Экспериментальные методы исследования границы раздела фаз полимерных композиционных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат технических наук Хамичева, Татьяна Викторовна

• Хамичева, Татьяна Викторовна
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хамичева, Татьяна Викторовна

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФАЗ В ПКМ НА ОСНОВЕ

ОРЕАНИЧЕСКИХ ВОЛОКОН.

1Л Высокопрочные органические волокна.

1Л Л Получение органических волокон.

1 Л .2 Особенности структуры волокон.

1 Л .3 Основные свойства волокон.

1.2 ПКМ на основе органических волокон.

1.2Л Подбор связующего.

1.2.2 Получение органопластиков с высоким относительным содержанием волокон.

1.3 Структура и свойства межфазного слоя.

1.3.1 Основные понятия.

1.3.2 Способы увеличения адгезионной прочности.

1.4 Электрические свойства ПКМ.

1.4.1 Общие сведения о диэлектрической проницаемости полимеров.

1.4.2 Электрическая релаксация в полимерах.

1.4.3 Влияние различных факторов на диэлектрические потери полимеров.

1.5 Релаксационные явления в ПКМ с учетом межфазного взаимодействия.

1.6 Разрушающие методы исследования.

1.6.1 Механизмы и критерии разрушения композитов.

1.6.2 Основные методы определения адгезионной прочности.

1.7 Неразрушающие методы исследования.

1.7.1 Методы определения диэлектрических характеристик ПКМ.

1.8 Анализ зависимости диэлектрических характеристик ПКМ от температуры.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальные методы исследования границы раздела фаз полимерных композиционных материалов»

Основной тенденцией в развитии промышленного комплекса последнего времени можно считать усовершенствование характеристик материалов. Как правило, стремятся к снижению веса, увеличению прочности и повышению их стойкости к агрессивным средам. В связи с этим возникает потребность в новых материалах, способных с наибольшей выгодой заменить традиционные. Таковыми являются полимерные композиционные материалы (ПКМ), чей широкий диапазон всевозможных свойств не сравним ни с одним из обычных материалов.

Особенностью производства изделий из ПКМ, армированных непрерывными волокнами, является то, что проектирование и формирование материала и конструкции происходит одновременно. В связи с этим, достижение высокого качества изделий невозможно без контроля структуры материала на всех этапах технологического процесса.

В процессе изготовления армированных непрерывными волокнами ПКМ, на границе раздела матрица-наполнитель возникает довольно тонкий межфазный слой (МФС), структура и свойства которого оказывают существенное влияние на формирование свойств и поведение материала в целом. В связи с этим возникает потребность в тщательном исследовании характеристик МФС без нарушения его структуры, что становится возможным при наличии эффективных методов исследования, не связанных с разрушением материала.

Исследование сложных многокомпонентных структур, каковыми являются ПКМ, на базе какого-либо одного универсального прибора или метода, является проблематичным, так как такие структуры имеют многопараметрическую природу, то есть характеризуются изменением многих параметров одновременно. Более перспективным видится использование комплексного подхода, основанного на сочетании возможностей нескольких методов исследования, чувствительных к различным параметрам контролируемого материала. Наибольшая эффективность при таком подходе достигается, если используются методы, каждый из которых характеризуется повышенной чувствительностью к изменениям какого-либо одного из параметров материала.

Электрические методы исследования высоко информативны, предполагают безопасность и невысокую стоимость, быстроту и безвредность тестирования. Современные теории диэлектрической поляризации и диэлектрических потерь позволяют связывать значения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь и параметры, характеризующие их зависимость от температуры или частоты электрического поля со строением полимера.

Методы динамического механического анализа (ДМА) позволяют выделить вклад МФС в эффективные упругие характеристики материала. Методы обладают высокой разрешающей способностью и позволяют проводить исследование структуры композита в широком интервале температур.

Таким образом, актуальность темы связана не только с совершенствованием существующих методов исследования параметров композита, но и с разработкой комплексного подхода, основанного на сочетании диэлектрических методов исследования и методов ДМА. Это позволит через диэлектрические и упруго-сдвиговые характеристики МФС получить информацию о природе, составе и структуре композита в целом.

