4.5.1. Определение модуля упругости, податливости и релаксации напряжений

Модули упругости полимеров определяют по упругим состав­ляющим деформации образцов. Учитывая длительное действие на­грузок на уплотнительные элементы в процессе их работы и вид напряжений, возникающих в них, податливость и модуль упруго­сти композиций определяли по результатам испытаний на ползу­честь при сжатии. Испытания проведены на установке (рис. 4.46), позволившей определить и релаксацию напряжений.

Установка включает основание 1, две направляющие колонки 2, скрепленные неподвижной траверсой 3 с винтом 4, подвижную траверсу 5 с резьбовой втулкой 6, столик 7, установленный в на­правляющих корпуса 8 и удерживаемый призматической опорой 9 рычага 10 с уравновешивающими грузами 11, узел нагружения, со­стоящий из корпуса 12, упругой У-образной, шарнирно закреплен­ной балки 13 и винта 14, ограничитель 15 и измерительные устрой­ства (индикаторные головки с ценой деления 0,001 мм) 16 и 17 для измерения величины деформаций и нагрузок на образец. Для сту­пенчатого нагружения предусмотрена подвеска 18 с грузами.

Для испытания материалов на ползучесть образец 19 устанавли­вают на столик 7. Перемещением подвижной траверсы 5, контакти­рующей с верхним торцом образца, уравновешенный грузами 11 рычаг 10 выводят в среднее положение и установкой соответст­вующего груза на подвеску 18 создают усилие, действующее на образец. Упругую балку 13 при этом фиксируют в верхнем, а упор - в нижнем положениях, чем обеспечивают свободный ход рычага. Величину деформации образца через назначенные отрезки времени фиксируют индикаторной головкой 16.

При испытаниях материалов на релаксацию напряжений нагру­жение образцов производят через упругую балку 13, а фиксирова­ние постоянства длины образца после нагружения обеспечивают упором 15. После выдержки в течение определенного времени, за­данного условием эксперимента, винтом 14 снимают нагрузку до уравновешивания сил, действующих на рычаг со стороны образца и упругой балки. Величину силы, соответствующей напряжениям в образце, находят исходя из величины силы, действующей со сто­роны упругой балки, которую фиксируют протарированной голов­кой 17, по известным зависимостям с учетом плеч рычага.

Релаксацию напряжений характеризовали относительной вели­чиной ^0, которую определяли соотношением

= 1 - о, /00 , (4.17)

Где о0 - заданное исходное напряжение, создаваемое в образцах, МПа; о, - напряжение в образцах после выдержки при их постоян­ных длинах в течение времени,, МПа.

Выражая напряжения через силы, действующие на образцы, при допущении сохранения площади поперечного сечения можно запи­сать

^о = 1 - Р,/Р0 , (4.18)

Где Р0 - сила, действующая на образец в начальный момент, Н; Р{ - сила, соответствующая напряжениям в деформированных образцах по истечении времени,.

Для определения характеристик были изготовлены образцы ма­териалов из смесей порошков фторопласта-4ДПТ с размерами час­тиц 30—160 и 1—15 мкм с порошками бронзы ОС 6-6 со средними размерами частиц 5, 33, 60, 90, 124, 153 и 180 мкм (предельные значения размеров 1—10; 15—45; 52—72; 74—108; 110—132; 135—160 и

165—210 мкм). Из этих же порошков бронзы готовили смеси для

Образцов материалов на основе фторопласта-40, фторопласта-4МБ с размерами частиц 0,3—5 мкм. Наполнитель вводили в количестве 10; 15 и 20 % по объему сухим смешиванием в механическом сме­сителе. Увеличение количества наполнителя считали не целесооб­разным в связи с ухудшением антифрикционных свойств и увели­чением жесткости, отрицательно сказывающейся на герметизи­рующую способность материалов. Горячее прессование осуществляли при давлении 20 МПа и температурах 650±5 К (для материалов на основе фторопласта-4ДПТ) и 570±5 К (для материа­лов на основе фторопластов-40 и 4МБ) с выдержкой в течение 120 мин (из расчета 10 мин на 1 мм наименьшего размера образца) и охлаждением со скоростью 180 К/ч. Образцы материалов испыты­вали на ползучесть и релаксацию напряжений при сжатии в тече­ние 12 ч при напряжении 12 МПа.

