Влияние режимов спекания на механизмы изнашивания металлополимерных ПТФЭ-композитов, содержащих диоксид циркония

Цель работы — повышение износостойкости и улучшение триботехнических характеристик металлополимерных композитов на основе ПТФЭ, наполненных наноразмерным ZrO₂, путём оптимизации режимов спекания и выявления механизмов формирования плёнок переноса.

ПТФЭ-композиты с содержанием 8 мас. % ZrO₂ получали методом холодного прессования (80 МПа) с последующим спеканием при 360 °С и выдержкой 20 мин и 9 мин на 1 мм сечения. Трибологические испытания проводили по схеме «палец–диск» в условиях трения без смазочного материала при скорости скольжения 0,75 м/с и нагрузке 2 МПа. Микроструктуру и элементный состав плёнок переноса изучали методами растровой электронной микроскопии и энергодисперсионной спектроскопии.

Установлено, что сокращение выдержки до 9 мин/мм снижает скорость изнашивания до 7,4 мг/ч (в 500 раз ниже ненаполненного ПТФЭ) и уменьшает коэффициент трения с 0,35 до 0,31. Длительная выдержка (20 мин/мм) вызывает остаточные термические напряжения и приводит к абразивному изнашиванию с образованием борозд шириной до 159 мкм. ЭДС-анализ стального контртела показал, что при режиме 9 мин/мм формируется более плотная и стабильная плёнка переноса с повышенным содержанием кислорода (6,43 % против 2,54 % при 20 мин/мм) и циркония (3,78 % против 3,03 %). Наночастицы ZrO₂ обеспечивают направленный теплоотвод из зоны контакта, препятствуя термическому размягчению и пластической деформации полимерной матрицы. Оптимальный режим спекания (9 мин/мм) обеспечивает формирование прочной оксидно-металлической плёнки переноса, защищающей контртело от катастрофического износа. Рекомендуемый период приработки составляет около 6000 с.

1. Хохлов А.В., Охлопкова А.А., Слепцова С.А., Лазарева Н.Н., Тарасова П.Н., Бабайцева А.В., Шапорев А.В., Гулин В.В. Комплексное исследование вязкоупругопластических свойств нанокомпозитов с повышенной износостойкостью на основе Фторопласта-4. Часть 1 // Materials Physics and Mechanics. — 2025 (53), № 3, 177—218. DOI: 10.18149/MPM.5332025_14

2. Ye J., Burris D.L., and Xie T. A Review of Transfer Films and Their Role in Ultra-Low-Wear Sliding of Polymers // Lubricants. — 2016 (4), no. 1, 4. DOI: 10.3390/lubricants4010004

3. Bahadur S. The Development of Transfer Layers and Their Role in Polymer Tribology // Wear. — 2000 (245), nos. 1–2, 92—99

4. Охлопкова А.А., Петрова П.Н., Алексеева О.В. Влияние нанонаполнителей на структуру и свойства пленок переноса композитов на основе политетрафторэтилена // Вестник Северо-Восточного федерального университета. — 2020, № 3(77), 15—24

5. Vasilev A., Okhlopkova A., Struchkova T., Alekseev A., and Lazareva N. Tribological Properties of Polytetrafluoroethylene with Mechanically Activated Carbon Fibers and Zirconium Dioxide // Tribology in Industry. — 2025 (47), no. 1, 137—150. DOI: 10.24874/ti.1894.01.25.03

6. Dong Z., Tang H., Yang B., Wang, S., Li Y., and Liu L. Tribological and Mechanical Properties of PEEK/PTFE Composites Filled with Nano-ZrO2: Molecular Dynamics Simulation and Experimental Study // Journal of Materials Engineering and Performance. — 2025. DOI: 10.1007/s11665-025-12808-9

7. Negrov D.A., Putintsev V. Yu., and Knyazev E.V. The Effect of Ultrasonic and Low-Frequency Vibrations during Pressing on the Morphology and Tribological Properties of a Polymer Composite // Journal of Mechanical Science and Technology. — 2025 (39), no. 3, 1141—1149. DOI: 10.1007/s12206-025-0210-9

8. Berladir K. and Gusak O. Influence of Mechanically Activated Fillers of Different Chemical Nature on Tribotechnical Properties of PTFE-Composites // Advanced Manufacturing Processes. InterPartner 2019 / ed. by V. Tonkonogyi et al. — Cham: Springer. — 2020. – (Lecture Notes in Mechanical Engineering). DOI: 10.1007/978-3-030-40724-7_40

9. Адаменко Н.А., Агафонова Г.В., Чистяков А.С., Ефремов Д.Е., Палагин Н.А., Шувалова К.И. Исследование влияния взрывного прессования на структуру и свойства композита на основе политетрафторэтилена с оксидом алюминия // Известия Волгоградского государственного технического университета. — 2026, № 2(309), 44—48. DOI: 10.35211/1990-5297-2026-2-309-44-48

10. Strabelli P.G., Sciuti V.F., Montilha F.S., Canto L.B., and Canto R.B. Effects of Sintering Variables on Microstructure of Isostatically Pressed PTFE Parts // Polimers. — 2014 (24), no. 5, 612—619. DOI: 10.1590/0104-1428.1660

11. Glaris P., Coulon J.F., Dorget M., and PoncinEpaillard F. Thermal Annealing as a New Simple Method for PTFE Texturing // Polymer. — 2013 (54), no. 21, 5858—5864

12. Gao G., Gong J., Qi Y., Ren J., Wang H., Yang D., and Chen S. Tribological Behavior of PTFE Composites Filled with PEEK and NanoZrO2 // Tribology Transactions. — 2020 (63), no. 2, 296—304. DOI: 10.1080/10402004.2019.1687796

13. Гулькин А.В., Теплоухов А.А., Семенюк Н.А., Сазанков А.П., Карташова А.Е., Скакун Д.В. Влияние объемной модификации наноразмерными частицами диоксида циркония на структуру и механические свойства композиционного материала на основе политетрафторэтилена // Омский научный вестник. Серия Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. — 2024 (8), № 4, 100—106. DOI: 10.25206/2588-0373-2024-8-4-100-106

14. Негров Д.А., Путинцев В.Ю., Князев Е.В., Глотов В.И., Вебер Д.А. Влияние энергии колебательных процессов на структуру и свойства композиционного материала // Вопросы материаловедения. — 2025, № 3(123), 122—135. DOI: 10.22349/1994-6716-2025-123-3-122-135

15. Vasilev A.P., Lazareva N.N., Struchkova T.S., Okhlopkova A.A., and Danilova S. N. Mechanical and Tribological Properties of Polytetrafluoroethylene Modified with Combined Fillers: Carbon Fibers, Zirconium Dioxide, Silicon Dioxide and Boron Nitride // Polymers. — 2023 (15), no. 2, 313—325. DOI: 10.3390/polym15020313