نانو کامپوزیت آلومین PTFE - بخش دوم

حساسیت تریبولوژیکی نانوکامپوزیت های آلومین - PTFE به طیف وسیعی از سطوح تکمیلی قدیمی

آزمایشات سایش با نانوکامپوزیت های پلی تترا فلوئورو اتیلن (PTFE)+Al₂O₃ بر روی سطوح مختلف تولید شده انجام شد تا مشخص شود آیا مقاومت سایشی در این نانوکامپوزیت ها یک محرک تابع آماده سازی سطح است یا خیر. از چهار سطح مختلف فولاد ضد زنگ گرید 304 استفاده شد: الکترو پولیش شده (Rq=88 نانومتر)، لپ شده (Rq=161 نانومتر)، سنباده مرطوب (Rq=390 نانومتر) و سنباده خشک (Rq=578 نانومتر).نانوکامپوزیت های Al₂O₃+PTFE ساخته شده از پودرهای 2-20میکرومترPTFE(ماتریس) و  44نانومترAl₂O₃ (فیلر) با درصد وزن 0، 1، 5 و 10 تهیه شده و در هر سطح تکمیلی آزمایش شدند. علاوه براین، مقایسه ای بین نانوکامپوزیت های 5 درصد وزنی 44 نانومتر و کامپوزیت های PTFE پر شده با 5 درصد وزنی 80 و 500 نانومتر Al₂O₃ در هر سطح صورت گرفت. ضرایب اصطکاک بین 0.12-0.19 و نرخ سایش از 10-6 × K=810 نانومتر برای PTFE با 5 درصد وزنی پرشده با 500 نانومتر آلومین روی سطح خشک شده تا 10-6 × K=0.8 نانومتر برای 5 درصد وزنی کامپوزیت پرشده با 80 نانومتر روی سطح لپ شده کاهش یافت. مشخص شد که حداقل میزان سایش در سطح مقابل برای لپ شده برای هر کامپوزیت رخ می دهد و میزان سایش یک تابع قوی از ضخامت و مورفولوژی انتقال فیلم محسوب می شود.

پلی تترا فلوئورو اتیلن (PTFE) دارای بسیاری از خواص تریبولوژیکی مطلوب من جمله اصطکاک کم، درجه حرارت ذوب بالا و بی تحرکی شیمیایی است؛ به همین دلیل بعنوان یک روان کنندۀ جامد بسیار مورد توجه است. اگرچه در بیشتر شرایط از ضریب اصطکاک پایینی برخوردار است، اما در مقایسه با سایر پلیمرها به سرعت سائیده می شود؛ بنابراین، در بسیاری از موارد از کاربرد آن بعنوان ماده تحمل کننده جلوگیری می شود. تحقیقات بسیاری با در نظر گرفتن اصطکاک پایین PTFE، در رابطه با بهبود مقاومت سایشیان انجام شده است. تقریبآ با افزودن هر ماده ایی به PTFE، بطور کلی مقاومت سایشی را به دلیل ضریب اصطکاک من جمله نانوذرات افزایش می یابد. علیرغم نظریه های بسیاری که درمورد نفش ذرات و فیلرها در کامپوزیت های تریبولوژیکی وجود دارد، یک فرض کلی وجود داشت که نانوفیلرها نمی توانند از تخریب گستردۀ ساختار نواری PTFE جلوگیری کرده و همراه با آن به سطح مجاور منتقل شوند. مدل های کیفی نشان می دهند که پیک های اسپر در صورتی تحت کنترل قرار می گیرند که ارتفاع آنها از ذرات فیلر بالاتر باشد. در اینجا، هم سایز ذرات فیلر و هم زبری سطح بدون تغییر ترکیب مواد متفاوت خواهد بود. در مطالعه تریبولوژی نانوکامپوزیت های پلیمری، نرخ سایش و ضریب اصطکاک بطور کلی با افزودن ذرات فیلر نانوسکوپی برای همه ماتریس های پلیمری کاهش می یابد. ایکسو و همکارانش مزایای استفاده از ذرات نانومتر بجای ذرات میکرومتر در کامپوزیت PEEK-SiC را مورد بررسی قرار دادند که منجر به کاهش ضریب اصطکاک و ضریب سایش نسبت به کامپوزیت های ساخته شده از ذرات فیلر از همان ترکیب با اندازه های مشخصۀ میکرومتر شد. SiC میکرومتر هم لایه انتقال پلیمر و هم سطح متالیک را تخریب کرده و منجر به افزایش اصطکاک و سایش می شود. ونگ و همکارانش تریبولوژی PEEK پر شده با SiC₂ نانومتر روی فولاد کربن را مورد بررسی قرار داده و به کمترین میزان سایش در هر یک از کامپوزیت ها تا 7.5 درصد وزنی فیلر دست یافتند. علاوه براین، ضرایب اصطکاک با افزایش درصد فیلر برای محدوده آزمایش شده (0-15 درصد) کاهش یافت. در نانوکامپوزیت ها با پایه PTFE، چن و همکارانش یک کامپوزیت PTFE با نانولوله های کربنی تک جداره ساختند که مقاومت سایشی را دو برابر بیشتر از PTFE بهبود می بخشید و ضریب اصطکاک را نیز کاهش می داد. تصور می شد که نانولوله های کربنی ماتریس را تقویت کرده و سایش PTFE را کاهش می دهند. آنها این فرضیه را مطرح کردند که نانولوله های کربنی با جدا شدن از سطح و یا در تماس با آن، خود روان کنندۀ اضافی کامپوزیتی را فراهم می کنند.

