Высокопрочные углепластики на эпоксидной матрице с регулируемым адгезионным взаимодействием

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего профессионального образования«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»На правах рукописиНЕЛЮБ Владимир АлександровичВЫСОКОПРОЧНЫЕ УГЛЕПЛАСТИКИ НА ЭПОКСИДНОЙ МАТРИЦЕС РЕГУЛИРУЕМЫМ АДГЕЗИОННЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ05.17.06. –Технология и переработка полимеров и композитовДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:академик РАН, д.х.н., проф.Берлин А.А.Москва 20152ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ .....................................................................................................

5ГЛАВА 1ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ..............................................131.1. Адгезия и гипотезы адгезионного взаимодействия ...… 131.2. Методы экспериментального исследованияхарактеристик адгезионного взаимодействия междусвязующим и волокном .................................................... 151.3. Методы регулирования характеристик адгезионноговзаимодействияэпоксиднаяматрица–углеродноеволокно ...………………………………………………… 181.4. Моделирование свойств полимерныхкомпозиционных материалов ...………………………...

211.5. Обзор существующих теорий адгезии в рамкахпонятий механики сплошной среды ...…………………261.6. Краткие выводы по 1 главе …………………………….. 28ГЛАВА 2ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ............ 302.1. Выбор объектов исследования ........................................ 302.2. Методики исследования ................................................... 31ГЛАВА 3ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯПОВЕРХНОСТИ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН .............. 393.1.

Исследование шероховатости углеродных волокон .....3.2. Исследованиефазовойструктуры39углеродныхволокон ............................................................................... 473.3. Исследованиеуглеродныхволокониматрицыметодом электронного парамагнитного резонанса .......543ГЛАВА 4ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ОТВЕРЖДЕНИЯСВЯЗУЮЩИХ И МИКРОСТРУКТУРЫ МАТРИЦЫВ УГЛЕПЛАСТИКЕ ......................................................... 654.1. Исследование кинетики отверждения связующих вуглепластике ...................................................................... 654.2. Исследование микроструктуры отвержденных матриц.

70ГЛАВА 5РЕГУЛИРОВАНИЕ МЕЖФАЗНОГОВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НА ГРАНИЦЕЭПОКСИПОЛИМЕР-УГЛЕРОДНОЕ ВОЛОКНОМЕТОДОМ ТЕРМООКИСЛЕНИЯ ..................................5.1. Исследованиетемпературного80режиматермоокисления углеродных волокон ............................. 805.2. Исследование влияния термоокисления на свойствауглеродных волокон .........................................................875.3. Исследование влияния термоокисления углеродныхволокон на микроструктуру матрицы углепластиков .. 895.4. Количественнаяоценкамежкомпонентноговзаимодействия в углепластиках ..................................... 925.5.

Рекомендации производителям углеродных волокон вчасти термоокислительной обработки ............................ 935.6. Методикавыборауглеродныхволокон,обеспечивающих высокую адгезионную прочность ..... 94ГЛАВА 6МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И ИНЖЕНЕРНЫЕМЕТОДИКИ ...................................................................... 976.1.Исходные математические модели ...............................

976.2.Инженерная методика определения напряженнодеформированногосостояниянаячейке4периодичности ................................................................. 986.3.Традиционная модель в рамках подхода Фойхта(модель-1) ........................................................................6.4.Модель ячейки периодичности с учетом сдвига(модель-2) ........................................................................6.5.МетодикавеличиныэкспериментальногоадгезионногомодуляМетодикаэкспериментальногопарыволокно-Сравнениетеоретическихи117определениявеличины адгезионного предела прочности ................6.8.107определенияматрица ............................................................................6.7.102Модель ячейки периодичности с учетом адгезии(модель-3) ........................................................................6.6.99118экспериментальныхрезультатов определения толщин граничных слоевэпоксидных матриц .........................................................