Целью работы являлась разработка экспериментальных методов исследования границы раздела фаз ПКМ, наполненных органическими волокнами, в широком интервале температур, включающем области а-релаксации отдельных полимерных компонентов композитов, через диэлектрические и сдвиговые упругие характеристики МФС для определения зависимости свойств композита от адгезионной прочности на границе раздела и установлении факторов, которыми эта зависимость определяется.

Таким образом, были сформулированы основные задачи работы:

1. Разработать методику изучения свойств ПКМ на основе органического наполнителя со степенью армирования, приближенной к предельной.

2. Разработать методы исследования МФС ПКМ на основе определения электрофизических параметров в широком интервале температур.

3. Оценить применимость разработанных методов исследования в зависимости от состояния поверхности армирующих волокон.

4. Разработать электрофизическую модель ПКМ для определения и контроля его макроскопических характеристик.

Предметом исследования являются ПКМ на основе органических волокон СВМ со степенью армирования, приближенной к предельной. Свойства межфазного слоя в таком материале можно изменять, модифицируя поверхность наполнителя в низкотемпературной плазме по методике, разработанной на кафедре "Физика и технология композиционных материалов" (ФиТКМ) АлтГТУ. Контроль структуры МФС неразрушающими методами позволит оценить эффективность плазмохимической обработки для проектирования ПКМ с заранее заданными свойствами.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена электрофизическая модель ПКМ, позволяющая через определение диэлектрических характеристик МФС оценивать свойства и микро- и макроструктурные параметры композита.

2. Установлена связь между электрофизическими и упруго-сдвиговыми характеристиками ПКМ, позволяющая оценивать механические свойства композита через его диэлектрические характеристики.

3. Разработаны методы исследования ПКМ со степенью армирования, приближенной к предельной. 8

4. Для определения упруго-сдвиговых параметров предельно армированного композита впервые применен метод свободных крутильных колебаний, реализованный на маятниковом приборе.

Практическая ценность результатов работы заключается в следующем:

1. Разработанный метод исследования упруго-сдвиговых характеристик ПКМ дает возможность оценивать и контролировать качество реальных КМ.

2. Разработанный метод исследования диэлектрических характеристик ПКМ позволяет по диэлектрическим характеристикам компонентов определять диэлектрические свойства композита в целом.

3. Разработанный метод применяется для исследования физико-механических характеристик на основе полиимидных связующих, что отражено в заявке на патент РФ № 2000106876 от 20.03.2000г.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка, 12 таблиц, список литературы из 103 наименований.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Хамичева, Татьяна Викторовна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенной работы получены следующие результаты:

1. Разработана методика изучения свойств ПКМ, наполненных непрерывными органическими волокнами со степенью армирования, приближенной к предельной.

2. Анализ связи качественных и количественных характеристик предельноармированного ПКМ со свойствами образующих его компонент показал, что значительная объемная доля материала находится в состоянии межфазного слоя и поэтому следует учитывать вклад межфазного слоя при контроле свойств композита.

3. Произведен переход от разрушающих методов исследования адгезионной прочности матрица-волокно к методам неразрушающим, позволяющим с помощью диэлектрических и сдвиговых упругих характеристик оценивать состояние межфазого слоя в ПКМ с большей степенью точности, нежели с помощью измерения адгезионной прочности.

4. В процессе разработки диэлектрических методов исследования оценено влияние модификации поверхности наполнителя на характеристики межфазного слоя и температуры фазовых переходов компонент композита.

5. В процессе разработки неразрушающих методов исследования ПКМ по анализу упруго-сдвиговых характеристик установлено, что МФС является образованием со сложной структурой, которая формируется как в объеме связующего, непосредственно контактирующем с волокном, так и в приповерхностном объеме волокна.

