Повышение технологической монолитности углепластика путем комбинированного наполнения эпоксидного связующего тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.06, кандидат технических наук Тананушко, Владимир Сергеевич

• Тананушко, Владимир Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тананушко, Владимир Сергеевич

Введение.

Глава 1 Физико-химические основы технологии получения полимерных композиционных материалов.

1.1 Основные принципы формирования полимерных композиционных материалов.

1.2 Повреждение конструкций из композитов в процессе эксплуатации.

1.2.1 Развитие повреждения в композитах на основе непрерывного волокнистого наполнителя.

1.2.2 Влияние вязкоупругих свойств полимерного связующего на развитие процесса повреждения.

1.3 Методы модификации полимерных матриц с целью увеличения вязкости разрушения композита

1.3.1 Структурообразование в матрице под воздействием поверхности дисперсного наполнителя.

1.3.2 Эффекты усиления полимерного связующего от введения дисперсной фазы.

1.4 Выводы.

Глава 2 Аналитическое исследование геометрии случайных структур в наполненных полимерах.

2.1 Структурные характеристики дисперсно-наполненных систем.

2.2 Влияние агрегирования жесткого дисперсного наполнителя на структурные характеристики системы.

2.3 Структурное моделирование композитов с комбинированным наполнителем.

2.4 Выводы.

Глава 3 Прогнозирование вязкоупругих свойств полимерного композита с комбинированным наполнителем.

3.1 Обоснование выбора моделей для прогнозирования упруго-прочностных свойств наполненных полимерных композитов.

3.2 Анализ прогнозируемых упругих свойств полимерной матрицы, модифицированной жесткими частицами.

3.3 Выводы.

Глава 4 Экспериментальное исследование зависимости вязкоупругих свойств углепластика от состава методом динамического механического анализа.

4.1 Цели и задачи исследования.

4.2 Описание объектов исследования.

4.3 Экспериментальная установка и метод исследования.

4.4 Технология приготовления образцов.

4.5 Результаты исследований наполненных полимерных материалов методом ДМА.

4.6 Оценка эффективности расчетных моделей для прогнозирования упругих характеристик полимерного материала с комбинированным наполнением.

4.7 Обсуждение результатов.

Основные результаты.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение технологической монолитности углепластика путем комбинированного наполнения эпоксидного связующего»

Конструкционные пластики на основе непрерывных углеродных волокон обладают высоким уровнем физико-механических характеристик. Однако их применение в пластиках конструкционного назначения ограничено невысокими значениями вязкоупругих характеристик и вязкости разрушения.

Улучшение физико-механических характеристик заданного композита может быть решено путем рационального выбора полимерного связующего или улучшения технологии изготовления при заданных компонентах материала.

Опыт, накопленный в производстве конструкционных пластиков, показывает, что наблюдается симбатность между физико-механическими свойствами композиционного материала (КМ) и связующего. Поэтому важно, чтобы выбранное связующее обеспечивало необходимые упругие, прочностные, деформационные свойства, а также теплостойкость и снижение тенденции к образованию трещин. В настоящее время разработан ряд приемов, позволяющих в определенной мере повысить технологическую монолитность изделия. К ним относятся:

• Методы модификации связующего, направленные на повышение релаксационных характеристик;

• Методы регулирования адгезионного взаимодействия связующего и армирующего наполнителя;

• Рациональный выбор конструкции КМ и формы изделий;

• Регулирование технологических параметров процесса получения изделий из композитов.

Все приемы направлены на создание необходимой структуры связующего на молекулярном, топологическом и над молекулярном уровне.

Традиционные методы модификации полимерной матрицы приводят к снижению модуля упругости, понижению верхней границы температурного интервала эксплуатации, что существенно ухудшает эксплуатационные характеристики материала. Важно заметить, что существенное увеличение вязкоупру-гих характеристик модифицированной матрицы не всегда, в полной мере, проявляется в армированном материале. В последнее время теоретически обоснована возможность применения мелкодисперсных наполнителей, в качестве модификаторов связующего, для достижения синергетического эффекта при комбинированном наполнении.

