resarПриродные ресурсы Арктики и СубарктикиArctic and Subarctic Natural Resources2618-97122686-9683Академия наук Республики Саха (Якутия)10.31242/2618-9712-2026-31-2-314-322VZXHCEresar-1325Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMATERIALS SCIENCE AND CHEMICAL TECHNOLOGIESВлияние режимов получения ПКМ на основе матрицы из политетрафторэтилена, модифицированного наноразмерным порошком ZrO2, на триботехнические свойстваInfluence of fabrication regimes on the tribotechnical properties of PTFE-based composites modified with nanosized ZrO2 powderhttps://orcid.org/0000-0002-5649-2871ТеплоуховА. А.TeploukhovA. A.

Теплоухов Андрей Анатольевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Физика».

пр. Мира, 11, Омск, 644050

Andrei A. Teploukhov - Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Department of Physics, Omsk State Technical University.

11, Mira Ave., Omsk, 644050

a.a.lektor@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0007-2653-2637ЗакранцовА. Р.ZakrantsovA. R.

Закранцов Александр Романович - ассистент кафедры «Физика», ОмГТУ.

пр. Мира, 11, г. Омск, 644050; пр. Карла Маркса, 15, Омск, 644024

Alexander R. Zakrantsov - Assistant, Department of Physics, Omsk State Technical University.

11, Mira Ave., Omsk, 644050; 15, Karl Marx Ave., Omsk, 644024

zakrantsovar@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0001-9246-5811ТерехинаА. Е.TerekhinaA. E.

Терехина Анастасия Евгеньевна – аспирант.

пр. Мира, 11, Омск, 644050

Anastasia E. Terekhina - Postgraduate Student, Omsk State Technical University.

11, Mira Ave., Omsk, 644050

terexina28081999@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0000-9227-7493ВеберД. A.WeberD. A.

Вебер Денис Александрович - ассистент кафедры «Материаловедение и технологии материалов».

пр. Мира, 11, Омск, 644050

Denis A. Weber - Assistant, Department of Materials Science and Technology, Omsk State Technical University.

11, Mira Ave., Omsk, 644050

a.a.lektor@mail.ruОмский государственный технический университетРоссияOmsk State Technical UniversityRussian FederationОмский государственный технический университет; Омский научный центр СО РАНРоссияOmsk State Technical University; Omsk Scientific Center, Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202614072026312314322Copyright © Теплоухов А.А., Закранцов А.Р., Терехина А.Е., Вебер Д.A., 20262026Теплоухов А.А., Закранцов А.Р., Терехина А.Е., Вебер Д.A.Teploukhov A.A., Zakrantsov A.R., Terekhina A.E., Weber D.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://resar.elpub.ru/jour/article/view/1325

Существенным недостатком политетрафторэтилена является высокая скорость износа при трении, для устранения которого в матрицу из полимера добавляют различные модифицирующие наполнители. Исследуется влияние методов получения полимерного композиционного материала на основе матрицы из ПТФЭ, модифицированного наноразмерным порошком диоксида циркония, на его триботехнические свойства. Проведен сравнительный анализ результатов экспериментальных исследований образцов, полученных разными методами. Первый метод изготовления полимерных композиционных материалов предусматривает режим сушки исходных компонентов в печи при температуре 120 °C и быстрое остывание композитов на воздухе. Альтернативный подход к получению композитов включает процесс дегидратации исходных порошков в вакуумном сушильном шкафу при температуре 150 °C в течение 4 ч с последующим спеканием и медленным контролируемым остыванием композита в печи (0,3 °С в минуту). Методом оптической микроскопии проведен анализ поверхностей трения образцов и контртел после испытаний на износ. Определены основные и второстепенные виды износа (абразивный, адгезионный и усталостный). Рассчитаны интенсивности и коэффициенты износа, свидетельствующие о повышении износостойкости образцов полимерных композитных материалов, изготовленных методом, предусматривающим процесс дегидратации и медленного контролируемого остывания после спекания. По результатам испытаний на разрыв рассчитаны механические характеристики образцов, такие как предел прочности, относительное удлинение и модуль упругости. Определен механизм повышения износостойкости образцов в зависимости от метода изготовления, заключающийся в удалении остаточных гидроксильных групп и формировании крупных упорядоченных ламеллярных структур. Разработанный полимерный композиционный материал может использоваться в металлополимерных узлах сухого трения.