6. Разработанная электрофизическая модель ПКМ позволяет контролировать диэлектрические свойства слоистого композита и вычислять его диэлектрические характеристики по параметрам компонентов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хамичева, Татьяна Викторовна, 2000 год

1. Композиционные материалы / Под ред. Д.М. Карпиноса. Киев: Наукова думка, 1985. 574 с.

2. Горбаткина Ю.А. Проблемы адгезионной прочности соединений полимеров с волокнами // ЖВХО им. Д.И. Менделеева, 1989, №5, С. 553-559.

3. Справочник по композиционным материалам / Под ред. Б. Геллера. М.: Машиностроение, 1988. -448 с.

4. Армирующие химические волокна для композиционных материалов / Под ред. Г.И. Кудрявцева. М.: Химия, 1992. - 236 с.

5. Кудрявцев Г.И. Некоторые проблемы получения сверхпрочных и высокомодульных органических волокон // Химические волокна, 1990, №2, С.34-35.

6. Кудрявцев Г.И., Носов М.П., Волохина А.В. Полиамидные волокна. М.: Химия, 1976. - 264 с.

7. Перепелкин К. Е. Структура и свойства волокон. М.: Химия, 1992.-236 с.

8. Масленников К. Н. Химические волокна. М.: Химия, 1973. - 192 с.

9. Келли А. Высокопрочные материалы. -М.: Мир, 1976. -260 с.

10. Попков С. П. Полимерные волокнистые материалы. М.: Химия, 1986.-224 с.

11. Гуняев Г. М. Структура и свойства полимерных волокнистых композиционных материалов. — М.: Химия, 1981. 232 с.

12. Перепелкин К. Е. Основные структурные факторы, определяющие получение высокопрочных и высокомодульных волокон. // Теория формирования химических волокон. М.: Химия, 1975. - 385 с.

13. Современные представления о взаимосвязи структура свойства химических волокон. Часть 1,2./ Перепелкин К. Е. // Текстильная химия, 1992. -№1, 2.

14. Граничный слой в полимерном композите. Тростянская

15. Е.Б., Шадчина З.М., Шибаков А.К. // Полимерные композиты 90. Материалы научно - практической конференции. - Л.: 1990. - С. 25-29.

16. Формирование граничного слоя. Хазин В.Г. // Полимерные материалы в народном хозяйстве. Научно-техническая конференция. Сергиев посад, 1993. С.60-67.

17. Берлин А.А., Басин В.Е. Основы адгезии полимеров. М.: Химия, 1969.-282 с.

18. Накао К. Проблемы прочности адгезии и влияния наполнителей на адгезионную прочность. 1972. 385 с.

19. Афасижев Н.Р., Абрамчук С.С., Лебедев А.А., Харченко Е.Ф. Особенности трансверсального деформирования намоточных органопластиков с учетом перепрофилирования волокон. // Механика композиционных материалов. 1989. - №5. - С.782-787.

20. Харченко Е.Ф. Предельное армирование органопластиков на основе высокоориентированных полиэтиленовых волокон. //Механика композиционных материалов. 1990. - №6. - С.1014-1020.

21. Ефремова А.И., Кузуб Л.П., Иржак В.И. Влияние компонентов эпоксидного связующего на механические свойства органических волокон. // Механика композиционных материалов. 1990. -№4. - С.736-739.

22. Зеленев Ю.В., Шленский О.Ф., Вержбицкий Ф.Р., Аристов В.М. Исследование кратковременных стадий релаксационных процессов в полимерных материалах. // Пластические массы. №3. - 1995. - С.40-42.

23. Савченко В.Е. Новый метод неразрушающего контроля полимерных изделий на основе кварцевого резонатора. // Дефектоскопия. -1990. -№!.- С.89-91.

24. Арш Э.И. Автогенераторные методы и средства измерений.

25. Савченко В.Е. Устройство для измерения эквивалентного активного сопротивления кварца. Авт. свидетельство № 202320. Бюллетень изобретений, 1967, №19.

26. Грибова JI.К. Об использовании кварцевого диэлькометрадля исследования изделий из полимерных материалов. // Дефектоскопия. -1990.-№1.-С.92-93.

