نانو کامپوزیت آلومین PTFE - بخش اول

دسته: مقالات منتشر شده در 19 مهر 1400
نوشته شده توسط Admin بازدید: 612

بهبود مقاومت سایشی در نانوکامپوزیت های آلومین - PTFE با ذرات نا منظم

مطالعات گذشته بر روی نانوکامپوزیت های PTFE تا 600 برابر بهبود در مقاومت سایشی را نسبت به PTFE بدون فیلر با افزودن نانوذرات Al₂O₃ نشان دادند. در این مطالعه، از نانوذرات نامنظم برای افزایش ارتباط مکانیکی ذرات PTFE با فیلرها استفاده شده است. خواص تریبولوژیکی نمونه های پرشده با 1، 2، 5 و 10 درصد وزنی تحت فشار نرمال و سرعت لغزش به ترتیب 6.3 مگاپاسکال و 50.8 میلی متر/ ثانیه ارزیابی می شود. مشخص شد که مقاومت سایشی 300 برابر در مقایسه با PTFE بدون فیلر با افزودن 1 درصد وزنی نانوذرات بهبود می یابد. نمونه 5 درصد وزنی دارای کمترین میزان سایش 10-7× K=1.3در حالت پایدار و کمترین ضریب اصطکاک پایدار 0.21 میکرو است.

 

پلی تترا فلوئورو اتیلن (PTFE) بسیاری از خواص تریبولوژیکی مطلوب من جمله اصطکاک کم، دمای ذوب بالا و بی تحرکی شیمیایی را دارا است. همچنین یک روان کنندۀ جامد است که اغلب بعنوان فیلر و ماتریس استفاده می شود. بعنوان یک ماتریس، با ذرات آلومین، روی و نانولوله های کربن به خوبی پر می شود. ساویر و همکارانش از 38 نانومتر فیلر Al₂O₃ برای بهبود عملکرد سایش در PTFE استفاده کردند و در نتیجه، مقاومت سایشی این نانوکامپوزیت بطور یکنواخت با درصد وزنی فیلر افزایش یافت و در نهایت، مقاومت آن 600 برابر بیشتر از PTFE پرنشده در بارگذاری 20 درصد وزنی بود. همچنین بوریس و ساویر، لی و همکاران به پیشرفت های مشابهی در نانوکامپوزیت های اکسید فلز PTFE با درصد وزنی بالای فیلر دست یافتند. با این حال، طرح نانوکامپوزیت ها این بود که درصد وزنی پایین می تواند چنین پیشرفت هایی را ارائه دهد. این مطالعه اولین مطالعه ایی است که نشان می دهد درصد وزنی پایین از ذرات فیلر باعث افزایش بیش از 1000 برابری در میزان سایش می شود. اختلاف بین این کامپوزیت ها و نانوکامپوزیت های قبلی PTFE در این است که شکل نانوذرات برخلاف شکل کروی کامپوزیت های قبلی است.

 

در شکل زیر میکروگراف های TEM نشان دهندۀ تنوع اشکال نانوذرات بکار رفته در مطالعات قبلی و نانوذرات منظم تر بکار رفته در اینجا هستند.

 

شکل 1:

TEM images of the two alumina particles evaluated 

 

این ذرات "80 نانومتری" به وضوح بزرگتر از اندازه گزارش شده شان؛ حتی بزرگتر از ذرات کروی 38 و 44 نانومتری هستند. این ذرات از لحاظ آماری باعث افزایش چشمگیر ضریب اصطکاک و کاهش نرخ سایش نسبت به نانوکامپوزیت های قبلی با اکسید- فلز می شوند. در شکل زیر نیز ضریب اصطکاک هر نمونه بعنوان تابعی از فاصلۀ اسلایدی با بار نرمال 250 N ارائه شده است.

 

شکل 2:

 Plots of wear volume and friction coefficient as a function of sliding distance

 

