Zasady projektowania materiałów
Kompozyt brązu CuSn6 i PTFE charakteryzuje się synergistycznym działaniem:
| Część | Funkcjonować | Mechanizm |
|---|---|---|
| Matryca PTFE | Obojętność chemiczna / Niskie tarcie (μ=0,02–0,1) | Poślizg łańcucha molekularnego |
| Brąz (25–40%) | Przewodność cieplna ↑800% | Metaliczna sieć cieplna (k=4,5 W/m·K) |
| Grafit (5%) | Smarowanie graniczne | Formowanie filmu transferowego |
Wzór na gęstość kompozytową:
ρcomp=ρPTFE%PTFE+ρBronze%Brąz100
(Gęstość zoptymalizowana: 2,8–3,2 g/cm³)
Przełomy w wydajności
(Dane testowe ASTM D3702 / ISO 11014)
| Parametr | Czysty PTFE | 25% Brąz | 40% Brąz |
|---|---|---|---|
| Przewodność cieplna | 0,25 W/m·K | 2.1 | 4.5 |
| Limit PV | 0,5 MPa·m/s | 0,85 | 1.2 |
| Współczynnik rozszerzalności cieplnej (×10⁻⁶/K) | 120 | 45 | 25 |
| Twardość (Shore D) | 55 | 68 | 72 |
| Zużycie (mg/1000 obr.) | 35 | 9 | 5 |
Główne zalety:
- Rozpraszanie ciepła:60% krótsza ścieżka termiczna zapobiega topieniu się PTFE (>150°C)
- Stabilność wymiarowa: Współczynnik CTE odpowiada metalom (współczynnik CTE stali = 11,5×10⁻⁶/K)
- Odporność na zużycie:Cząsteczki brązu wytrzymują obciążenie 60%
Innowacyjna struktura
System uszczelniania potrójnego gradientu (>20 MPa):
[Uszczelnienie główne] ┌─40% brązu ┐ → Obciążenie ciśnieniowe/termiczne ├─25% gradientu┤ → Amortyzacja naprężeń [Strefa elastyczna] └─Czysty PTFE ┘ → Kompensacja odkształceńDynamiczny mechanizm uszczelniający:
- Niskie ciśnienie: warstwa PTFE kompensuje szczeliny (kompresja 18–22%)
- Wysokie ciśnienie: Warstwa bogata w brąz jest odporna na wytłaczanie (szczelina <0,03 mm)
- Obciążenia pulsujące: sieć brązowa pochłania drgania (↓80% zużycia ciernego)
Zastosowania w ekstremalnych warunkach
| Aplikacja | Rozwiązanie | Weryfikacja |
|---|---|---|
| Cylindry skoku turbiny wiatrowej | Uszczelki stopniowe PTFE w 30% z brązu | PV=0,9 MPa·m/s przy -50°C |
| Jednostki formowania wtryskowego | Pierścienie ślizgowe o podwójnym gradiencie | >150 tys. cykli w temp. 230°C |
| Systemy sterów okrętowych | Podłoże z brązu-PTFE + stali nierdzewnej 304SS | Zerowa korozja przy ciśnieniu wody morskiej 35 MPa |
Dane testowe układu hydraulicznego (35 MPa):
| Metryczny | Uszczelka NBR | Brąz-PTFE | Poprawa |
|---|---|---|---|
| Przeciek | 23,5 ml/min | 0,8 | ↓96% |
| Tarcie odrywające | 4500 N | 1200 | ↓73% |
| Żywotność | 1800 godzin | 12 000 | ↑567% |
Proces produkcyjny
Zagęszczanie gradientu:
- Nakładanie proszku: 40%→25%→0% gradient brązu
- Prasowanie na zimno: 30 MPa w temp. 80°C (zapobiega fibrylizacji PTFE)
- Spiekanie stopniowe:
- Etap 1: 300°C×2h (odprężanie)
- Etap 2: 380°C×4h (dyfuzja molekularna)
Inżynieria powierzchni:
- Trawienie plazmowe: porowatość powierzchni 15–20%
- Impregnacja próżniowa: infuzja fluorolube PFAE
Wytyczne dotyczące wyboru
| Stan | Zalecony | Unikać |
|---|---|---|
| Wahania ciśnienia | ≥30% brązu + pierścień antywyciskowy | Niewzmocniony PTFE |
| Praca w temperaturze >200°C | ≥40% warstwa brązu | <15% zawartości brązu |
| Materiały ścierne | ≥70 Powierzchnia Shore D | Powierzchnie nieobrobione |
| >1 m/s wzajemnego odwrotnego ruchu | Dodatek grafitu 3–5% | Warunki pracy na sucho |
Badania i rozwój nowej generacji:
- Inteligentne uszczelki: Wbudowane czujniki FBG do monitorowania naprężenia styku
- Struktury biomimetyczne: Szkielet z brązu o strukturze plastra miodu (↓30% wagi)
- Nanopowłoki: wielowarstwowe folie WS₂/MoS₂ (μ↓ do 0,01)
Czas publikacji: 18 lipca 2025 r.