PEEK تقویت شده با الیاف PTFE

دسته: مقالات منتشر شده در 15 آذر 1400
نوشته شده توسط Admin بازدید: 763

کامپوزیت های پلی اتر اترکتون (PEEK) تقویت شده با الیاف پلی تترافلوئور اتیلن (PTFE)

این مقاله ازفیلامنت های پلی تترافلوئور اتیلن منبسط شده با مقاومت بالا (ePTFE) بعنوان تقویت کننده الیاف و مخزنی برای روان کننده های جامد استفاده می کند. هدف از این کار کاهش سایش کامپوزیت ها با تنظیم انتقال PTFE است. فیلم های PTFE منبسط شده شبکه ای متخلخل از گره های PTFE و فیبریل ها هستند، در حالی که فیلامنت های PTFE کاملآ جهت دار الیاف کریستالی هم ترازی هستند که الیاف با استحکام بالا را نیز شامل می شوند که قابلیت تابیده شدن بصورت نخ را دارند. استحکام حاصل از این فیلامنت ها میتواند از 500 مگاپاسکال فراتر رود. کامپوزیت هایی که بهترین عملکرد را داشتند، حاوی فیلامنت های ePTFE در تراز نرمال با سطح مقابل بودند. نرخ سایش بدست آمده از گنجاندن فیلامنت های PTFE منبسط شده بهتر از کامپوزیت های PTFE-PEEK حاوی پودر معمولی بود که به مقادیر کمتر از 10⁻⁸ mm³/Nm ×  k=7می رسید و ضرایب اصطکاک پایدار زیر μ=0.125 را برای بیش از 2 میلیون سیکل نشان داد.

 

کامپوزیت های پلیمری اغلب در کاربردهایی که نمی توان از روانکاری سیال سنتی استفاده کرد، استفاده می شوند. روانکاری جامد به دلیل تمیزی، سادگی و محدوده دمایی بسیار مفید است اما دستیابی به ترکیبی از اصطکاک کم و سایش همچنان چالش برانگیز است. متریال کامپوزیت طراحان را به تنظیم خواص و دستیابی به نرخ سایش ثابت و کم، در عین حفظ ضریب اصطکاک پایین قادر می سازد. پلیمرهای تقویت شده با الیاف از نرخ سایش بهبود یافته ای برخوردار بوده و همچنین دارای خواص ساختاری عالی هستند. در رویکرد طراحی سنتی از الیاف برای تقویت ذرات فیلر در روانکاوی استفاده شده است. اخیرآ اثبات شده است که نانولوله های کربن هم تقویت کننده هستند و هم در فرایند روانکاری کاربرد دارند. پلی اتر اترکتون (PEEK) یک ماده ماتریسی مطلوب به دلیل استحکام و مقاومت سایشی برای کامپوزیت های تریبولوژیکی است. همچنین یک پلیمر برای قالب گیری تزریقی با دمای عملیاتی و مقاومت شیمیایی بالا است. مک کوک و همکاران فیلرهای PEEK در محیط های مختلف را مورد بررسی قرار دادند. سایر محققان نیز نانوفیلرهای سرامیکی و پلی تترافلوئور اتیلن (PTFE) را در PEEK بررسی کرده اند؛گنجاندن PTFE در PEEK باعث کاهش ضریب اصطکاک شد. همچنین بوریس و همکارانش به این نتیجه رسیدند که μ=0.36 پر نشده به μ=0.11 در 50 درصد وزنی PTFE بهبود یافته بود. نرخ سایش و ضرایب اصطکاک کامپوزیت های مختلف PEEK در شکل زیر ارائه شده اند.

 

شکل 1:

 

 The performance of various PEEK composites

PTFE از خواص مفیدی من جمله اصطکاک پایین، نشت گاز کم، قابلیت دمای بالا و خنثی سازی شیمیایی بالا برخوردار است که آن را به یک ماده پرکننده ایده آل در طیف گسترده ای از مواد تبدیل می کند. PTFE منبسط شده حالت فیبریل شدۀ PTFE حاوی یک شبکۀ متخلخل از فیبرهای PTFE است که به گره های متراکم PTFE متصل شده است. فیلم های PTFE منبسط شده می توانند چگالی و شکل های مختلفی با تخلخل های بین 5 تا 90 درصد داشته باشند. PTFE بهبود یافته نسبت استحکام به وزن و مقاومت سایشی را در مقایسه با PTFE کاملآ متراکم افزایش می دهد. متریال مش مانند قبلآ درتریبولوژی بعنوان ماده پوششی با ماتریس اپوکسی استفاده شده است. نکته جالب توجه اینجاست که فیلامنت های PTFE جهت دار که از الیاف  PTFEمنبسط شده با مقاومت بالا حاصل می شوند، بعنوان یک فیلر کاملآ نادیده گرفته می شوند. این فیلامنت ها دارای تبلور و استحکام بالایی هستند و در عین حال، خواص مطلوب PTFE متراکم را حفظ می کنند. هدف از این مقاله، طراحی یک کامپوزیت متراکم با استفاده فیلامنت های PTFE منبسط شده در یک ماتریس با مقاومت سایشی (PEEK) است. فرض بر این است که نرخ سایش را بتوان با جلوگیری از انتقال PTFE و متعاقبآ نازک شدن لایه های انتقال تنظیم کنیم.

