Высокопрочные углепластики на эпоксидной матрице с регулируемым адгезионным взаимодействием, страница 5

Специфика этих соотношений состоит в том, чторазмерность соответствующих модулей отличается от размерности модулейклассического закона Гука на размерность длины. Эти модули, с точки зренияклассическоймеханикисплошнойсреды,являютсянеклассическимихарактеристиками [103-111].Построение математических моделей адгезии осуществляется с помощьюразличных подходов, таких как термодинамическая теория поверхности, теорияупругости с учётом поверхностных взаимодействий, градиентная теорияупругости, контактная теория упругости, трибология, физика и химияповерхности и др. [102, 105-108, 112-114].Первые работы по исследованию поверхностных явлений посвященыпонятию поверхностного натяжения для жидких сред и его определению [99101]. Классическими являются работы Юнга, Лапласа, Пуассона и др.

Понятие27поверхностной энергии впервые было введено Гауссом. Классическаятермодинамика поверхности была сформулирована Гиббсом [111].В рамках известных подходов механики сплошной среды [100]постулируется, что поверхность тела обладает собственной потенциальнойэнергией.Разностьповерхностныхпотенциальныхэнергийдвухконтактирующих тел определяет их адгезионное взаимодействие. Поэтомуклассификацию теорий адгезии можно осуществить, опираясь на уравнениеповерхностной плотности потенциальной энергии, присущей изолированномутелу.

Общее выражение для поверхностной плотности потенциальной энергииUF имеет вид [115, 116]:2U F  Aij uiu j  Aijmnui , j um,n  Aijkmnlui , jk um,nl(1.2)где: ui , ui , j , ui , jk − вектор перемещений, его первые и вторые производныесоответственно,Aij , Aijmn , Aijkmnl − трансверсально изотропные в отношениинормали к поверхности тензоры адгезионных модулей соответствующегоранга; индексы i, j, m, n, k,l– обозначают номера пространственныхкомпонентов.Первоеслагаемоевуравнении(1.2)определяетвкладгруппы«пружинных» моделей адгезии.

Это название появилось благодаря спецификесоответствующих адгезионных сил ai . В «пружинной» теории адгезииадгезионные силы пропорциональны перемещениям, что позволяет сравниватьих с винклеровскими основаниями классической теории упругости. К«пружинной»моделиадгезииможносвестиподход,основанныйнасопоставлении адгезионных характеристик с характеристиками межфазногослоя конечной (неопределенной) толщины. Алгоритм сведения общеговыражения к пружинной модели состоит в подборе толщины «фиктивногомежфазного»слояизусловияэквивалентностидеформацииповерхности контакта и «фиктивного межфазного» слоя [116-120].реальной28Второе слагаемое в уравнении (1.2) определяет вклад группы факторов«упругости поверхности». В работах [118, 119] использовалась частная модельс тензором адгезионных модулей четвертого ранга.Третье слагаемое в (1.2) определяет вклад группы факторов «градиентныхтеорий адгезии». Подобная частная модель представляет интерес в механикеультрадисперсных композитов, механике трещин и наномеханике [108, 115].Такимобразом,существующиематематическиемоделиадгезиипозволяют в общем виде оценить стойкость композита к расслаиванию, однако,инженерные методики учета адгезионных взаимодействий в настоящее времяотсутствуют.1.6.СозданиеКраткие выводы по 1 главеперспективныхизделийсовременнойтехникитребуетразработки углепластиков, обладающих повышенной прочностью и высокойнадежностью.

Новые решения этой задачи невозможны без совершенствованиятеоретических основ и экспериментальных методов оценки адгезионныхвзаимодействий на границе полимерная матрица – волокнистый наполнитель.Анализ современного понимания проблемы адгезионной прочностимежфазного слоя углеродное волокно - эпоксидная матрица выявил следующее:1. Отличительной особенностью углепластиков является многоуровневаяструктуракаксамоговолокна,такиегооболочки.Этаоболочканепосредственно контактирует со связующим, а от параметров процессовсмачивания, растекания и кинетики отверждения зависят практически всесвойствам ПКМ.

В литературе нет систематических данных о микрорельефеповерхности УВ и требуется проведение комплекса исследований, которыепозволили бы определить характеристики ее шероховатости. ТермообработкаУВ позволяет улучшить некоторые из его свойств, в том числе и адгезионные,29однако в литературе нет данных о методиках количественной оценкиадгезионной прочности связи окисленного высокопрочного УВ с эпоксиднойматрицей.2. Эпоксидные связующие, получившие наибольшее применение припроизводстве изделий из углепластиков, являются многокомпонентными ипредставляют собой коллоидные системы. В процессе армирования ихструктура еще более усложняется и свойства получаемых материалов зависятот свойств используемых наполнителей, схем армирования, технологииформования и т.д.

Эти факторы также влияют на свойства межфазного слоя ивеличину адгезионной прочности волокно-матрица. Однако в литературеотсутствуют данные по методам регулирования адгезионной прочности наповерхности раздела.3. Вопросами адгезии занимались очень многие ученые, как в нашейстране, так и за рубежом. Начиная с шестидесятых годов прошлого века и понастоящеевремя, разработаныадгезионнойпрочности.методикиИзученыколичественногоособенностиопределениямикроструктурУВиразработаны методы их окисления. Известен метод парамагнитного резонанса,с помощью которого можно количественно оценить адгезионные связи междуволокномиматрицей.Сшестидесятыхгодовпонастоящеевремяразрабатываются и непрерывно совершенствуются расчетные методики.Однако общим недостатком всех предлагаемых моделей является большойсписок адгезионных параметров, которые невозможно экспериментально точноопределить.

