выбора типа и состава полимерных композиционных материалов с целью получения оптимальных эксплуатационных свойств.

3. Физико-математическая модель структурно-неоднородных сред типа наполненного полимера с использованием понятий и принципов клеточных автоматов, позволяющая имитировать основные структурообразующие процессы: стохастический процесс кластеризации частиц наполнителя в полимерной матрице, процесс образования межфазного слоя на границе раздела «матрица-частица наполнителя», процесс превращения жидкой матрицы (расплава) в одно из физических состояний полимерной матрицы в присутствии частиц наполнителя.

4. Расчетная модель и вычислительный алгоритм для определения непрерывного спектра времен релаксации напряжения полимерных материалов, обусловленного мелкомасштабной или сегментальной подвижностью цепей полимерной матрицы, по данным о спектрах внутреннего трения, основанные на представлении об ансамбле релаксаторов с дискретным временем релаксации с использованием нелинейного регрессионного анализа в сочетании с регуляризацией по Тихонову.

5. Метод и вычислительный алгоритм для расчета релаксационных констант релаксационного а- перехода (стеклование полимера) по данным о спектрах внутреннего трения на основе линейного регрессионного анализа в сочетании с регуляризацией по Тихонову.

6. Метод определения предельных концентраций относительного содержания наполнителей-модификаторов по изменению энтропии фазового перехода в кристаллической фазе политетрафторэтилена, позволяющий качественно оценить степень адгезии наполнителя к полимеру и вклад межфазного слоя в теплофизиче-ские свойства композитов с матрицей ПТФЭ.

7. Методика оценки степени структурной микронеоднородности аморфной фазы модифицированных полимерных материалов, основанная на сравнительном анализе параметров экспериментально наблюдаемого и расчетного уширения спектров внутреннего трения в области механического стеклования аморфной фазы полимерной матрицы.

8. Регрессионные уравнения, определяющие корреляционную связь скорости изнашивания с деформационно-прочностными характеристиками композиционных материалов на основе ПТФЭ.

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на Международных, Всесоюзной, Республиканских и Всероссийских научно-технических и практических конференциях, в том числе на III Всесоюзной научно-технической конференции «Композиционные полимерные материалы - свойства, производство и применение» (г. Москва, 1987 г.); IX Уральской научно-технической конференции «Физические методы и приборы неразрушающего контроля» (г. Ижевск, 1989 г.); научно-технической конференции «Применение композиционных материалов в народном хозяйстве» (г. Солигорск, 1992 г.); Межвузовской научно-практической конференции «Развитие научной деятельности студентов на основе экспериментальных достижений в области теплофизики дисперсных систем» (г. Киев, 1992 г.); Всероссийской конференции «Переработка полимерных материалов в изделия» (г. Ижевск, 1993 г.); I, II, 1П, Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (г. Омск, 1995, 1997, 1999 гг.); Всероссийской конференции «Химия твердого тела и новые материалы» (г. Екатеринбург, 1996 г.); XIV Российской научно-технической конференции «Неразру-шающий контроль и диагностика» (г. Москва, 1996 г.); Российской научно-технической конференции «Материаловедение и технология материалов» (г. Москва, 1997 г.); VI Международной конференции «Химия и физикохимия олигомеров» (г. Казань, 1997 г.); XXXXXII Международной научно-технической конференции профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов БГПА «Технические вузы - республике» (г. Минск, 1997 г.); П1 Всеукраинской научной конференции «Фундаментальная и профессиональная подготовка студентов по физике» (г. Киев, 1998 г.); VI Международной конференции «Computer-Aided Design of Advanced Materials and Technologies» (г. Томск, 2001), Второй Международной научно-технической конференции «Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных сред» (г. Барнаул, 2001).

Публикации. Основные научные результаты исследований, выполненных по теме диссертационной работы, изложены в 48 научных публикациях. Под руководством автора подготовлены 3 кандидатские диссертации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав с выводами, общих выводов и результатов, списка использованной литературы и приложения. Её содержание изложено на 363 стр., включая 251 страницу основного текста, 62 рисунка, 36 таблиц, приложения на 37 стр. и списка литературы из 387 наименований.