A significant drawback of polytetrafluoroethylene (PTFE) is its high wear rate under friction, which is addressed by adding various modifying fillers to the polymer matrix. This study aimed to determine the effect of the fabrication method of a polymer composite material based on a PTFE matrix filled with nanoscale zirconium dioxide (ZrO₂) powder on its tribological properties. A comparative analysis was conducted on samples produced using two different methods. The first method involved drying the starting components in an oven at 120 °C, followed by rapid air cooling of the composites. The alternative approach consisted of dehydrating the starting powders in a vacuum oven at 150 °C for 4 hours, followed by sintering and slow, controlled cooling of the composite inside the furnace at a rate of 0.3 °C per minute. Optical microscopy was used to analyze the friction surfaces of the specimens and counterfaces after wear testing. Primary and secondary wear mechanisms (abrasive, adhesive, and fatigue) were identified. The wear intensities and coefficients were calculated, revealing increased wear resistance for the composites manufactured using the method that involved dehydration and slow, controlled cooling after sintering. From the tensile test results, mechanical properties such as tensile strength, relative elongation, and elastic modulus were determined. A mechanism for the increased wear resistance dependent on the fabrication method is proposed, consisting of the removal of residual hydroxyl groups and the formation of large, ordered lamellar structures. Thus, the developed polymer composite material is suitable for use in metal-polymer dry friction units.