Это связано с тем, что совмещение в одной матрице частиц различной геометрической формы позволяет эффективно регулировать физико-механические свойства композитов, улучшает технологические и экономические характеристики материалов, расширяет возможности создания полифункциональных наполненных композиционных материалов.

1 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Заключение диссертации по теме «Технология и переработка полимеров и композитов», Тананушко, Владимир Сергеевич

Основные результаты

1. Впервые теоретически и экспериментально обоснована возможность модификации эпоксидного связующего ультрадисперсными частицами синтетического алмаза, объемное содержание которых не превышает 0,1 объемного процента для повышения технологической монолитности ПКМ.

2. Экспериментально доказано наличие синергетического эффекта от введения комбинированного дисперсно-волокнистого наполнителя.

3. Теоретически и экспериментально обоснована оптимальная степень наполнения дисперсными частицами (0,05 и 0,1 об. %) для достижения необходимого уровня вязко-упругих свойств углепластика.

4. Экспериментально доказана эффективность предложенного метода модификации для достижения сочетания высоких упругих и диссипативных свойств в углепластиках на основе эпоксидного связующего, модифицированного порошком ультрадисперсного синтетического алмаза (VH = 0,05 и 0,1 об. %)

5. Экспериментально показана необходимость дополнительных исследований свойств ПКМ, содержащего в качестве модификатора матрицы УДА-С (VH = 0,05 об. %) для уточнения механизма упрочнения, что обусловлено существенным (порядка 55%) отклонением от прогнозируемого значения модуля сдвига.

6. Предложен алгоритм расчета упруго-прочностных свойств полимерных систем с дисперсно-волокнистым наполнителем.

7. Предложена расчетная модель для определения среднего диаметра частиц агломерированного наполнителя.

8. Аналитически исследована геометрия структуры полимерного материала с комбинированным наполнителем. Получены статистические оценки случайных структур.

9. Показана необходимость разработки модели, адекватно оценивающей возможное изменение упругих характеристик наполненного полимерного материала (при содержании ультрадисперсного наполнителя менее 1 объемных процентов), учитывающей геометрию структуры и размер частиц наполнителя менее 1 мкм.

10. Предварительные исследования по возможности модификации поли-имидных связующих порошком корунда (VH < 1 об. %) показали возможность эффективного применения данного метода для различных классов полимерных связующих.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тананушко, Владимир Сергеевич, 2004 год

1. Братухин А.Г., Сироткин О.С., Сабодаш П.Ф. Материалы будущего и их удивительные свойства. М.: Машиностроение, 1995. — 128 с.

2. Буланов И.М., Воробей В. В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов: Учеб. для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998. - 516 с.

3. Бартенев Г.М. Прочность и механизм разрушения полимеров. М.: Химия, 1984.-280 с.

4. Нильсен Л. Механические свойства полимеров и полимерных композиций: Пер. с англ. — М.: Химия, 1978. 312 с.

5. Екобори Т. Научные основы прочности и разрушения материалов. Киев: Наукова Думка, 1978. - 236 с.

6. Калкин И.Л. / В сб. Прочность и разрушение композитных материалов. — Рига: Зинатне, 1983. С. 48 - 56.

7. Тамуж В.П., Азарова М.Т., Бондаренко В.М. разрушение однонаправленных углепластиков и реализация в них прочностных свойств волокон // Механика композитных материалов. 1982. №1. - С. 34 — 41.

8. Бартенев Г.М., Зеленев Ю.В. Физика и механика полимеров. — М.: ВШ, 1983.-392 с.

9. Композиционные материалы: Справочник / Под общей ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. — М.: Машиностроение, 1990. 512 с.

10. Тамуж В.П., Куксенко B.C. Микромеханика разрушения полимерных материалов, Рига, 1978. 294 с.