27. Вержбицкий Ф.Р. Высокочастотно-термический анализ. Иркутск.: Издательство Иркутского университета, 1986.

28. Зеленев Ю.В. Релаксационные явления в полимерах. Докт. дисс. -М.-МГПИ, 1971.

29. Сандитов Д.С., Бартенев Г.М. Физические свойства неупорядоченных систем. Новосибирск: Издательство Новосибирского университета, 1982.

30. Браун Г.В. Вода в полимерах. // Под ред. С. Роуленда. Пер. с англ. -ML: Мир, 1984.-414 с.

31. Афромеев В.И., Покровский Ю.А. Экспресс-метод измерения относительной диэлектрической проницаемости. / Радиотехника. 1986. -№3. - С.94.

32. Потапов А.И., Иккер Ф. П. Неразрушающий контроль конструкций из композиционных материалов. Л.: Машиностроение, 1977. - 192 с.

33. Геллер А.Б., Игнатов В.М., Славинский С.Г. Неразрушающие методы контроля композиционных материалов на основе волокнистых структур. М.: НИИТЭХИМ, - 1989, 40 С.

34. Березин А.В., Козинкина А.И. Особенности диагностики повреждений композитов и оценки прочности композитов. // Механика композиционных материалов и конструкций. 1999. - Т.5. - №1. - С.99-120.

35. X. Ясуда. Полимеризация в плазме: Пер. с англ. М.: Мир, 1988. -376 е., ил.

36. Горбаткина Ю.А. Адгезионная прочность в системах полимер-волокно. М.: Химия, 1987. - 192 с.

37. Жандаров С.Ф., Писанов Е.В., Довгяло В.А. Фрагментация волокна при растяжении в матрице как метод определения адгезии // Механика композиционных материалов, 1992, №3, С.384.

38. Narkis M., Chen E.J.H., Pipes R.B. Review of metods for characterisation of interfacial fiber-matrix interaction. // Polimer composites. -1988.-Vol.9, №4.-P.254-261.

39. Андреевская Г.Д. Высокопрочные ориентированные стеклопластики. -М.: Наука, 1967, С. 100-120.

40. Miller В., MuriP., Rebenfeld L. Microbond method for determination of the shear strength of a fiber-resin interface. // Composites Sci. Tech., 1987. -Vol.28, №1. P. 17-32.

41. Fraser W.A., Ancker F.H. A computer modeled single filament technique for measuring coupling and sizing agent effects in fiber reinforced composites. // Proc. Conf. on reinforced plastics, SPI, 1975. Sect. 22A. - p. 1 -4.

42. Современные композиционные материалы / Под ред. А.Браутмана и Р.Крока. М.: Химия, 1970.

43. Липатов Ю.С. Физикохимия наполненных полимеров. Киев.: Наукова думка, 1967. 234 с.

44. Носов М.П., Вагин Н.И. Пластические массы, 1992, №3, С.22-24.

45. Перепелкин К.Е., Баранова С.Я., Горова Е.Ю. Влияние термического старения на дефектность сверхпрочных параароматических нитей Армос и СВМ // Химические волокна, 1995, №1, С.34.

46. Наполнители для полимерных композиционных материалов / Под ред. Г.С. Каца, Д.В. Милевски. М.: Химия, 1981. 736 с.

47. Юречко Н.А., Родина С.П. Высокопрочные теплостойкие органопластики на основе высокофункциональных эпоксидных аминосмол // Химические волокна, 1996, №2, С. 44

48. Зеленский Э.С., Кульков А.А., Куперман A.M. Технология намоточных пластиков // ЖВХО им. Д.И. Менделеева, 1989, №5, С. 515-520

49. Харченко Е.Ф., Кудрявцев Г.И. Термомеханические свойства предельноармированных и эпоксидных органоволокнитов // Химические волокна, 1996, №2, С. 46-48.

50. Липатов Ю. С. Физико-химические основы наполнения полимеров. М.: Химия, 1991.

