Высокопрочные углепластики на эпоксидной матрице с регулируемым адгезионным взаимодействием, страница 2

А. Блюменфельд, В. В. Воеводинский, А. Г. Семенов]. Однакоработы,вкоторыхдаютсяколичественныеоценкивзаимодействиякомпонентов композита методом ЭПР отсутствуют, нет методики определенияколичества ПМЦ на поверхности волокон.ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИЦельработызаключаетсявоценкесостоянияповерхностиидефектности углеродных волокон, повышении адгезионного взаимодействия награнице эпоксиполимер – углеродное волокно и создании высокопрочныхармированных пластиков.Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:1. Исследование шероховатости поверхности углеродных волокнистыхнаполнителей;2. Оценка доли аморфной и кристаллической фаз на поверхностиуглеродных волокнистых наполнителей;3. Определение количества парамагнитных центров (ПМЦ) на поверхностиуглеродных наполнителей и в армированных пластиках;4.

Изучение влияния шероховатости, доли аморфной и кристаллической фазна поверхности УВ на адгезионную прочность в углепластиках.5. Исследование процессов газофазного термоокисления УВ и разработкарежимов, позволяющих регулировать значение шероховатости, содержаниеаморфной фазы, ПМЦ и адгезионное взаимодействие для созданиявысокопрочных углепластиков.6.

РазработкамоделиармированногоПКМсучетомадгезионноговзаимодействия УВ с эпоксидной матрицей и расчет физико-механическиххарактеристик углепластиков.8НАУЧНАЯ НОВИЗНА1.Впервые получены количественные характеристики шероховатостиповерхности, соотношения долей аморфной и кристаллической фаз наповерхности УВ различных марок и установлено их влияние на прочностьуглепластиков при межслоевом сдвиге и растяжении.2.Предложен новый метод оценки количества ПМЦ на поверхностиУВ и в армированном пластике.

Показано, что ПМЦ на поверхности УВспособны образовывать с эпоксидной матрицей донорно-акцепторные связи иустановлена корреляция между концентрацией ПМЦ на поверхности УВ и вуглепластике с прочностью при межслоевом сдвиге.3.Установлено, что микроструктура отвержденного эпоксидногосвязующегозависитоттехнологическойнаследственностиУВ.Притермоокислительной обработке УВ увеличивается количество дисперсныхчастиц (глобул) с 41 до 53% и изменяется их форма и ориентация в структуреэпоксидной матрицы и в углепластике (в граничных слоях глобулыориентированы по нормали к поверхности УВ).4.Предложена математическая модель армированного пластика,которая учитывает параметры адгезионного взаимодействия УВ с полимернойматрицей (модуль адгезионного взаимодействия Amf и прочность адгезионноговзаимодействия σab) и установлена их корреляция с комплексом механическиххарактеристик углепластиков.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬТеоретическая значимость:1.На основе классических моделей механики сплошной среды инеклассическойтеорииидеальнойадгезииповерхностейразработанаматематическая модель волокнистого композита, учитывающая адгезионноевзаимодействие волокна и матрицы.

Введены новые характеристики композита:9адгезионный модуль пары волокно-матрица и предел прочности адгезионноговзаимодействия поверхности контакта.2.Развита концепция Милейко – Литвинова по микрокомпозитномустроениюуглеродноговолокна,позволившаяпредложитьтехнологиюактивирования его поверхности и управления адгезионными свойствами парыволокно-матрица. На основе этой концепции предложен метод измеренияхимическойактивностиУВ,которыйсводитсякразделениюПМЦ,локализованных на поверхности и в объеме филамента, и расчету их количеств.3.Предложен комплекс современных методов и методология оценкисостояния поверхности и дефектности углеродных волокнистых наполнителей,количества ПМЦ и адгезионного взаимодействия на границе раздела фаз.Практическая значимость:1.Впервые предложены количественные критерии для определениядефектности,качестваиотбораУВдлясозданиявысокопрочныхармированных пластиков.2.Разработаны и оптимизированы режимы термоокислительнойобработки УВ с целью регулирования состояния поверхности, содержанияПМЦ, повышения адгезионного взаимодействия на границе раздела фаз ипрочности углепластиков.3.Установлены корреляционные зависимости между параметрамиповерхности УВ (шероховатость, содержание аморфной фазы, количестваПМЦ), адгезионными и прочностными характеристиками углепластиков.Результатыположенывтеоретическихосновуиэкспериментальныхконструкторско-технологическихисследованийразработокприпроектировании изогридных опор линий электропередач (Группа компаний«Машспецстрой»), комплекта углепластиковой арматуры (ООО «НИАГАРА»),углепластиковыхламелей,предназначенныхжелезобетонныхконструкций(ОООдлявнешнего«Нанотехнологическийусиленияцентр10композитов»), воздушной мишени «Дань-М» (ОАО НПО «ОКБ им.

