Механические свойства полимерных композиционных антифрикционных материалов на основе полиэфирэфиркетона и баббитов при испытаниях на растяжение и сжатие при температурах выше 80 °C

Антифрикционные материалы используют в высоконагруженных узлах трения для снижения износа и повышения надежности оборудования. В работе представлены результаты испытаний на растяжение и сжатие современных антифрикционных материалов в целях оценки их применения в подшипниках скольжения, работающих при температурах от 80 до 180 °C. Испытания проводили в соответствии с методиками, регламентированными стандартами. Для сравнения определяли механические свойства полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе полиэфирэфиркетона, баббитовых сплавов марок Б83 и Б16 (ГОСТ 1320–74, ISO 4383–91), а также их аналога — сплава TEGOSTAR 738. Результаты испытаний выявили принципиально разные механизмы обеспечения прочности у ПКМ и баббитов, а также различия в их поведении с повышением температуры. ПКМ демонстрируют значительно более высокие значения прочности при растяжении, сжатии и условного предела текучести по сравнению с баббитовыми сплавами. Для баббитов характерно выраженное пластическое поведение уже при 80 °C с ярко выраженной стадией текучести, однако при температурах выше 100 °C их прочность резко снижается, приближаясь к пределу текучести, что ограничивает несущую способность этих материалов в нагретом состоянии. Хотя пластичность баббитов и способствует поглощению ударных нагрузок, но является также причиной частых аварий подшипников с баббитовым слоем. При температурах выше 120 °C наблюдается значительная термическая деградация баббитов, обусловленная размягчением эвтектических структур и ухудшением микроструктуры. В аналогичных условиях армированные ПКМ сохраняют стабильные механические свойства благодаря термостойкости полимерной матрицы и эффективному распределению нагрузки через армирующую фазу. Отмечена возможность регулирования свойств ПКМ за счет выбора матриц, наполнителей и добавок, что открывает перспективы для адаптации материалов под конкретные эксплуатационные условия. Меньшая пластическая податливость в сочетании с высокой прочностью обеспечивают ПКМ лучшую форму и стабильность при разрушении, а высокая термическая стабильность позволяет применять их в более широком температурном диапазоне, чем баббиты. Подтверждено, что импортный баббит TEGOSTAR 738 не обладает существенными преимуществами по сравнению с отечественными марками, такими как Б83, что делает импортные материалы экономически нецелесообразными. В свою очередь, ПКМ превосходят баббиты по прочности и термостойкости, что позволяет повысить рабочие температуры подшипников до более 200 °C при сохранении эксплуатационных характеристик. Это открывает перспективы применения ПКМ в современных роторных системах, требующих высокого уровня надежности. Подтверждена перспективность применения ПКМ в высоконагруженных подшипниках скольжения. Полученные результаты могут быть использованы конструкторами и инженерно-техническим персоналом для расширения номенклатуры подшипниковых материалов при проектировании и модернизации высоконагруженных узлов трения роторного оборудования в целях удовлетворения современных требований по нагрузке, температурному режиму и надежности их работы. Планируются дальнейшие испытания с учетом трибологических свойств и большего ассортимента материалов.

1. Tribology of polymer and polymer composites for industry 4.0 / H. Jena, J. K. Katiyar, A. Patnaik, Eds. — Springer, 2021. DOI: 10.1007/978-981-16-3903-6

2. Barnes T., Beyer B., Griffey W., et al. The utilization of composite bearings in heavy agricultural, construction, forestry, and mining equipment design applications / Composite Materials — Science and Engineering. Intechopen. 2024. DOI: 10.5772/intechopen.1004436

3. Babu M. V. S., Krishna A. R., Suman K. N. S. Review of journal bearing materials and current trends / Am. J. Mater. Sci. Technol. 2015. Vol. 4. No. 2. P. 72 – 83. DOI: 10.7726/ajmst.2015.1006

4. Friedrich K. Polymer composites for tribological applications / Adv. Ind. Eng. Polym. Res. 2018. Vol. 1. No. 1. P. 3 – 39. DOI: 10.1016/j.aiepr.2018.05.001

5. Seenath A. A., Baig M. M. A., Katiyar J. K., et al. A comprehensive review on the tribological evaluation of polyether ether ketone pristine and composite coatings / Polymers. 2024. Vol. 16. No. 21. Art. 2994. DOI: 10.3390/polym16212994

6. Seenath A. A., Baig M. M. A., Mohammed A. S. Tribological evaluation of polyether ether ketone (PEEK) nanocomposite coatings reinforced with ceria-effect of composition, load, speed, counterface, and UV exposure / Polymers. 2025. Vol. 17. No. 11. Art. 1487. DOI: 10.3390/polym17111487

7. Kolour S. A., Mirjafari H. S., Fathi K., et al. Polymeric coatings: a game changer for bearings in hybrid and electric automobiles / Polym. Adv. Technol. 2025. Vol. 36. No. 5. Art. e70170. DOI: 10.1002/pat.70170

8. Овчаренко Н. Ю., Егорушков М. Ю., Романенков П. Г. и др. Термоустойчивые материалы в опорах стационарных газотурбинных установок / Турбины и дизели. 2024. № 1(112). С. 98 – 103.