политетрафторэтилендиоксид циркониякомпозиционный материалтриботехнические свойстваизносостойкостьpolytetrafluoroethylenezirconium dioxidecomposite materialtribotechnical propertieswear resistanceReferencesКоробов М.С., Юрков Г.Ю., Кознинкин А.В. и др. Новый наноматериал: металлсодержащий политетрафторэтилен. Неорганические материалы. 2004;40(1):26–34. https://doi.org/10.1023/B:INMA.0000012175.13996.d7 EDN: OWGUWF.Korobov M.S., Yurkov G.Yu., Kozninkin A.V., et al. Metal-containing poly (tetrafluoroethylene): a novel material. Inorganic Materials. 2004;40(1):26–34. (In Russ.). https://doi.org/10.1023/B:INMA.0000012175.13996.d7 EDN: OWGUWF.Josmin J.P., Kuruvilla J. Advances in polymer composites: macro‐ and microcomposites–state of the art, new challenges, and opportunities. In: Prof. Dr. Sabu Thomas, et al. (eds.) Polymer composites. Wiley; 2012, pp. 1–16. https://doi.org/10.1002/9783527645213.Josmin J.P., Kuruvilla J. Advances in polymer composites: macro‐ and microcomposites–state of the art, new challenges, and opportunities. In: Prof. Dr. Sabu Thomas, et al. (eds.) Polymer composites. Wiley; 2012, pp. 1–16. https://doi.org/10.1002/9783527645213.Шишонок М.В. Высокомолекулярные соединения. Минск: Вышэйшая школа; 2012. 535 с. EDN: RYSBUJShishonok M. V. High-molecular compounds. Minsk: Higher School; 2012. 535 p. (In Russ.). EDN: RYSBUJAnderson G.M., Iobal L., Sharp D.H., et al. Redox reaction in volving molybdenium, tungsten and uranium hexafluorides in acetonitril. Journal of Fluorine Chemistry. 1984; 24(3):303–317. https://doi.org/10.1016/S0022-1139(00)85296-3 EDN: XPEGPCAnderson G.M., Iobal L., Sharp D.H., et al. Redox reaction in volving molybdenium, tungsten and uranium hexafluorides in acetonitril. Journal of Fluorine Chemistry. 1984; 24(3):303–317. https://doi.org/10.1016/S0022-1139(00)85296-3 EDN: XPEGPCХатипов С.А., Цвелев В.М., Алексеев С.В. Материалы нового поколения на основе радиационно-модифицированного политетрафторэтилена. В кн.: Актуальные вопросы проектирования космических систем и комплексов: сборник научных трудов. Вып. 6. М.: Блок-Информ-Экспресс; 2005. С. 53. EDN: YUAIWIKhatipov S.A., Tsvelev V.M., Alekseev S.V. New generation materials based on radiation-modified polytetrafluoroethylene. In: Current issues in the design of space systems and complexes: Collection of scientific papers. Issue 6. Moscow: Blok-Inform-Express; 200. P. 53. (In Russ.). EDN: YUAIWIМашков Ю.К., Овчар З.Н., Суриков В.И., Калистратова Л.Ф. Композиционные материалы на основе политетрафторэтилена. Структурная модификация. М.: Машиностроение; 2005. 239 с. EDN: QNDZQLMashkov Yu.K., Ovchar Z.N., Surikov V.I., Kalistratova L.F. Composite materials based on polytetrafluoroethylene. Structural modification. Moscow: Mashinostroenie Publ.; 2005. 239 p. (In Russ.). EDN: QNDZQL.Panda A., Dyadyura K., Valicek K., et al. Manufacturing technology of composite materials—principles of modification of polymer composite materials technology based on polytetrafluoroethylene. Materials. 2017;10(4):377. https://doi.org/10.3390/ma10040377.Panda A., Dyadyura K., Valicek K., et al. Manufacturing technology of composite materials—principles of modification of polymer composite materials technology based on polytetrafluoroethylene. Materials. 2017;10(4):377. https://doi.org/10.3390/ma10040377.Bandaru A.K., Kadiyala A.K., Weaver P.M., et al. Mechanical and abrasive wear response of PTFE coated glass fabric composites. Wear. 2020;450:203267. https://doi.org/10.1016/j.wear.2020.203267 EDN: FSQRBZBandaru A.K., Kadiyala A.K., Weaver P.M., et al. Mechanical and abrasive wear response of PTFE coated glass fabric composites. Wear. 2020;450:203267. https://doi.org/10.1016/j.wear.2020.203267 EDN: FSQRBZLi Y., Chen Y., Guo Y., et al. Tribological behavior of PEEK/PTFE composites reinforced with carbon fibers and graphite. Materials. 