51. Плюдеманн Э. Поверхности раздела в полимерных композиционных материалах. М.: Мир, 1978.

52. Бровикова И.Н,. Абрамов B.JI. Пластические массы, 1993, №3, С.3132

53. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энергия,1973.

54. Эме Ф. Диэлектрические измерения. М.: Химия, 1967.

55. Бартенев P.M., Френкель С.Л. Физика полимеров. Л.: Химия, 1990. 432 с.

56. Электрические свойства полимеров / Под. ред. Б.И. Сажина. Л.: Химия, 1986.-224 с.

57. Лугцейкин Г.А. Методы исследования электрических свойств полимеров. М.: Химия, 1988. 160 с.

58. Перепечко И.И. Акустические методы контроля полимеров. М.: Химия. 1973.-290 с.

59. Филистович Д.В. Система регистрации параметров свободно затухающих крутильных колебаний. Барнаул: АГУ, 1997.

60. Ли X., Невилл К. Справочное руководство по эпоксидным смолам / Под ред. Н. В. Александрова. М.: Энергия, 1973. 416 с.

61. Л. Нильсен. Механические свойства полимеров и полимерных композиций. М.: Химия, 1978.

62. Нефедов В.П., Черепин В.Т. Физические методы исследования поверхности твердых тел. М.: Наука, 1983. - 296 с.

63. Нефедов В.И. Реитгеноэлектронная спектроскопия химических соединений. Справочник. М.: Химия, 1984. - 256 с.

64. Электронная и ионная спектрометрия твердых тел. / Под ред. Л.Фарменса и др. М.: Мир, 1981,- 467 с.

65. Кларк Д.Т. в кн. Структурные исследования макромолекул спектроскопическими методами. / Под ред. Бучаченко А.Л. М.: Химия, 1980. - С. 102-165.

66. Азам Р., Башара И. Эллипсометрия и поляризованный свет. М.: Мир, 1981,- 188 с.

67. Карлсон Г.А. Фотоэлектронная и Оже-спектроскопия. -Л.: Машиностроение, 1981.-431 с.

68. Исследование низкочастотных колебаний в полимерах методом неупругого рассеяния нейтронов. / Сэффорд И., в сб. Физика полимеров. -М.: Издательство иностранной литературы, 1969. С.9-47.

69. Исследование высокополимеров методом ЯМР. / Слихтер У., в сб. Физика полимеров. М.: Издательство иностранной литературы, 1960. -С. 171-217.

70. Методы анализа поверхности. / Под ред. Заделин А. М.: Мир, 1979.- 582 с.

71. Сканави Г.И. Физика диэлектриков. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1949. - 500 с.

72. Штраус В.Д. Неравновесная диэлектрическая спектрометрия. // Методы и средства диагностики несущей способности изделий из композитов. Рига: Зинатне, 1991. - С.42-66.

73. Нестеров А.Е., Липатов Ю.С. Обращенная газовая хроматография в термодинамике полимеров. Киев: Наукова думка, 1982. 128 с.

74. V. Shtrauss. Structure evaluation of materials by electrical methods // Механика композиционных материалов, 1996. T.32, №1. - на англ. яз-р. 124-134.

75. Эльгард A.M. Измерение диэлектрических проницаемости и потерь в сильных электрических полях. // Приборы и техника эксперимента, №3, С.151.

76. Савченко В.Е. Теория кварцевого диэлькометра с последующим включением кварцевого резонатора и емкостного датчика. -Метрология. Приложение к журналу «Измерительная техника», 1985, №2, С.45-78.

77. Савченко В.Е., Грибова JI.K. Параметрический преобразователь неэлектрических величин в электрический сигнал по активной составляющей индуктивного датчика. Авт. свидетельство №1193 591. Бюл.изобр., 1985, №43.

78. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: ГИФМЛ, 1963. 404 с.

79. Коваленко А.А. Техника исследования анизотропии жесткости композиционных материалов авиационного назначения при воздействии факторов внешней структуры. / Дис. канд. техн. наук. Барнаул: 1999. - 152 с.