11. Розен Б.У., Дау Н.Ф. Механика разрушения волокнистых композитов. Разрушение. — Т. 7. ч. 1. - М.: Мир, 1976. - 238 с.

12. Коллакот Р. Диагностика повреждений: Пер. с англ. / Под ред. Г.И. Кудрявцева. М.: Химия, 1992. - С. 235 - 325.

13. Трофимов Н.Н., Канович М.З. Основные принципы создания высокопрочных композиционных материалов // Пласт, массы. 1992, №5. - С. 16 — 21.

14. Силуянов О.Ф. Горбачева В.О. Механические свойства углеродных волокон и их реализация в композитных материалах. М.: НИИТЭХим., 1982. - 45 с.

15. Калнин И.И. Поверхность углеродных волокон, ее модифицирование и влияние на разрушение высокомодульных углепластиков // Механика композитных материалов. 1979. № 3. - С. 397 — 406.

16. Березин А.В., Козинкина А.Н. Особенности диагностики повреждений и оценки прочности композитов // Механика композитных материалов и конструкций.-Т. 5.- 1999. № 1.-С. 99- 119.

17. Куров Е.И., Муравин Б.Г., Мовшович А.В. Исследование развития разрушения методами механо- и акустической эмиссии // Механика композитных материалов. 1984. № 5. - С. 918 - 923.

18. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. — М.: Машиностроение, 1984. -312 с.

19. Берлин А.А., Волъфсон С. А., Ошмян Н.С., Ениколопов Н.С. Принципы создания композиционных материалов. М.: Химия, 1990. - 240 с.

20. Лексовский A.M., Кинетика развития разрушения в волокнистых композитах // Кн. Кинетика деформирования и разрушения композитных материалов. J1.- 1983.-С. 112-133.

21. Рейфснайдер К. Повреждения конструкций из композитов в процессе эксплуатации // Прикладная механика композитов: Сб. статей 1986 1988 гг. Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - 358 с.

22. Кривородов B.C., Лексовский A.M. Энергоемкость процесса разрушения и прочность композиционных материалов // Механика композитных материалов.- 1987. №6.-С. 999-1006.

23. Суворов Ю.В., Сорина Т.Г., Гуняев Г.М. и др. Влияние деформационных свойств матрицы на реализацию прочности волокон в композите // Механика композитных материалов. 1987. № 7. - С. 630 - 634.

24. Юдин В.Е., Лексовский A.M. и др. Влияние диссипативных свойств связующего на процесс разрушения углепластиков // Механика композитных материалов. 1986. № 6. - С. 1021 - 1028.

25. Заболоцкий А.А., Овчинский А.С., Билсагаев Н.К. Влияние пластичности матрицы на прочность волокнистых композиционных материалов // проблемы прочности. 1985. № 3. - С. 94 - 96.

26. Будницкий Г.М. Армирующие волокна для композиционных материалов // Химические волокна. 1990. № 5. - С. 5 - 14.

27. Гужанс Ю.А., Тамуж В.П. К масштабному эффекту распределения Вей-була прочности волокон // Механика композитных материалов. 1984. № 6. — С. 1107-1109.

28. Кобец Л.П., Михайловский В.В., Надежина О.Н. О механизме разрушения карбо- и боропластиков при межслойном сдвиге // Механика композитных материалов. 1983. № 3. - С. 251 -256.

29. Яковлев А.П. Диссипативные свойства неоднородных материалов и систем. Киев, 1985. - 248 с.

30. Hoa S. V., Quellette P. Damping of composite materials // Polymer Composites. 1984. - Vol. 5. № 4. - P. 334 - 338.

31. Зиновьев П.А., Ермаков Ю.Н. Анизотропия диссипативных свойств волокнистых композитов // Механика композитных материалов. 1985. - № 5. — С. 816-825.

32. Воронин И.В., Лаврентьев В.В. Высокомолекулярные соединения // Сер. А. Т. 21. - 1979. № 2. - С. 278 - 285.