Существующие математические модели при оценке прочностиПКМ при различных видах нагружения не позволяют учитывать степеньадгезионного взаимодействия.Таким образом, актуальность представленной работы обусловленанеобходимостью поиска определяющих факторов и зависимостей, которыемогут стать основой простых и эффективных способов управления адгезией вуглепластиках на эпоксидной матрице.30ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ2.1. Выбор объектов исследованияВ качестве объектов исследования были выбраны высокопрочные УВ –наполнители углепластиков и эпоксидные связующиеотечественного изарубежного производства.

В части волокнистых наполнителей предпочтениебыло отдано широко распространенным среднепрочным волокнам, имеющимнаиболее стабильные характеристики: ВМН-4, УКН-2500, УОЛ-300, ЛУП-0,1,ЭЛУР-0,1П отечественного производства и выпускаемым за рубежом волокнаммарок Т-300, АS-4, Т-700, HTS-45, Тенакс, SAATI в исходном состоянии ипосле окисления горячим воздухом по различным режимам (таблица 2.1).Таблица 2.1Характеристика использованных УВМарка углеродныхволоконТекстильнаяформаПлотность,кг/м31800Модульупругости,ГПа235±21Прочность прирастяжении,МПа4500±800Т-700Лента, тканьHTS - 45Жгут, ткань1770235±284000±750T-300Жгут, ткань1760230±163730±710Жгут1750260±232500±525Жгут, ткань1870235±264350±800ЛУП-0,1(окисл.)Лента1800260±312500±370Элур-0,1П (окисл.)Лента1700220±482400±450Тканая лента (уток:арамидое/стеклянноеволокно)1750250±262200±400ВМН - 4АS-4УОЛ-300Из массы существующихэпоксидныхсвязующих отечественногопроизводства выбрали наиболее распространенные и предназначенные дляизготовления конструкционных углепластиков: ЭНФБ, ВСТ-1210, ЭДТ-10,разработанные ВИАМ.

К преимуществам этих связующих следует отнести31значительнуюкогезионнуюудовлетворительнуюпрочностьадгезиюквотвержденномуглероднымсостояниинаполнителям,ивысокуюжизнеспособность полуфабрикатов на их основе. Например, реальнаяпродолжительность безопасного хранения препрегов на основе связующегоЭНФБ превышает один год. Из зарубежных связующих выбрали широкораспространенные RTM-6 и М-21, предназначенные для RTM–технологии,вакуум-инфузионнойидругихсовременныхметодовизготовленияконструкционных углепластиков.2.2. Методики исследованияКинетикудинамическомотверждениявыбранныхмеханическоманализаторесвязующих(ДМА)иисследовалинадифференциальномсканирующем калориметре (ДСК) фирмы ТА Instruments (США), определяявремя гелеобразования, температуру минимальной вязкости, температурустеклованияотвержденногосвязующего(матрицы)итемпературуеестеклования в углепластике.

При определении, например, времениРисунок 2.1 - Определение времени гелеобразования методом ДМА на примересвязующего RTM-6гелеобразования на анализаторе ДМА образец нагревали до требуемойтемпературы, непрерывно фиксируя температуру и величину динамического32модуля упругости. Время гелеобразования отмечали на временной шкале поточке резкого увеличения модуля (рис. 2.1).

На этом приборе таким жеспособом получали температурную зависимость динамической вязкости,фиксируя на графике ее минимальное значение.Структурный анализ поверхностей разрушения отвержденного связующего(матрицы) для выявления общей картины проводили на электронноммикроскопе Fenom. Для изучения тонкой структуры применяли сканирующийэлектронный микроскоп JSM-35CF (JEOL), работающий в режиме вторичныхэлектронов.

По методике, разработанной ВИАМ [31, 33], для получениячеткого рисунка исследуемой поверхности образец подвергался ионноплазменному травлению в среде кислорода на специальной установке JFC-1100FINE COAT (JEOL) при напряжении 500 В и переменном токе 5 мА в течениинескольких минут. Затем на поверхность образца на этой же установкенапылялся слой золота толщиной 10-20 нм. Подготовленные таким образомобразцы изучались в растровом микроскопе типа JSM-35C (JEOL) в режимевторичных электронов.

Количественную обработку полученных структурпроводили с применением программного обеспечения анализа изображенийImageScopeColor (разработчик ООО «Системы для микроскопии и анализа») –(рисунок2.2).Данноепрограммноеобеспечениеоблегчаетанализмикроструктуры, гарантируя его объективность.Рисунок 2.2 - Фрагмент интерфейса программы ImageScopeColor, используемый приобработке микрофотографий отвержденного связующего33Предназначенные для определения шероховатости, фазового составаповерхности и концентрации ПМЦ волокна не должны содержать аппрет и/илизамасливатель.

Поэтому зарубежные волокна и отечественную ленту УОЛ-300(ленты ЛУП-0,1 и Элур-0,1Паппрет не содержат)подвергали операцииудаления этого компонента обработкой в четыреххлористом углеродеспоследующей сушкой в вакуумном шкафу при 1500С до постоянного веса.Шероховатость поверхности УВ определяли с помощью Зондовой Нано Лаборатории ИНТЕГРА Спектра (конфигурация Upright со спектрометромSolar TII), которая представляет собой отечественный универсальный прибор,позволяющий проводить комплексные исследования поверхности объектов снанометровым разрешением при работе в воздушной среде. В состав комплексавходит атомно-силовой микроскоп с нано-индентером и программноеобеспечение, позволяющее в автоматическом режиме получать профилограммыи 3D изображения профилей поверхностей. Отличительной особенностьюиспользуемого оборудование является не только визуализация исследуемойповерхности, но и обработка полученных результатов, которая позволяетполучать ряд стандартизованных и нестандартизованных характеристик.