2022;15(20):7078. https://doi.org/10.3390/ma15207078 EDN: ZFJIJZLi Y., Chen Y., Guo Y., et al. Tribological behavior of PEEK/PTFE composites reinforced with carbon fibers and graphite. Materials. 2022;15(20):7078. https://doi.org/10.3390/ma15207078 EDN: ZFJIJZVasilev A.P., Lazareva N.N., Struchkova T.S., et al. Mechanical and tribological properties of polytetrafluoroethylene modified with combined fillers: Carbon fibers, zirconium dioxide, silicon dioxide and boron nitride. Polymers. 2023;15(2):313. https://doi.org/10.3390/polym15020313 EDN: QVWZXWVasilev A.P., Lazareva N.N., Struchkova T.S., et al. Mechanical and tribological properties of polytetrafluoroethylene modified with combined fillers: Carbon fibers, zirconium dioxide, silicon dioxide and boron nitride. Polymers. 2023;15(2):313. https://doi.org/10.3390/polym15020313 EDN: QVWZXWAlam K.I., Bragaw P., Burris D.L. Isolating the tribochemical and mechanical effects of nanofillers on PTFE wear. Wear. 2022;494:204–256. https://doi.org/10.1016/j.wear.2022.204256 EDN: VICQOIAlam K.I., Bragaw P., Burris D.L. Isolating the tribochemical and mechanical effects of nanofillers on PTFE wear. Wear. 2022;494:204–256. https://doi.org/10.1016/j.wear.2022.204256 EDN: VICQOIАммосова О.А., Аргунова А.Г., Ботвин Г.В. и др. Модифицированные полимерные и композиционные материалы для северных условий. Новосибирск: Наука; 2017. 217 с. EDN: YPHAOTAmmosova O.A., Argunova A.G., Botvin G.V., et al. Modified polymer and composite materials for northern conditions. Novosibirsk: Nauka; 2017. 217 p. (In Russ.). EDN: YPHAOTМашков Ю.К., Кропотин О.В., Чемисенко О.В. Разработка и исследование полимерного нанокомпозита для металлополимерных узлов трения. Омский научный вестник. Серия «Приборы, машины и технологии». 2014;133(3): 64–66. EDN: TKDJUDMashkov Yu.K., Kropotin O.V., Chemisenko O.V. Development and study of polymer nanocomposite for metalpolymer friction units. Omsk Scientific Bulletin. Series “Instruments, Machines and Technologies”. 2014;133(3):64–66. (In Russ.). EDN: TKDJUDГулькин А.В., Теплоухов А.А., Семенюк Н.А. и др. Влияние объемной модификации наноразмерными частицами диоксида циркония на структуру и механические свойства композиционного материала на основе политетрафторэтилена. Омский научный вестник. Серия «Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение». 2024;8(4):100–106. https://doi.org/10.25206/2588-0373-2024-8-4-100-106 EDN: CEWQNKGulkin A.V., Teploukhov A.A., Semenyuk N.A., et al. Effect of volumetric modification with nanosized zirconium dioxide particles on structure and mechanical properties of composite material based on polytetrafluoroethylene. Omsk Scientific Bulletin. Series “Aviation-Rocket and Power Engineering”. 2024;8(4):100–106. (In Russ.). https://doi.org/10.25206/2588-0373-2024-8-4-100-106 EDN: CEWQNKЗакранцов А.Р., Мишин И.В., Матюков А.В. и др. Компьютерное моделирование влияния концентрации наноразмерного диоксида циркония и углерода на механические свойства композита на основе политетрафторэтилена. В кн.: Егорова В.А., Сухарева О.М. (ред.) Нанотехнологии. Информация. Радиотехника (НИР-22): Материалы региональной молодежной научно-практической конференции, г. Омск, 21 апреля 2022 г. Омск: Омский государственный технический университет; 2022 C. 165–170. EDN: VAMBMZZakrantsov A.R., Mishin I.V., Matyukov A.V., et al. Computer modeling of the influence of the concentration of nanosized zirconium dioxide and carbon on the mechanical properties of a composite based on polytetrafluoroethylene. In: Egorova V.A., Sukhareva O.M. (eds.) Nanotechnology. Information. Radio Engineering (NIR-22): Proceedings of the Regional Youth Scientific and Practical Conference. Omsk, April 21, 2022. Omsk: Omsk State Technical University; 2022, pp. 165–170. (In Russ.). EDN: VAMBMZТеплоухов А.