33. Марусенко В. В. Свойства композиционных материалов на основе реакто-и термопластов//Пласт, массы. 1997. № 1. — С. 10-15.

34. Старцев О.В., Перепечко И.И. Молекулярная подвижность и релаксационные процессы в эпоксидной матрице композита // Механика композитных материалов. 1984. № 3. - С. 387 - 391.

35. Гуль В.Н., Кулезнев В.Н. Структура и механические свойства полимеров. -М.: Высшая школа, 1979. — 352 с.

36. Перепечко И.И., Старцев О.В. Мультиплетные температурные переходы в аморфных полимерах в главной релаксационной области // Высокомолекулярные соединения. Сер. Б. - 1973. Т 15. - С. 321 - 323.

37. Липатов Ю.С. Физико-химические основы наполнения полимеров. — М.: Химия, 1991.-356 с.

38. Тарасов В.П., Смирнов Ю.Н., Иржак В.Н., Розенберг Б.А. II Высокомо-лек. Соединения. Сер. А. - Т 24. - 1982. № 11. - С. 2379 - 2384.

39. Козлов П.В., Папков С.П. Физико-химические основы пластификации полимеров. -М.: Химия, 1982. 223 с.

40. ДеЖен 77. Идеи скейлинга в физике полимеров. М.: Мир, 1982. — 368 с.

41. Зеленев Ю.В., Шеворошкин А.В. Роль модификации полимерных систем разных классов в формировании свойств // Пласт, массы. 1998. № 4.

42. Сетчатые полимеры: Синтез, структура, свойства / Иржак В.И., Розенберг Б.А., Ениколопян Н.С. М.: Наука, 1979. - 248 с.

43. Тананушко B.C., Маркин В.Б., Аникеева JI.M. Процессы модификации компонентов и их влияние на характер разрушения углепластиков. / Доклады 8 Межд. н. пр. конф. Сибресурс-8-2002. - Томск: ТГУ, 02. - С. 101 - 105.

44. Калашникова В.Г., Малинский Ю.М. Повышение ударной прочности пластических масс путем введения в них жестких порошкообразных наполнителей (обзор) // Пласт, массы. 1996. № 6. - С. 999 - 1006.

45. Бирнштейн Т.М., Борисов О.В. Адсорбция полимерных цепей на малых частицах и комлексообразование // Высокомолек. Соединения. Сер. А. — Т. 28. - 1986. № 11.-С. 2265-2271.

46. Мошев В.В., Свистков A.JI., Гаришин O.K. и др. Структурные механизмы формирования механических свойств зернистых полимерных композитов. — Екатеринбург: УрО РАН, 1997. 508 с.

47. Дзенис Ю.А. Влияние агрегации жесткого дисперсного наполнителя на диссипативные свойства полимерного композита // Механика композитных материалов. 1990. № 1. - С. 171 - 174.

48. Чернин КЗ., Смехов Ф.М., Жердев Ю.В. Эпоксидные полимеры и их композиции. М.: Химия, 1982. - 232 с.

49. Жук А.В., Горенберг А.Я., Огимян В.Г. Микродеформационное поведение дисперсно-наполненного композиционного материала с упругопластической матрицей // Механика композитных материалов. 1981. № 2. - С. 234 — 237.

50. Кочетков В.А. Расчет характеристик упругих и теплофизических свойств многофазного композита, содержащего составные или полые сферические включения // Механика композитных материалов. 1994. № 4. - С. 512 - 519.

51. Люкилин Б.А., Люкшин П.А. Влияние свойств межфазного слоя на напряженно-деформированное состояние полимерного композита в окрестности включения // Механика композитных материалов. 1998. № 2. - С. 52-57.

52. Евлампиева С.Е. Напряженное состояние упругой матрицы при регулярном заполнении объема композита круглыми жесткими включениями (плоская задача) // Структурная механика неоднородных сред. — Свердловск, 1982. — С. 69-72.