М.П.Симонова»), арочных элементов из углепластика (НИИГрафит). Результатыработы использованы в НИР и ОКР в Межотраслевом инжиниринговом центре«Новые материалы, композиты и нанотехнологии» МГТУ им. Н.Э. Баумана.МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯМетодологияработыохватываеткомплексныеисследованияповерхности высокопрочных углеродных волокон, кинетики отвержденияэпоксидныхсвязующих,структурообразованиематрицвлияниявповерхностиокрестностиволоконповерхностиконтактанаснаполнителем и адгезионных взаимодействий пары волокно – матрица.Кинетика отверждения связующих исследовалась на динамическоммеханическом анализаторе и дифференциальном сканирующем калориметре.Структурный анализ поверхностей разрушения отвержденного связующегопроводился на электронном микроскопе Fenom.

Для изучения структуры насубмикроуровне применялся сканирующий электронный микроскоп JSM-35CF.Шероховатость поверхности УВ определялась с помощью ЗондовойНано - Лаборатории ИНТЕГРА Спектра. Для оценки соотношения долейаморфной и кристаллитной фаз поверхности УВ был использован методспектроскопии комбинационного рассеяния света. Исследования метода ЭПРпроводили на спектрометрах РЭ-1301 и Вариан. Механические испытаниямоноволокон на растяжение проводились на машине Инстрон.ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.1.Математическая модель волокнистого композита, учитывающаяадгезионное взаимодействие волокна и матрицы.112.Комплекс современных методов оценки состояния поверхности УВи адгезионного взаимодействия на границе раздела фаз.3.Режимы термоокислительной обработки УВ с целью регулированияадгезионного взаимодействия на границе раздела фаз.4.

Зависимости между параметрами поверхности УВ (шероховатость,содержаниеаморфнойфазы,количестваПМЦ)ипрочностнымихарактеристиками углепластиков.СТЕПЕНЬ ДОСТОВЕРНОСТИ ИАПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВДостоверностьнаучныхположенийивыводов,приведенныхвдиссертационной работе, базируется на применении современных физикохимических методов исследования термореактивных связующих, УВ иуглепластиков на их основе, таких как Раман-спектроскопия, электронныйпарамагнитныйрезонанс,сканирующаяэлектроннаямикроскопия,дифференциальная сканирующая калориметрия, зондовая нано-лаборатория идр.Эффективность разработанных рекомендаций подтверждена актами изаключениями о внедрении результатов диссертационной работы.Диссертационная работа выполнена в рамках работ по Соглашению опредоставлениисубсидии№14.577.21.0095от25августа2014г.cМинистерством образования и науки Российской Федерации по теме:«Разработка технологии получения нового поколения композиционныхматериалов с повышенной термостойкостью, повышенной стойкостью ккоротковолновому, в том числе рентгеновскому излучению».