در ابتدا ضریب اصطکاک هر نمونه پایین بود؛ بین 0.15- 0.2 میکرو. ضریب اصطکاک نمونۀ دارای 10 درصد وزنی به سرعت در مقایسه با مقدار پایدار بالاتر از 0.32 میکرو افزایش یافت؛ در حالی که نمونۀ 1 درصد وزنی قبل از افزایش به میزان مشابه، تقریبآ فاصله اسلایدی 1 کیلومتری را تجربه کرد. بطور کلی، طول این دوره گذرا با کاهش بار ذرات افزایش می یابد و ازطرفی، با تجمع ذرات فیلر در تداخل اسلایدی همراه است. جالب است بدانید که ضریب اصطکاک نمونه 5 درصد وزنی از این روند پیروی نکرده است اما در کل آزمایش در کمتر از 0.22 میکرو باقی ماند. مقادیر ثابت ضریب اصطکاک برای نمونه های 1، 2 و 10 درصد وزنی تقریبآ 0.3 میکرو بود. حجم سایش هر نمونه بعنوان عملکرد فاصله اسلایدی در شکل بالا نیز ارائه شده است. نمونه های کمتر پرشده سایش بالاتری را در ابتدای آزمایش نشان دادند که همزمان با گذرای اولیه در ضریب اصطکاک صورت می گیرد. حجم کل سایش با افزایش غلظت فیلر کاهش یافت اما نرخ سایش در حالت پایدار نسبت به بارگذاری فیلر حساس نبود. نانوذرات نامنظم باعث کاهش قابل ملاحظه ای نرخ سایش در حالت پایدار نسبت به سایر نانوکامپوزیت های PTFE می شوند. با افزودن 1 درصد وزنی نانوذرات نامنظم، مقاومت سایشی 3000 برابر نسبت به PTFE پرنشده بهبود می یابد. چندین پیشنهاد درمورد مکانیسم های حاکم بر کاهش سایش در PTFE پرشده همچون افزایش چسبندگی انتقال فیلم، حمایت بار توسط فیلر، جلوگیری از افزایش کرک توسط فیلر، کنترل اندازه و شکل ارائه شده است. انتقال فیلم در هر نمونه پس از آزمایش بسیار نازک و یکنواخت بود. کمّی سازی ضخامت و یکنواختی این لایه ها بسیار دشوار است اما تورفتگی نانو ضخامت متوسط کمتر از 1000 نانومتر را به احتمال زیاد حدودآ 200 نانومتر نشان می دهد.

فرضیه ما این است لایه های نازکی که با مواد PTFE مقاوم در برابر سایش ایجاد می شوند، از سایش های باقی مانده ناشی شده اند و به تنهایی منبع مقاومت سایشی محسوب نمی شوند. مشاهدات SEM از سه سیستم اکسید- فلز PTFE نشان دهندۀ میکروساختار جدا شده ای است که در آن نقاط PTFE نامینال پرنشده توسط فیبریل های PTFE به هم متصل شده و در فازهای تقویت کنندۀ غنی از ذرات محصور شده اند. نمونۀ 5 درصد وزنی در این مطالعه دارای محفظۀ 5 متری است؛ یک کرّه به این قطر تقریبآ 6000 نانوذرات را در خود جای داده است. فازهای تقویت کننده کرک هایی را در نقاط پر نشده مسدود می کنند؛ در نتیجه، پسماندهای پلاکت را به اندازۀ محفظۀ اصلی ایجاد می کند. با افزایش محتوای فیلرها، اندازه دامنه ها، میزان بافت و نرخ سایش همگی کاهش می یابند. بنابراین اعتقاد بر این است که کاهش اندازۀ پسمانده میتواند همان مکانیسم اصلی کاهش نرخ سایش در این سیستم ها باشد. با بررسی گذرا بودن سایش اولیه برای نمونه های 1-10 درصد وزنی، میتوان اثرات درصد وزنی فیلر را بر نرخ سایش مشاهده کرد. با فرسودگی دامنه های PTFE، سطحی غنی از فیلر باقی می ماند تا بتواند سطح پایدار فیلر و ماتریس را حفظ کند. از آنجا که نمونه 10 درصد وزنی از شروع لغزش ثابت به نظر می رسد، فرض بر این است که به میزان کسری سطح بهینه نزدیک تر است. این احتمال وجود دارد که افزایش بیش از 10 درصد وزنی باعث کاهش سایش ناشی از شکنندگی نقاط دارای غلظت بسیار بالایی از فیلر می شود. تا به امروز این مقدار بصورت کمّی ارائه نشده است و فقط در حد یک بررسی کیفی است. تجمع فیلر در سطح اسلاید قبلا برای میکروکامپوزیت PTFE توسط بلانشت، هان و بلانچ مورد بررسی قرار گرفت.

 

- گنجاندن ذرات فیلر نامنظم در کاهش نرخ سایش PTFE مؤثر بود اما ازطرفی، منجر به افزایش اصطکاک شد؛ همچنین مقاومت سایشی PTFE با 1 درصد وزنی فیلر تا 3000 برابر افزایش یافت.

- مقادیر ثابت اصطکاک و سایش در محدوده 1-10 درصد وزنی حساسیت خاصی به محتوای فیلر نداشت؛ ضریب اصطکاک نمونه با 5 درصد وزنی تقریبآ 30 درصد کمتر از دیگر نمونه ها بود.

- رفتار گذرا اولیه این نانوکامپوزیت ها با نرخ سایش بالا و اصطکاک پایین مشخص می شود؛ همچنین مشخص شد که با کاهش محتوای فیلر، محتوای فیلرها بیشتر نمایان شده و پایدارتر می شوند.