لی و همکارانش PTFE را با ZnO نانومتر بررسی کردند و 15 درصد وزنی (درصد وزنی فیلرها) را محتوای فیلر بهینه برای برای کاهش نرخ سایش و در عین حال، حفظ ضریب اصطکاک پایین دانستند. همچنین ساویر و همکارانش نانوکامپوزیت های PTFE را با 38 نانومتر Al₂O₃ ساختند که در نتیجه، به کاهش 600 برابری در سایش همراه با غلظت 20 درصد وزنی پودر دست یافتند. با افزایش غلظت فیلرها به 20 درصد وزنی، میزان سایش کاهش می یابد. فرض بر این بود که ذرات PTFE توسط آلومیننانوسکوپی طی فرایند مخلوط کردن پودر که قبل از قالب گیری فشرده انجام شده بود، تخلیه شدند. ساختار حاصله پس از قالب گیری بصورت سلولی با نواحی نازک از آلومین-PTFE بسیار غلیظ است نواحی PTFE میکرومتر را احاطه کرده است. این نقاط متمرکز بعنوان موانعی برای ترک خوردگی و کاهش سایش لایه ای PTFE عمل می کند. علاوه براین، پیشنهاد شد که با افزایش غلظت فیلر، تعداد، اندازه و نیروی احتمالی این نقاط افزایش می یابد. مطالعات قبلی انجام شده در زمینه پلیمرها و کامپوزیت های میکرون نشان می دهد که تغییرات در زبری سطح می تواند باعث تغییرات شدید در میزان سایش شود. فرانکلین و دی کراکر در بررسی اثرات توپوگرافی بر کامپوزیت PTFE با 20 درصد وزنی POM تجاری دریافتند که افزایش زبری باعث افزایش میزان سایش می شود. ویلبا تأثیر پارامترهای مختلف زبری سطح مجاور را بر میزان سایش و اصطکاک کامپوزیت های PTFE پرشده با کربن و گرافیت مورد بررسی قرار داده و به این نتیجه رسید که شکل ناهمواری ها و اندازۀ آنها بیشترین تأثیر را بر میزان اصطکاک و سایش دارد. علاوه براین، بهادر و تابور نیز فرض کردند که شیب و شعاع منحنی بر میزان سایش PTFE حاکم است. در این مطالعه، چهار سطح تکمیلی با تکنیک های استاندارد و گزارشات تریبولوژیکی از نانوکامپوزیت های PTFE+Al₂O₃ را بررسی کردیم.

متوسط داده ضریب اصطکاک برای این آزمایشات همراه با درصد وزنی فیلر در شکل زیر ترسیم شده است.

شکل 1:

نوار خطا در ضریب نقطه اصطکاک نشان دهندۀ انحراف استاندارد داده های ضریب اصطکاک جمع آوری شده در کل آزمایش است. بایستی بخاطر داشته باشیم که ضریب اصطکاک تحت تأثیر تغییرات در ترکیب یا زبری سطح قرار نمی گیرد. این روند کلی با افزایش غلظت فیلر و کاهش زبری سطح، به ندرت افزایش می یابد. تصور می شود که اصطکاک با افزودن ذرات سرامیک افزایش می یابد زیرا سطح فیلر و سطح مجاور اصطکاک بالاتری از PTFE ایجاد می کنند. نرخ سایش و عدم قطعیت برای این آزمایشات با استفاده از ارزیابی تک نقطه ای با از دست دادن جرم محاسبه شد؛ داده های حاصل از این آزمایشات همراه با درصد وزنی فیلر در شکل زیر ارائه شده است.

شکل 2:

نوار خطا در نقطه دادۀ نرخ سایش نشان دهندۀ عدم قطعیت استاندارد در این آزمایش است. میزان سایش با میزان محتوای فیلر یکنواخت کاهش می یابد. در شکل زیر نیز نمودار نقاط داده نرخ سایش در مقایسه با میزان زبری غیرابعادی Rq/Df نشان داده شده است.

شکل 3:

هیچ ارتباطی بین میزان سایش و زبری نرمال سطح متقابل وجود ندارد، اما به نظر می رسد که میزان سایش در سطح متقابل کاهش یافته باشد. این مناسب سازی ظاهری ممکن است به دلیل ذرات فیلری باشد که بصورت مکانیکی منحنی های سطح متقابل لپ شده را بطور منفی درگیر کرده اند.

1. افزودن ذرات آلومین به ماتریس PTFE منجر به ایجاد سایش کمتر و انتقال فیلم های نازکتر می شود.

2. میزان سایش ترکیبات 44 نانومتری، علیرغم عملکرد قوی غلظت فیلر و عملکرد ضعیف زبری سطح، ارتباط خوبی با ضخامت لایۀ فیلم انتقال دارد.

3. ضریب اصطکاک کامپوزیت های PTFE از 0.12-0.19 میکرونانو متغیر است و با افزایش غلظت فیلر و کاهش زبری سطح افزایش می یابد اما ضخامت لایه انتقال را تحت تأثیر قرار نمی دهد.

4. حداقل نرخ سایش برای هر کامپوزیت در سطح لپ شده مشاهده شد و هیچ ارتباطی بین میزان سایش و Rq/Df وجود ندارد.