53. Физика полимеров / Г.М. Бартенев, С.Я. Френкель / Под ред. A.M. Елья-шевича. Л.: Химия, 1990. - 432 с.

54. Новиков В. У., Козлов Г.В., Бурьян О.Ю. Фрактальный подход к межфазному слою в наполненных полимерах // Механика композитных материалов. -2000.-Т. 35. №1.-С. 1-18.

55. Мамуков Н.И., Сердюк В.Д., Белоусов В.Н., Козлов Г.В. Флуктуационная сетка молекулярных зацеплений как перколяционная система // Рукопись деп. в ВИНИТИ № 1537. -1994.

56. Farris R.J. The character of the stress-strain function for highly filled elastomers // Trans. Soc. Pheol. 1968. - Vol. 12. № 2. - P. 303 - 314.

57. Соколкин Ю.В., Ташкинов А.А. Механика деформирования и разрушения структурно-неоднородных тел. М.: Наука, 1984. - 115 с.

58. Ленг Ф.Ф. Разрушение композитов с дисперсными частицами в хрупкой матрице // Кн. Композиционные материалы. Т. 5. Разрушение и усталость. — М., 1978.-С. 21 -57.

59. Гаришин O.K. Структурное моделирование процессов разрушения в наполненных зернистых композитах // Деформирование и разрушение структурно-неоднородных материалов. — Свердловск, 1989. С. 32 — 40.

60. Свистков А.Л. Влияние поверхностных слоев вокруг включений на микроструктурные напряжения композиционного материала // Структурная механика композиционных материалов. Свердловск, 1983. - С. 77 - 81.

61. Филлипс Д., Харрис Б. Прочность, вязкость разрушения и усталостная выносливость полимерных композиционных материалов // В кн. Промышленные полимерные композиционные материалы. М., 1980. - С. 50 - 146.

62. Кауш Г. Разрушение полимеров. М.: Мир, 1981. - 440 с.

63. Нарисава Н. Прочность полимерных материалов. М.: Химия, 1987. - 360 с.

64. Вахтинская Т.Н., Андреева Т.Н., Калеров А.С. и др. Ударопрочные материалы на основе смесей полимеров // Пласт, массы. 1990. № 3. - С. 51 - 53.

65. Evans A., Williams S., Beaumont P. On the toughness of particulate filled polymers // Journal Material Sci. 1985. - Vol. 20, № 10. - P. 3668 - 3674.

66. Бакнелл КБ. Ударопрочные пластики. JL, 1981. - 327 с.

67. Свистков А.Л. Моделирование разрушения эластомера с твердым наполнителем зернистого типа с учетом характерных размеров включений // Высо-комолек. соединения. Сер. А., 1994. Т. 33., № 36. - С. 412 - 418.

68. Кривободров B.C., Орлов А.Н. Начальные стадии эволюции микротрещин // Журн. техн. физики. 1985. - Т. 55, вып. 8. - С. 1677 - 1679.

69. Брык М.Т., Бурбан А.Ф. Образования полимеров на поверхности дисперсных углеродных веществ // Успехи химии. 1989. Т. 58. - С. 664 - 681.

70. Урьев Н.Б. Высококонцентрированные дисперсные системы. М.,1980. -330 с.

71. Брык М.Т. Полимеризация на твердой поверхности неорганических веществ. Киев: Наукова думка, 1981. - 288 с.

72. Авгуль Н.Н., Киселев А.В., Пошкус Д.П. Адсорбция газов и паров на однородных поверхностях. М.: Химия, 1975. - 384 с.

73. Джейкок М., Парфит Дж. Химия поверхностей раздела фаз. М.: Мир, 1984.-269 с.

74. Смирнов Е.П., Гордеев С.К. Алмазы: получение, свойства, применение. -Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1984. 73 с.

75. Охира А., Комори К, Накаяма К. II Муки дзайсицу кэнкюсе кэнюо хоко-кусе. 1980. № 20. - С. 49. - РЖХим, 1980. - Т.8. - С. 162.