80. Старцев О.В., Коваленко А. А., Насонов А.Д. Анизотропия крутильной жесткости листовых полимерных КМ. / Механика композиционных материалов, 1999, №3, С.291-308.

81. Домашнева Г.С., Кузуб Л.И., Никитина О.В., Распопова Е.Н., Иржак В.И. Сорбция компонентов эпоксидного связующего арамидными волокнами. // Механика композиционных материалов. 1987, №6, С. 10771081.

82. Богородицкий Н.П., Волокобинский Ю.М., Воробьев А.А., Тареев Б.М. Теория диэлектриков. М.-Л.: Энергия, 1965. 344 с.

83. Вапиров Ю.М. Механизмы старения углепластиков авиационного назначения в условиях теплого и влажного климата / Дис. канд. техн. наук / Всесоюзное ордена Ленина и ордена Октябрьской революции научно-производственное объединение ВИАМ. М.: 1989. - 208 с.

84. Матис И.Г. Спектрометрические методы исследования структуры композиционных материалов // Механика композиционных материалов, 1991.-№2 С.330-334.

85. Получение ПАОП в лабораторных условиях. // Алтайский центр научно-технической информации. Информационный листок №17-99. Составители: Т.В. Хамичева, В.Б. Маркин.

86. Маркин В.Б., Хамичева Т.В. Метод контроля связи в ПАОП // Тезисы докладов межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Студент и научно-технический прогресс". Рубцовск: РИИ, 1999.-С.104.

87. Хамичева Т.В., Маркин В.Б. Метод контроля свойств ВАОП через их диэлектрические характеристики И Тезисы докладов к международной научно-технической конференции "Композиты в народное хозяйство России". - Барнаул, АлтГТУ, 1999. - С.7-9.

88. Маркин В.Б., Хамичева Т.В. Анализ влияния модификации поверхности волокна на диэлектрические свойства ВАОП. // Тезисы докладов к международной научно-технической конференции "Композиты -в народное хозяйство России". Барнаул, АлтГТУ, 1999. - С.9-10.

89. Перепелицина JT.H., Липатов Ю.С., Бабич В.Ф. Влияние толщины МФС на вязкоупругие характеристики наполненных полимеров // Механика композиционных материалов, 1991. №4. - С.610-615.

90. Насонов А.Д. Исследование влияния пространственнойсетки на вязкоупругие свойства аморфных полимеров низкочастотным акустическим способом: Дис. на соиск. уч. ст. к. физ-мат. наук. Калинин, 1979.-208 с.

91. Мейнке X., Гундлах Ф. Радиотехнический справочник. М. - JL: Госэнергоиздат, 1960, Т.1.-415 с.

92. Измеритель CLR Е7-13. Техническое описание и инструкция по эксплуатации, 1989. 104 с.

93. Справочник по электротехническим материалам: В Зт. Т.1 / Под ред. Ю.В.Корицкого и др. 3-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1986. -368С.: ил.

94. Зайдель А.Н. Погрешности измерений физических величин / Под. ред. Алферова Ж.И. Л.: Наука, 1985. - 112 с.

95. Бурдун Г.Д., Марков Б.Н. Основы метрологии. М.: Изд-во стандартов, 1972.-312 с.

96. Маркин В.Б., Хамичева Т.В. Контроль структуры МФС органопластиков // В сб. Труды СОАИНРФ. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2000. -С.7-10.

97. Theocaris P.S., Spathis G., Kefales В. The adhesion coefficient fiber-reinforced polymers evaluated by dynamic measurements. // Colloid a. Polymer Sci., 1982, V.260, №9. p.837-841.

98. Хамичева T.B., Маркин В.Б., Жолнеров А.В., Коваленко А.А., Насонов А.Д. Исследование структуры межфазного слоя высокоармированных органопластиков. // Физика и образование: Сборник научных статей. Барнаул: Изд-во БГПУ, 2000. - С.97-103.