ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Политетрафторэтилен (ПТФЭ) обладает исключительной химической стойкостью и малым коэффициентом трения, однако низкие прочностные характеристики и износостойкость существенно сужают область применения ПТФЭ в трибологических узлах. В связи с этим целью настоящей работы являлось установление закономерностей совместного влияния геометрического фактора нанонаполнителей и параметров криогенной обработки на структурно-фазовую эволюцию и комплекс свойств ПТФЭ-нанокомпозитов. Материалы и методы исследования. Объектами исследования служили ПТФЭ без наполнителей и оптимизированные нанокомпозитные системы, содержащие 1,0 масс. % наноразмерной слюды и 1,5 масс. % наноразмерного оксида алюминия соответственно. Формование образцов осуществляли методом холодного прессования с последующим спеканием. Криогенную выдержку проводили в среде жидкого азота при температуре −185 °C, варьируя время выдержки (8, 12 и 16 ч). Оценку механических и трибологических характеристик, а также анализ структурных превращений выполняли с использованием рентгенофазового анализа (РФА), ИК-спектроскопии с преобразованием Фурье (ИК-Фурье) и растровой электронной микроскопии (РЭМ). Результаты и обсуждение. Установлено, что введение обоих типов нанонаполнителей в исходный ПТФЭ (предел прочности при растяжении ~27,6 МПа) обеспечивает повышение предела прочности и износостойкости. При этом установлено, что чувствительность композиционных материалов к криогенной обработке зависит от геометрии частиц наполнителя. Для композита с наноразмерной слюдой максимальная прочность зафиксирована при минимальной длительности выдержки (8 ч) и составляет ~37,9 МПа; для композита с наноразмерным оксидом алюминия максимальное значение зафиксировано после выдержки в течение 16 ч (~36,5 МПа). Аналогичные закономерности установлены для твердости и износостойкости. Данные РФА свидетельствуют об упорядочении кристаллической структуры и усилении межфазного взаимодействия наполнителя с полимерной матрицей, а результаты РЭМ подтверждают формирование более стабильных межфазных границ в композитах с наноразмерным оксидом алюминия. Продолжительная криогенная обработка приводит к развитию межфазной гетерогенности и образованию дефектов в материале с наноразмерной слюдой, что обусловлено ее чешуйчатой морфологией. Заключение. Морфология наполнителя является ключевым фактором, определяющим эффективность криогенной обработки ПТФЭ-нанокомпозитов. После длительной криогенной обработки глобулярный наноразмерный оксид алюминия обеспечивает превосходные показатели прочности при растяжении, твердости и износостойкости по сравнению с чешуйчатой наноразмерной слюдой. Установленные структурно-свойственные корреляции имеют большое значение для разработки ПТФЭ-нанокомпозитов, ориентированных на работу в условиях интенсивного трения и износа.

1. Role of reinforcement on the tribological properties of polytetrafluoroethylene composites: A comprehensive review / D. Deshwal, S.U. Belgamwar, S.I. Bekinal, M. Doddamani // Polymer Composites. – 2024. – Vol. 45. – P. 14475–14497.

2. Puts G.J., Crouse P., Ameduri B.M. Polytetrafluoroethylene: Synthesis and characterization of the original extreme polymer // Chemical Reviews. – 2019. – Vol. 119. – P. 1763–1805.

3. Dhanumalayan E., Joshi G.M. Performance properties and applications of polytetrafluoroethylene (PTFE) – A review // Advanced Composites and Hybrid Materials. – 2018. – Vol. 1. – P. 247–268.

4. Zhao G., Zhu S. Al?O?/PTFE composites for marine self-lubricating bearings: Modulation mechanism of alumina particle size on material mechanical properties and tribological behaviour // Lubricants. – 2025. – Vol. 13 (9). – DOI: 10.3390/lubricants13090377.

5. Kinloch A.J., Taylor A.C. The mechanical properties and fracture behaviour of epoxy–inorganic micro- and nano-composites // Journal of Materials Science. – 2006. – Vol. 41. – P. 3271–3297.

