ЗМІЦНЕННЯ КЕРАМІЧНИМИ ЧАСТИНКАМИ НІТРИДУ КРЕМНІЮ ПОЛІМЕРНИХ МАТЕРІАЛІВ ДЛЯ 3D ДРУКУ

Анотація

Проведено комплексне дослідження із виготовлення полімерно-керамічного матеріалу на основі поліетилену високої густини або поліпропілену та порошку β-Si₃N₄. Поетапно досліджено процес введення керамічних частинок нітриду кремнію (5 та 10% (об.)) у полімери для виготовлення на їх основі полімерно-керамічного філаменту. Встановлено, що якісний полімерно-керамічний філамент на основі поліпропілену можна отримати при температурі екструзії від 150 °С зі швидкістю видавлювання 20 см/хв, а філамент на основі поліетилену — при 160 °С та швидкості 30 см/хв. Дані щодо розподілу частинок Si₃N₄ за формою та розмірами використано для моделювання елементарного об’єму філаменту з метою визначити механічні властивості композитів за допомогою cкiнченно-елементної моделі в двохвимірній постановці. Встановлено, що армування матеріалу на основі поліпропілену/поліетилену частинками Si₃N₄ на рівні 10% (об.) не є достатнім, оскільки модуль пружності композиту зростає несуттєво, а критична деформація при цьому помітно зменшується, і можна вводити більший об’єм твердих частинок для підвищення модуля пружності. Для оцінки якості полімерно-керамічного філаменту спроектовано та надруковано деталі різної форми (шайба та шнек) з наповненого і ненаповненого філаменту. Надруковані деталі з полімерно-керамічного матеріалу демонстрували рівну поверхню, без виступів та ділянок несуцільної поверхні. Досліджено механічні (твердість за методами Віккерса і Брінелля) та трибологічні (об’ємний знос) властивості таких матеріалів. Тестуванням на знос композиту поліетилен–Si₃N₄ встановлено, що зі зростанням вмісту керамічних частинок в філаменті спостерігається тенденція до покращення зносостійкості композиту. Низький ступінь абразивного зносу полімерно-керамічного матеріалу на основі поліпропілену/поліетилену з частинками Si₃N₄ та поведінка частинок кераміки при контакті з індентором свідчать про стійкість отриманого композиційного матеріалу до зламу та руйнування при 3D друці.