1206.9.Определение резерва прочности углепластиков засчет повышения адгезии волокна к матрице ................ 1226.10. Расчет углепластиков на растяжение с учетомадгезии волокна к матрице ............................................. 125ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ .................................................. 131СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ…………… 133СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .............................................................................. 137ПРИЛОЖЕНИЯ ..............................................................................................1525ВВЕДЕНИЕСовременныеуглепластикиотносятсякоднимизнаиболееперспективных полимерных композиционных материалов (ПКМ), что связано свысокими значениями их удельной прочности и жесткости.

Созданиеперспективных изделий современной техники требует разработки новыхуглепластиков, обладающих повышенной прочностью и высокой надежностью.Решениеэтойзадачивозможноприиспользованиисовременныхэкспериментальных методов и разработке новых теоретических подходов дляоценки состояния поверхности волокон и их дефектности, механизмаадгезионного взаимодействия на границе полимерная матрица – волокнистыйнаполнитель, характеристик межфазного слоя и нахождении корреляций скомплексом эксплуатационных свойств.АКТУАЛЬНОСТЬЭпоксидные связующие используются в качестве матриц при созданииармированныхПКМиявляютсямногокомпонентнымигетерогеннымисистемами.

В процессе создания армированных пластиков их структурастановится более сложной и характеристики получаемых материалов зависят отсвойств наполнителей и полимерных матриц, межфазного взаимодействия,схем армирования и технологии формования.Известно, что требуемые свойства ПКМ достигаются только в случаереализацииоптимальныхтехнологическихрежимовотверждения,обеспечивающих монолитность материала и необходимый уровень межфазноговзаимодействия. Однако в настоящее время неясно, каким должен быть этотнеобходимыйидостаточныйуровень,отсутствуетклассификацияпомежфазному взаимодействию, включая такие широко известные системы, какэпоксидная матрица - углеродное волокно (УВ). В настоящее время в механикетвердого тела представлен (выделился) самостоятельный раздел – адгезионная6механика, которая рассматривает взаимодействия на межфазной границегетерофазныхсистем ипредлагает методикиоценкипрочностныхижесткостных характеристик ПКМ.

Однако они являются общими для всехтипов ПКМ и не учитывают специфики межфазного взаимодействия УВ сэпоксидными связующими. Это приводит к большим погрешностям приразработке конструкторско-технологических решений.Таким образом, научно-исследовательская работа, направленная насоздание высокопрочных углепластиков путем регулирования межфазноговзаимодействия и адгезионной прочности является актуальной задачейсовременного материаловедения.СТЕПЕНЬ РАЗРАБОТАННОСТИ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯРазработанностьтеорииадгезионныхвзаимодействийидеальныхповерхностей можно считать практически завершенной благодаря трудам Янга(YoungT.), Лапласа (LaplaceS.), Гаусса (GaussC.F.), Горячевой И.Г., МаховскойЮ.Ю., Гуртина (GurtinM.E.), Мурдоха (MurdochA.I.),Лурье С.А., Белова П.А.Стейгманна(SteigmannD.J.)иОгдена(OgdenR.W.).Однакоинженерныхприложений этих теорий практически нет, и поэтому разработка методикирасчета волокнистых композиционных материалов с учетом адгезионныхвзаимодействий волокна с матрицей является новой.В трудах [Б.А.

Розенберга, А.А. Берлина] разработано гетерофазноестроение термореактивных связующих, расслоение которых на стадиях синтеза,хранения и отверждения протекает с выделением частиц дисперсной фазы.Волокнистыйнаполнительпринимаетразличноеучастиевструктурообразовании связующего в зависимости от природы и состоянияповерхности. Остается открытым вопрос о характере влияния активированнойповерхности УВ на процесс структурообразования.7Известно применение метода электронного парамагнитного резонанса(ЭПР) для оценки взаимодействия УВ с полимерной или коксующейсяматрицей [Л.