76. Урьев Н.Б. Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов. М., 1988. - 256 с.

77. Иванова B.C., Баланкин А.С., Бунин ИЖ. Синергетика и фракталы в материаловедении. М.: Наука, 1994.

78. Новиков В. У., Козлов Г.В. Структура и свойства полимеров в рамках фрактального подхода // Успехи химии. 2000. — Т. 69. - С. 572 - 599.

79. Козлов Г.В., Новиков В. У Синергетика и фрактальный анализ сетчатых полимеров. М.: Классика, 1992.

80. Новиков В. У, Козлов Г.В. Фрактальный анализ процессов разрушения полимеров и полимерных материалов. М.: Классика, 1998. - !54 с.

81. Волченок В.Ф. Моделирование свойств полидисперсных структур. — Минск: Навука i тэхника, 1991. 193 с.

82. Займам Дж. Модели беспорядка // Теоретическая физика однородно неупорядоченных систем. М.: Мир, 1982. - 592 с.

83. Рябых А.Н., Шевелев В.А., Семенова Л.С., Котелянец Н.П. Изучение структуры и динамики фрагментов сетки в отвержденных эпоксидных композициях//ВМС. Сер. А. - 1994, №9.-С. 1506- 1511.

84. Кунин И.А. Теория упругих сред с микроструктурой. — М.: Наука, 1975. -415 с.

85. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Макаров П.В., Гриняев Ю.В. и др. Физическая мезамеханика и компьютерное конструирование материалов. Новосибирск: Наука, 1995. - Т. 1. - 297 с. - Т. 2. - 304 с.

86. Люткавичус М., Лявинскас Р., Сапрагонас И. Моделирование ползучести композитов полимерная матрица дисперсный наполнитель // Механика композит. материалов. - 1995. - Т. 31. № 6. - С. 754 - 768.

87. Бобрышев А.Н., Козомазов В.Н., Авдеев Р.И., Саломагиов В.И. Синергетика дисперсно наполненных композитов. - М.: ЦКТ МИИТа, 1999. - 252 с.

88. Липатов Ю.С. Межфазные явления в полимерах. Киев: Наукова думка, 1980.-259 с.

89. Лурье С.А., Белов П.А. Математические модели механики сплошной среды и физических полей // Изд. ВЦ РАН, 2000. 151 с.

90. Германович Л.Н., Дыскин А.В. Вариальные разложения в задачах об эффективных характеристиках // Механика композитных материалов, 1994. — Т. 30. №2.-С. 222-237.

91. Жук А.В., Горенберг А.Я., Тополкараев В.А. Микродеформационное поведение дисперсно-наполненного композитного материала с упругопластичной матрицей // Механика композитных материалов, 1981. №2. - С. 234 - 237.

92. Кочетков В.А. Расчет характеристик упругости многофазного композита, содержащего составные или полые сферические включения // Механика композитных материалов, 1994. -№1.-С. 19-53.

93. Лущейкин Г.А. Моделирование упругих и механических прочностных свойств наполненных полимеров и композитов // Пласт. Массы, 2003. № 1. — С. 36-38.

94. Лущейкин Г.А. Моделирование случайных структур // Пласт. Массы, 2001.-№5.-С. 17-19.

95. Згаевский В.Э., Яновский Ю.Г. Вычисление эффективной вязкости концентрированных суспензий жестких частиц на основе кристаллической модели // Механика композитных материалов и конструкций, 1996. — Т. 2. №1. — С. 137-167.

96. Сергеев А.Г., Крохин В.В. Метрология: уч. пособие для вузов. М.: Логос ,2001. -408 с.

97. Лабунин С.А., Бугин М.В. Решение некоторых статистических задач для класса экспоненциальных распределений случайных величин // Измерительная техника . ~1998.№8. с.9-12.

98. МИ 2083-90 "ГСИ. Измерения косвенные. Определение результатов измерений и оценивание их погрешности."