 

ضرایب اصطکاک برای PEEK پرنشده نسبتآ بالا و آشفته با مقادیر متوسط μ=0.37 بود. افزودن PTFE ضریب اصطکاک را برای همه شرایط بارگذاری کاهش داد. در شکل زیر داده حاصل از بارگذاری فیلر نشان داده شده است.

 

شکل 2:

 Friction coefficient versus PTFE filler loading

 

PEEK پرشده پودر PTFE در بارگذاری مشابه با فیلامنت های ePTFE دارای ضریب اصطکاک μ=0.13 بود اما در نرخ های سایشی مشابه مشاهده نشد. علاوه بر ارائه نتایج حاصل از آزمایشات کششی و سایشی انجام شده در جدول زیر، همچنین اثبات شد که طول فیبر 2.5 میلیمتر است.

 

جدول 1:

 Results of the fiber pull out tests

 

همراه با قطر 180 میکرومتر فیلامنت، استحکام برشی سطحی تقریبآ 7.7 مگاپاسکال است. فیلامنت های هم تراز بهترین بهره وری را در عملکرد تریبولوژیکی کامپوزیت ها داشتند و همانطور که در مطالعات قبلی بیان شده است، آرایش بهینه الیاف در جهت اسلاید نرمال است. هم ترازی مولکولی زنجیره های PTFE در داخل فیلامنت ها باعث استحکام الیاف ePTFE می شود. قبلآ گفته شده بود که فیلم های انتقال نازک تر منجر به کاهش نرخ سایش می شوند. مطالعات قبلی فیلم انتقال غیرشفاف مرتبط با کامپوزیت های PTFE دارای مقاومت سایشی را مشاهده کردند. مطابق با مطالعات قبلی ضریب اصطکاک و مقاومت سایشی هم در آرایش نمونه و هم در بارگذاری رضایت بخش بودند. مقاومت سایشی بسیار حساس تر از ضریب اصطکاک است که در تمام نمونه ها بطور قابل توجهی پایین بود. بطور کلی، این کامپوزیت ها به برخی از بهترین کامپوزیت های تشکیل دهندۀ PEEK/PTFE شباهت داشتند. توانایی بدست آوردن چنین پیشرفت های چشمگیری در خواص از هم ترازی زنجیره PTFE مسیرهای منحصر به فردی را برای تنظیم، طراحی و توسعه فیلم انتقال PTFE فراهم می کند.

 

این مقاله به بررسی گنجاندن فیلامنت های PTFE در PEEK می پردازد. نرخ سایش حاصل از کامپوزیت های پرشده با ePTFE بهتر از کامپوزیت های PTFE-PEEK پرشده با فیلر معمولی بود. علاوه براین، ePTFE-PEEK تغییر اندکی در سطح اسلاید داشتند؛ ضرایب اصطکاک کامپوزیت های PTFE-PEEK منبسط شده و هم تراز کمتر از سایر کامپوزیت های آزمایش شده بود.

- گنجاندن PTFE در PEEK بطور قابل ملاحظه ای هم ضریب اصطکاک و هم نرخ سایش مواد بکر را کاهش می دهد.

- گنجاندن فیلامنت های  ePTFEکه عمود بر سطح اسلاید هستند، در مقایسه با کامپوزیت های پرشده با ذرات باعث کاهش سرعت سایش می شوند. نرخ سایش 10⁻⁸ mm³/Nm × K=7 با 10 درصد حجمی ePTFE/PEEK بدست آمد.

- سایش کم نمونه های ePTFE/PEEK با توسعه فیلم انتقال نازک که ازePTFE جهت یافته بعنوان یک مخزن روان کننده استفاده می کند، بدست آمد. فیلم های انتقال غیر شفاف، نازک و حاوی کربن، اکسیژن و فلوئور در سطح قرار داشتند.

- الیاف PTFE منبسط شدۀ 5 میلیمتری یا بیشتر از سطح مناسبی در تماس با PEEK به منظور تقویت ماتریس و مقاومت کششی برخوردار هستند.