6. Chemical and mechanical characterization of unprecedented transparent epoxy–nanomica composites – New model insights for mechanical properties / G. Ongaro, A. Pontefisso, E. Zeni, F. Lanero, A. Famengo, F. Zorzi, M. Zaccariotto, U. Galvanetto, P. Fiorentin, R. Gobbo, R. Bertani, P. Sgarbossa // Polymers. – 2023. – Vol. 15. – P. 1456. – DOI: 10.3390/polym15061456.

7. Cheng H.Y., Jiang G.J., Hung J.Y. Enhanced mechanical and thermal properties of PS/mica and PMMA/mica nanocomposites by emulsion polymerization // Polymer Composites. – 2009. – Vol. 30 (4). – P. 351–356.

8. On the importance of specific interface area in clay nanocomposites of PMMA filled with synthetic nano-mica / M. Ziadeh, B. Fischer, J. Schmid, V. Altstädt, J. Breu // Polymer. – 2014. – Vol. 55 (16). – P. 3770–3781. – DOI: 10.1016/j.polymer.2014.05.063.

9. Panda J.N., Bijwe J., Pandey R.K. On the significant enhancement in the performance properties of PAEK composite by inclusion of a small amount of nano-mica particles // Tribology International. – 2019. – Vol. 136. – P. 87–104.

10. Effect of filler particle shape on plastic–elastic mechanical behavior of high density poly(ethylene)/mica and poly(ethylene)/wollastonite composites / L. Lapcík, D. Manas, B. Lapcíková, M. Vašina, M. Stanek, K. Cépe, J. Vlcek, K.E. Waters, R.W. Greenwood, N.A. Rowson // Composites Part B: Engineering. – 2018. – Vol. 141. – P. 92–99. – DOI: 10.1016/j.compositesb.2017.12.035.

11. Effect of particle size on the wear resistance of alumina-filled PTFE micro- and nanocomposites / S.E. McElwain, T.A. Blanchet, L.S. Schadler, W.G. Sawyer // Tribology Transactions. – 2008. – Vol. 51 (2). – P. 247–253.

12. Hybrid of micro-aramid and nano-alumina prominently enhanced the wear resistance of polytetrafluoroethylene composites / Y. Tian, R. Li, Z. Wang, S. Zheng, Q. Che, J. Zhang // Journal of Reinforced Plastics and Composites. – 2024. – Vol. 44. – P. 2138–2148. – DOI: 10.1177/07316844241253467.

13. Tóth L.F., De Baets P., Szebényi G. Thermal, viscoelastic, mechanical and wear behaviour of nanoparticle filled polytetrafluoroethylene: A comparison // Polymers. – 2020. – Vol. 12 (10). – P. 1940.

14. Burris D.L., Sawyer W.G. Improved wear resistance in alumina-PTFE nanocomposites with irregular shaped nanoparticles // Wear. – 2006. – Vol. 260. – P. 915–918.

15. Burris D.L., Sawyer W.G. Tribological sensitivity of PTFE/alumina nanocomposites to a range of traditional surface finishes // Tribology Transactions. – 2005. – Vol. 48 (2). – P. 147–153.

16. To investigate the wear mechanism on cryogenic treatment of PTFE-mica filled composite coatings in cookware / V.S. Damdhar, K.N. Pande, D.R. Peshwe, C.L. Gogte // Transactions of the Indian Institute of Metals. – 2015. – Vol. 68 (4). – P. 611–621. – DOI: 10.1007/s12666-014-0491-7.

17. Brown E.N., Dattelbaum D.M. The role of crystalline phase on fracture and microstructure evolution of polytetrafluoroethylene (PTFE) // Polymer. – 2005. – Vol. 46 (9). – P. 3056–3068.