Уникальныйидентификаторприкладныхнаучныхисследований(проекта) RFMEFI57714X0095.Основные положение диссертации докладывались на международных ивсероссийских научных конференциях и семинарах:12- Всероссийской конференции «Интеллектуальные материалы, композиты инанотехнологии» в рамках выставки «Композит-Экспо-2013», г. Москва;- Московском ежемесячном семинаре молодых ученых и студентов попроблемам машиноведения им. Ю.Н. Работнова, 15 мая, 2013;-XXIмеждународнойнаучно-практическойконференции«Информационные технологии: наука, техника, технология, образование,здоровье» 29-31 мая, 2013;- 3-й международной конференции «Композиты СНГ», 4-6 сентября 2013, г.Севастополь;- Научной конференции«Современные достижения в области клеев игерметиков.

Материалы, сырье, технологии», г. Дзержинск, Нижегородскойобл., 17-19 сентября, 2013;- XX Международной научно-технической конференций “Конструкции итехнологии получения изделий из неметаллических материалов, г. Обнинск,Калужской обл., 1-3 октября, 2013;- Московском международном инженерном форуме, 22 ноября 2013;- 7-й Международной выставке «Композит – Экспо», 25 февраля 2014.ПУБЛИКАЦИИПо теме диссертации опубликовано 13 научных работ, из них 4 визданиях, входящих в перечень ВАК для кандидатских диссертаций.СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫДиссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы из137 наименований и приложения. Текст изложен на 151 странице, включает 41рисунок и 16 таблиц.13ГЛАВА 1.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР1.1.Адгезия и гипотезы адгезионного взаимодействияСуществует множество различных определений понятия «адгезия». Дляудобства их классификации в работах С.А. Ненахова [1, 2] предлагаетсяразделять эти понятия на три группы, в которых адгезия рассматривается какпроцесс, свойство и состояние [3-20].«Адгезия – это возникновение связи между поверхностными слоями двухразнородных(твердыхилижидких)тел(фаз),приведенныхвсоприкосновение» [3].

В работе В.Л. Вакулы и Л.М. Притыкина [4] адгезиярассматривается как «явление, заключающееся в возникновении физического и(или) химического контакта между конденсированными фазами при ихмолекулярном контакте, приводящее к образованию новой гетерогеннойсистемы».Авторы работ [6, 11] рассматривали адгезию как свойство. Выдающиесяотечественные ученые А.А. Берлин и В.Е. Басин под адгезией понимали«молекулярнуюсвязьмеждуповерхностямиприведенныхвконтактразнородных тел», а А.Д. Зимон [13]: «Под адгезией понимают взаимодействиежидкой и твердой фаз на границе раздела этих фаз», что соответствовало точкизрения другого выдающегося отечественного ученого С.С. Воюцкого «Адгезия(прилипание) – это связь между приведенными в контакт разнороднымиповерхностями» [8].При определении понятия адгезия существует и такая точка зрения, прикоторой она рассматривается как состояние.

В работе [19] адгезия – это «такоесостояние двух разнородных тел, при котором они удерживаются вместе в14тесном межфазном контакте таким образом, чтобы механическая сила (илиработа) передавалась через границу раздела».Все три подхода к определению адгезии правомочны и разница междуними состоит в том, что в первом случае упор делается на процессвозникновения связи, во втором – непосредственно на наличие этой связи, втретьем случае упор делается только на наличие этой связи, т.е.

игнорируетсясам процесс ее возникновения [2].Такимобразом,общейтеорииадгезиинет,аестьнесколькообщепризнанных гипотез, объясняющих тот или иной вид адгезионноговзаимодействия,которыеизвестныподназваниямимеханическая,диффузионная, адсорбционная и электронная теории.Механическая теория адгезии разработана Мак-Беном [2]. Согласно этойтеории простое затекание жидкого связующего в микронеровности твердоготела приводит к увеличению адгезионной прочности. Однако, многие ученые[4, 6, 7] не относят механическую теорию адгезии к теориям адгезионноговзаимодействия, несмотря на то, что вклад простого механического зацепленияв результирующую прочность может быть очень большим.Автор диффузионной теории адгезии С.С. Воюцкий [8] считает, чтоадгезия сводится к диффузии макромолекул или их отдельных участков изодной фазы в другую.