18 Октября 2018 г. Нечетная неделя

Композиционный износостойкий «умный» материал на основе диоксида и вольфрамата циркония, который не расширяется при нагреве

Рис.1. Схема структуры вольфрамата циркония ZrW2O8 с жестко связанными между собой октаэдрами ZrO6 и тетраэдрами WO4

Описание

Применение

Композиционный износостойкий «умный» материал на основе диоксида и вольфрамата циркония применяют там, где изделия, испытывая сильные нагрузки и износ, должны иметь фиксированные размеры в широком диапазоне температур от –100 до +200оС: для производства зубных пломб; зеркал для телескопов; запорной арматуры, предназначенной для перекрывания потока нефтегазовых продуктов по трубе и др.

Во время эксплуатации таких изделий возникает разогрев и тепловое расширение их контактирующих поверхностей, что повышает трение и износ материалов трибопар. Применение «умных» материалов, обладающих аномальным тепловым сжатием при нагреве, то есть, отрицательным коэффициентом теплового расширения, позволяет управлять тепловым расширением изделий.

Примером подобного «умного» материала является вольфрамат циркония (ZrW2O8), рис.1. Природа его уникального теплового поведения объясняется наличием в структуре жестко связанных между собой октаэдров ZrO6 и тетраэдров WO4, которые поворачиваются относительно друг друга при повышении температуры, инициируя сжатие материала, рис.2.

Целью данного проекта является разработка состава износостойкого композиционного «умного» материала на основе диоксида и вольфрамата циркония и исследование его триботехнических свойств.

Партнеры
Томский политехнический университет

Используемые ресурсы и оборудование

  • Машина трения модели UMT-TRIBOLAB (Bruker) с использованием схемы «палец – диск» в условиях трения в сухую и со смазками с разным содержанием вольфрамата циркония ZrW2O8;
  • Вибрационная мельница Retsch MM 400;
  • Растровый электронный микроскоп Philips SEM 515;
  • Рентгеновский дифрактометр Bruker D8 с фильтрованным CuKα излучением;
  • Термический анализатор STA 449 F1 Jupiter;
  • Инвертированный металлургический микроскоп IM7200 MEIJI TECHNO (Япония) с анализатором изображения Thixomet.

Результаты

Результатом проекта является разработка и исследование состава и свойств износостойких композиционных материалов на основе вольфрамата циркония ZrW2O8, рис. 3 и диоксида циркония ZrO2, рис. 4:

- Исследование фазового состава износостойких композиционных материалов на основе диоксида циркония ZrO2 с добавлением в него порошка вольфрамата циркония ZrW2O8 в количестве 0, 1, 5, 25 вес.% до, рис. 5 и после, рис. 6 триботехнических испытаний;

- Исследование морфологии частиц композиционных материалов, рис.3,4;

- Исследование триботехнических свойств композиционных материалов на основе диоксида циркония с добавлением в него порошка вольфрамата циркония в количестве 0, 1, 5, 25 вес.% при трении в паре со сталью ШХ15, рис. 7;

- Исследование интенсивности изнашивания шарика из стали ШХ15 в индустриальном масле И-20А до (1) и после добавления в него присадок вольфрамата циркония ZrW2O8 в количестве 0,05 % (2) и 0,5 % (3) при трении в паре со сталью ШХ15, рис. 8, 9;

- Оценка коэффициента теплового расширения вольфрамата циркония ZrW2O8 в интервале температур 20…800оС, рис. 10.

Руководитель проекта

Скотникова Маргарита Александровна