18. Mechanical and tribological properties of polytetrafluoroethylene composites with carbon fiber and layered silicate fillers / A.P. Vasilev, T.S. Struchkova, L.A. Nikiforov, A.A. Okhlopkova, P.N. Grakovich, E.L. Shim, J.-H. Cho // Molecules. – 2019. – Vol. 24 (2). – P. 224.

19. X-ray powder diffraction study of polytetrafluoroethylene / Yu.A. Lebedev, Yu.M. Korolev, V.M. Polikarpov, L.N. Ignat’eva, E.M. Antipov // Crystallography Reports. – 2010. – Vol. 55 (4). – P. 609–614.

20. Structure of polytetrafluoroethylene modified by the combined action of γ-radiation and high temperatures / A.S. Smolyanskii, E.D. Politova, O.A. Koshkina, M.A. Arsentyev, P.P. Kusch, L.V. Moskvitin, S.V. Slesarenko, D.P. Kiryukhin, L.I. Trakhtenberg // Polymers. – 2021. – Vol. 13 (21). – P. 3678.

21. Patterson A.L. The Scherrer formula for X-ray particle size determination // Physical Review. – 1939. – Vol. 56. – P. 978–982.

22. The effect of crystallinity on the fracture of polytetrafluoroethylene (PTFE) / E.N. Brown, P.J. Rae, E. Bruce Orler, G.T. Gray III, D.M. Dattelbaum // Materials Science and Engineering: C. – 2006. – Vol. 26 (8). – P. 1338–1343.

23. XPS and FTIR studies of polytetrafluoroethylene thin films obtained by physical methods / J. Piwowarczyk, R. Jedrzejewski, D. Moszynski, K. Kwiatkowski, A. Niemczyk, J. Baranowska // Polymers. – 2019. – Vol. 11 (10). – P. 1629.

24. Enhancement of friction and wear performance of polytetrafluoroethylene composites through the synergistic effect of hard fillers / D. Yang, Q. Niu, H. Wang, G. Gao, G. Zhao, H. Yang, T. Lv, S. Yang, J. Zhang // Polymer Composites. – 2024. – Vol. 46. – P. 4112–4128. – DOI: 10.1002/pc.29227.

25. Tribological and mechanochemical properties of nanoparticle-filled polytetrafluoroethylene composites under different loads / W. Lv, T. Wang, Q. Wang, K.K. Yap, F. Song, C. Wang // Polymers. – 2024. – Vol. 16 (7). – DOI: 10.3390/polym16070894.

26. Cryogenic mechanical properties and stability of polymer films for liquid oxygen hoses / Y. Cui, J. Yan, J. Li, D. Chen, Z. Wang, W. Yin, Z. Wu // Polymers. – 2023. – Vol. 15 (16). – P. 3423. – DOI: 10.3390/polym15163423.

27. Nikonovich M., Ramalho A., Emami N. Effect of cryogenic aging and test-environment on the tribological and mechanical properties of PEEK composites // Tribology International. – 2024. – Vol. 194. – DOI: 10.1016/j.triboint.2024.109554.

28. Mechanical and tribological properties of polymer composite materials based on PTFE filled with natural mica and magnesium aluminium oxide / I. Kapitonova, P. Tarasova, N. Lazareva, A. Okhlopkova, S. Danilova // Tribology and Materials. – 2025. – Vol. 4 (2). – P. 56–65. – DOI: 10.46793/tribomat.2025.010.

29. Molecular dynamics simulation and experimental study of the mechanical and tribological properties of GNS-COOH/PEEK/PTFE composites / Z. Dong, H. Tang, B. Yang, S. Wang, Y. Li, L. Liu // Polymers. –2024. – Vol. 16. – DOI: 10.3390/polym16182572.

30. The dominant role of nanofiller?induced tribochemistry in determining the tribological characteristics of PTFE composite systems / S. Huang, Y. Yin, X. Fang, D. Wei, Y. Yuan, Q. Chen // Polymer Composites. – 2025. – Vol. 47. – P. 4480–4489. – DOI: 10.1002/pc.70440.