Модули упругости материалов определяли по упругим состав­ляющим деформаций, которые фиксировали при разгружении об­разцов в конце испытаний на ползучесть.

4.5.2. Влияние размеров частиц и количественного соотношения компонентов на модуль упругости, податливость и релаксацию напряжений

Модули упругости всех композиций увеличиваются с увеличе­нием размеров частиц наполнителя до 90—100 мкм (рис. 4.47). Дальнейшее увеличение размеров частиц ведет к снижению значе­ний модуля. Это вызвано изменением удельной поверхности по­рошков, измерения которой показали увеличение ее с увеличением размеров частиц до 80—100 мкм.

Изменение размеров частиц фторопласта вызывает изменение упругости материалов (зависимости 1; 3 и 4; 5). Это вызвано изме­нением структур материалов, формируемых при их изготовлении.

С увеличением количества наполнителя увеличивается модуль упругости, изменяется степень влияния на него размеров частиц.

Размеры частиц порошков наполнителя и фторопласта, как и их количественные соотношения, влияют на податливость материалов (рис. 4.48) и релаксацию напряжений (табл. 4.9). Податливость композиций уменьшается с увеличением размеров частиц наполни­теля до 90—120 мкм. Причем меньшей податливостью обладают материалы на основе фторопласта с размерами частиц, обеспечи­
вающими выгодные условия формирования структур наполненных

Материалов (зависимости 4 и 5).

Таблица 4.9

Значения относительных изменений напряжений в материалах на основе фторопласта-4ДПТ за 12 ч

Материалы на основе фторопластов-40 и -4МБ подвергаются меньшей деформации и меньшему влиянию на податливость коли­чества наполнителя (зависимость 6 и 7).

Скорость податливости (или ползучесть) уменьшается во вре­мени и зависит от количества наполнителя, марки фторопласта - основы материала, размера частиц (рис. 4.49). Для наполненных фторопластов (10—20 % наполнителя) скорость податливости уже через 6—10 ч уменьшается до 0 (зависимости 2-7).

Чистый (без наполнителя) фторопласт обладает относительно высокой скоростью податливости (в 2,5—5 раз выше по сравнению с наполненным) (зависимость 1). Наименьшей скоростью податли­вости и временем уменьшения ее до 0 обладают материалы на ос­нове фторопласта-40 (зависимости 6 и 7). Близка к ней скорость податливости для материалов на основе фторопласта-4МБ.

Относительное изменение напряжений имеет более высокие значения для материалов на основе фторопласта-4 ДПТ с размерами частиц йф = 30-160 мкм. Значения их уменьшаются при увеличе­нии количества наполнителя и увеличении размеров его частиц. Причем при увеличении размеров частиц значения относительных изменений напряжений достигают минимума, а затем увеличива­ются (см. табл. 4.9).

Таким образом, зависимости характеристик, определяющих герметизирующую способность материалов, от размеров частиц порошковых наполнителей показывают, что оптимальные размеры частиц находятся в пределах 60—120 мкм, а лучшей основой по этим характеристикам для уплотнительных материалов является фторопласт-40 или -4МБ.

При изучении характеристик не учитывалось влияние техноло­гических факторов, влияние которых может в определенной степе­ни сказаться на рассмотренные зависимости, поэтому требуется проведение оптимизации количественного соотношения компонен­тов и размеров частиц наполнителя во взаимодействии с техноло­гическими факторами. Необходимо также учитывать состояние и тип наполнителя.