А., Шабанова П.А., Сиривля А.А. и др. Влияние легирования диоксидом циркония на физико-механические свойства ПТФЭ. В кн.: Ученые Омска – региону: Материалы VII Регион. науч.-техн. конф., г. Омск, 1–2 июня 2022 г. Омск: Омский государственный технический университет; 2022. С. 92–95. EDN: HRDOOKTeploukhov A.A., Shabanova P.A., Sirivlya A.A., et al. The influence of alloying with zirconium dioxide on the physical and mechanical properties of PTFE. In: Scientists of Omsk to the Region: Proceedings of the 7th Regional Scientific Technical Conference, Omsk, June 1–2, 2022. Omsk: Omsk State Technical University; 2022, pp. 92–95. (In Russ.). EDN: HRDOOKНегров Д.А., Путинцев В.Ю. Усовершенствование технологии прессования изделий из политетрафторэтилена. Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2021;14(5):564–571. https://doi.org/10.17516/1999-494Х-0333. EDN: ZUIHLZNegrov D.A., Putintsev V.Yu. Improvement of pressing technology of products from polytetrafluoroethylene. Journal of Siberian Federal University. Series: Engineering & Technologies. 2021;14(5):564–571. https://doi.org/10.17516/1999-494Х-0333. (In Russ.). EDN: ZUIHLZНегров Д.А., Путинцев В.Ю., Глотов А.И. Влияние усовершенствованной технологии прессования на структурообразование политетрафторэтилена. Ползуновский вестник. 2024;(1):240–244. https://doi.org/10.25712/ASTU.2072-8921.2024.01.031 EDN: JCAATMNegrov D. A., Putintsev V. Yu., Glotov A. I. The impact of improved technology pressing on structure formation polytetrafluoroethylene. Polzunovskiy Vestnik. 2024;(1):240–244. (In Russ.) https://doi.org/10.25712/ASTU.2072-8921.2024.01.031. (In Russ.). EDN: JCAATMОхлопкова А.А., Стручкова Т.С., Васильев А.П. и др. Влияние термической обработки на надмолекулярную структуру порошка политетрафторэтилена. Вестник Северо-Восточного федерального университета имени М.К. Аммосова. 2016;54(4):48–57. EDN: WJBIMROkhlopkova A.A., Struchkova T.S., Vasiliev A.P., et al. Study of the effects of heat treatment on the supramolecular structure powder polytetrafluoroethylene. Vestnik of North-Eastern Federal University. 2016;54(4):48–57. (In Russ.). EDN: WJBIMRСедакова Е.Б., Козырев Ю.П. Механизмы износа политетрафторэтилена при трении по сталям различных марок. Проблемы машиностроения и надежности машин. 2016;(2):80–84. EDN: VJVRJWSedakova E.B., Kozyrev Yu.P. Wear mechanisms of polytetrafluoroethylene during its friction against various grades of steel. Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2016; (2):163–167. https://doi.org/10.3103/S1052618816020126 EDN: WUAFJXКорнопольцев В.Н., Аюрова О.Ж., Могнонов Д.М. О термодинамике трения политетрафторэтилена и его композиций. Вестник ВСГУТУ. 2023;2(89):114–118. https://doi.org/10.53980/24131997_2023_2_114 EDN: WJWAMNKornopol’tsev V.N., Ayurova O.Zh., Mognonov D.M. On thermodynamics of polytetrafluoroethylene friction and its compositions. ESSUTM Bulletin. 2023;2(89):114–118. (In Russ.). https://doi.org/10.53980/24131997_2023_2_114 EDN: WJWAMNСедакова Е.Б., Козырев Ю.П. Влияние наполнения политетрафторэтилена на изменение границ действия механизмов изнашивания. Проблемы машиностроения и надежности машин. 2017;(3):46–51. EDN: YRLKWPSedakova E.B., Kozyrev Yu.P. Effect of material state on the wear of filled polytetrafluoroethylene composite F4K20 on its basis. Problems of mechanical engineering and machine reliability. 