9. Смирнов Е. А., Толстихин Ю. Ю., Шишов А. В. и др. Применение антифрикционных материалов в подшипниках скольжения центробежных нагнетателей газоперекачивающих агрегатов / Газовая промышленность. 2023. № 4(857). С. 74 – 81.

10. Овчаренко Н. Ю., Ладенко С. В., Егорушков М. Ю. Технический прогресс в разработке новых подшипниковых материалов узлов трения / Турбины и дизели. 2023. № 4(109). С. 16 – 18.

11. Бронников А. Н., Забелин Н. Н., Шарипов Ш. Г. и др. Применение подшипников скольжения с полимерным антифрикционным покрытием на газоперекачивающем агрегате ГТК-10М / Газовая промышленность. 2024. ¹ 4(864). С. 84 – 89.

12. Hufenbach W., Gude M., Böhm R., et al. Thermomechanical behavior of carbon fiber reinforced PEEK / Compos. Sci. Technol. 2011. Vol. 71. P. 976 – 984. DOI: 10.1016/j.compscitech.2011.02.004

13. Информационный портал «MakeItFrom.com: Таблица свойств 30 % CF/PEEK». https://www.makeitfrom.com/material-properties/30-Percent-Carbon-Fiber-30-CF-PEEK (дата обращения: 01.07.2025).

14. Gao S., Qu J., Li H., et al. Effect of fiber type and content on mechanical property and lapping machinability of fiber-reinforced polyetheretherketone / Polymers. 2022. Vol. 14. Art. 1079. DOI: 10.3390/polym14061079

15. Mao J., Pan Y., Ding J. Tensile mechanical characteristics of CF/PEEK biocomposites with different surface modifications / Micro & Nano Lett. 2019. Vol. 14. No. 3. P. 263 – 268. DOI: 10.1049/mnl.2018.5374

16. Bonnheim N., Ansari F., Regis M., et al. Effect of carbon fiber type on monotonic and fatigue properties of orthopedic grade PEEK / J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2019. Vol. 90. P. 484 – 492. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2018.10.033

17. Hu Z., He J., Chen W., et al. High-performance carbon fiber reinforced polyether-ether-ketone composite pellets 3D-printed via screw-extrusion additive manufacturing / Compos. Sci. Technol. 2024. Vol. 246. Art. 110362. DOI: 10.1016/j.compscitech.2023.110362

18. Avanzini A., Battini D., Petrogalli C., et al. Anisotropic behaviour of extruded short carbon fibre reinforced peek under static and fatigue loading / Appl. Compos. Mater. 2022. Vol. 29. No. 3. P. 1041 – 1060. DOI: 10.1007/s10443-021-10004-1

19. Zhang L. Z., Li M. Study on properties of PEEK composites reinforced by SCF / Adv. Mater. Res. 2012. Vols. 476 – 478. P. 705 – 709. DOI: 10.4028/www.scientific.net/amr.476-478.705

20. Garcia-Gonzalez D., Rodriguez-Millan M., Rusinek A., et al. Investigation of mechanical impact behavior of short carbon-fiber-reinforced PEEK composites / Compos. Struct. 2015. Vol. 113. P. 1116 – 1126. DOI: 10.1016/j.compstruct.2015.08.028

21. Sarasua J. R., Remiro P. M. The mechanical behaviour of PEEK short fibre composites / J. Mater. Sci. 1995. Vol. 30. P. 3501 – 3508. DOI: 10.1007/bf00349901

22. Nie S., Chen L., Yun Z., et al. An experimental study on the thermomechanical coupling effects of carbon-fiber-reinforced polyetheretherketone under dynamic impact / Polymers. 2024. Vol. 16. Art. 2295. DOI: 10.3390/polym16162295

23. Машиностроение. Энциклопедический справочник. Т. 4. Раздел 2. Материалы машиностроения. — М.: ГНТИМЛ, 1947. С. 207.

24. Справочник по машиностроительным материалам. Т. 2. Цветные металлы и их сплавы / Под ред. Г. И. Погодина-Алексеева. — М.: Машгиз, 1959. С. 322 – 335.

25. Славин Д. О., Штейман Е. Б. Металлы и сплавы в химическом машиностроении и аппаратостроении: Справочник. — М.: Машгиз, 1951. С. 439.

26. Яковлев А. В., Зернин М. В. Влияние реологических свойств баббита на напряжения в антифрикционном слое подшипника скольжения / Вестник Брянского государственного технического университета. 2016. № 4(52). С. 66.

27. Эсперов Д. Г. Совершенствование конструкций опорных подшипников скольжения паровых турбин на основании экспериментальных исследований: дис. ... канд. тех. наук. — СПб., 2015.