2017;46(3):259–264. https://doi.org/10.3103/S105261881703013X EDN: UXFASDQi Y., Sun B., Zhang Y. Gao G., et al. Study of Tribological properties and evolution of morphological characteristics of transfer films in PTFE composites synergistically reinforced with Nano-ZrO2 and PEEK particles. Polymers. 2023; 15(17):3626. https://doi.org/10.3390/polym15173626 EDN: SABIBMQi Y., Sun B., Zhang Y. Gao G., et al. Study of Tribological properties and evolution of morphological characteristics of transfer films in PTFE composites synergistically reinforced with Nano-ZrO2 and PEEK particles. Polymers. 2023; 15(17):3626. https://doi.org/10.3390/polym15173626 EDN: SABIBMWang Y., Jiang C., Wang Z. Effect of sintering factors on properties of Al-rich PTFE/Al/TiH2 active materials. Polymers. 2021;13(11):1705. https://doi.org/10.3390/polym13111705.Wang Y., Jiang C., Wang Z. Effect of sintering factors on properties of Al-rich PTFE/Al/TiH2 active materials. Polymers. 2021;13(11):1705. https://doi.org/10.3390/polym13111705.Katoueizaheh E., Rajabinejad H., Rafferty A., Morris M.A. Impact of sintering temperature and compression load on the crystallinity and structural ordering of polytetrafluoroethylene. RSC Advances. 2025;15(39):32746–32757. https://doi.org/10.1039/D5RA03395K EDN: VSOTJVKatoueizaheh E., Rajabinejad H., Rafferty A., Morris M.A. Impact of sintering temperature and compression load on the crystallinity and structural ordering of polytetrafluoroethylene. RSC Advances. 2025;15(39):32746–32757. https://doi.org/10.1039/D5RA03395K EDN: VSOTJVКозлов В.Н., Акимов А.И., Фатыхов М.А. Зависимость механических свойств композиционных материалов от температурного режима полимеризации. Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2009;1(149):83–89. EDN: KZPUSLKozlov V.N., Akimov A.I., Fatykhov M.A. Dependence of mechanical characteristics of composite materials from temperature mode of polymerization. Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus region. Technical Sciences. 2009;1(149):83–89. (In Russ.). EDN: KZPUSLПанин С.В., Корниенко Л.А., Нгуен Суан Т. и др. Износостойкость композитов на гибридной матрице СВМПЭ-ПТФЭ: механические и триботехнические свойства. Трение и износ. 2015;36(3):325–333. EDN: UACCYV.Panin S.V., Kornienko L.A., Ivanova L.R., et al. Wear resistance of composites based on hybrid UHMWPE-PTFE matrix: mechanical and tribological properties. Journal of Friction and Wear. 2015;36(3):249–256. (In Russ.). https://doi.org/10.3103/S1068366615030113 EDN: UEYQJLХатипов С.А., Артамонов Н.А. Создание нового антифрикционного и уплотнительного материала на основе радиационно-модифицированного политетрафторэтилена. Российский химический журнал. 2008;52(3):89–96. EDN: LMAAFLKhatipov S. A., Artamonov N. A. Creation of a new antifriction and sealing material based on radiation-modified polytetrafluoroethylene. Ros. Khim. Zh. 2008;52(3):89–96. (In Russ.). EDN: LMAAFLМашков Ю.К., Овчар З.Н., Суриков В.И., Калистратова Л.Ф. Композиционные материалы на основе политетрафторэтилена. Структурная модификация. М.: Машиностроение; 2005. 240 с. EDN: QNDZQLMashkov Yu.K., Ovchar Z.N., Surikov V.I., Kalistratova L.F. Composite materials based on polytetrafluoroethylene. Structural modification. Moscow: Mashinostroenie Publ.; 2005. 240 p. (In Russ.). EDN: QNDZQLХатипов С.А., Коиова Е.М., Артамонов Н.А. Радиационно-модифицированный политетрафторэтилен: структура и свойства. Российский химический журнал. 2008; 52(5):64–72. EDN: JWDTTHKhatipov S.A., Koiova E.M., Artamonov N.A. Radiation modified polytetrafluoroethylene: structure and properties. Ros. Khim. Zh. 2008;52(5):64–72. (In Russ.). EDN: JWDTTH

The authors declare that there are no conflicts of interest present.