Диссертация: Получение и применение новых многоуровневых термопластичных композиционных материалов с углеродными наночастицами.

Актуальность работы Полимерные композиционные материалы (ПКМ) на основе углеродных волокон, обладая уникальным сочетанием высокой прочности, упругости и низкой плотностью, находят все большее применение во многих критических отраслях промышленности, в особенности, в авиастроении и ракетно-космической промышленности. Однако развитие этих отраслей промышленности требует разработки новых ПКМ, которые, помимо статической прочности, должны обладать комплексом свойств, включая: остаточную прочность после ударных и циклических (в том числе знакопеременных) нагрузок, устойчивость к различным видам излучения (гамма-радиация, ультрафиолет и т.п.), коррозионную стойкость, широкий интервал эксплуатационных температур (включая криогенные), низкий коэффициент трения и высокую износостойкость. Помимо эксплуатационных характеристик материала, показателем эффективности его применения является себестоимость и стоимость полного производственного цикла изготовления изделий. Наиболее перспективными материалами, которые могут удовлетворять всем предъявляемым требованиям, являются термопластичные полимерные композиционные материалы (ТПКМ) на основе углеродных волокон. Принципиальным отличием ТПКМ от традиционно применяемых ПКМ является использование в качестве материалов матрицы, конструкционных и суперконструкционных термопластичных полимеров, таких как: полиамид, полиэфиримид, полифениленсульфид, полиэфирэфиркетон и т.д. В отличие от традиционно применяемых термореактивных полимеров (эпоксидная, полиэфирная смола), термопластичные полимеры значительно повышают устойчивость ПКМ к ударным нагрузкам и расширяют диапазон эксплуатационных температур, в особенности в области отрицательных и криогенных. Также широкая номенклатура термопластичных полимеров позволяет подбирать материал с лучшим соотношением стоимость-свойства под конкретные условия эксплуатации. Помимо уникальных эксплуатационных свойств, ТПКМ позволяют перейти к принципиально новым производственным процессам на основе аддитивных безавтоклавных технологий, включая роботизированную выкладку ленты с нагревом лазерным излучением, 3D печать сетчатых конструкций и горячую штамповку. Использование таких технологий приводит к снижению продолжительности производственного цикла изготовления изделия за счет значительного сокращения времени производства и снижения трудоемкости. В последние годы появились работы, посвященные разработке многоуровневых полимерных композиционных материалов, в которых, помимо микронаполнителя (резанных или непрерывных волокон), дополнительно вводятся различные наночастицы. Наибольшее распространение получили углеродные наночастицы: углеродные нанотрубки (УНТ), оксид графена и восстановленный оксид графена (ВОГ), наночастицы оксида кремния (аэросил). Показано, что такие добавки существенно увеличивают прочность, жесткость, вязкость разрушения, в основном за счет улучшения адгезии между волокном и полимерной матрицей. Таким образом, многоуровневые композиционные материалы, полученные путем введения углеродных наноструктур в полимерную матрицу, фактически являются новым классом ПКМ, обладающим повышенными механическими и упругими свойствами. Однако, механизмы влияния наночастиц на адгезионное взаимодействие все еще остаются мало изученными, а также они склонны к агломерации, что делает их равномерное распределение в полимерной матрице сложной технологической операцией от которой значительно зависят свойства конечного материала В связи с этим, актуальным является разработка технологии получения многоуровневых термопластичных композиционных материалов с добавками наночастиц, исследование влияния технологических параметров получения и введения наночастиц на его прочностные и трибологические свойства, а также оценка эффективности применения разработанных материалов для различных применений.
Цель работы: Теоретический и экспериментальный анализ влияния технологических параметров получения многоуровневых термопластичных композиционных материалов с углеродными наночастицами на их эксплуатационные свойства и оценка эффективности их применения в различных отраслях техники.
Для достижения поставленной цели решали следующие задачи: 1. Разработать технологию получения препрега и провести анализ влияния основных технологических параметров процесса на свойства двух- и многоуровневых термопластичных композиционных материалов. 2. Изучить влияние γ- радиации и криогенных температур на механические свойства и газопроницаемость ТПКМ. 3. Изучить механизмы влияния углеродных наночастиц на механические свойства термопластичных композиционных материалов. 4. Изучить влияние углеродных наночастиц на трибологические свойства ТПКМ в условиях различных типов фрикционных контактов. 5. Разработать конечно-элементную модель материала, учитывающую его дефекты и механизм разрушения.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем: 1. Установлено, что фуллереновая сажа, не образуя химической связи с полимером, приводит к резкому снижению его предела вынужденной эластичности и удлинения до разрушения. При этом введение наночастиц в состав ТПКМ приводит к увеличению предела прочности и модуля упругости композита за счет повышения адгезионного взаимодействия между углеродным волокном и полимером. 2. Установлена зависимость трибологических свойств полиэфирэфиркетона от его молекулярной массы. Разработана феноменологическая модель, основанная на двухчленном законе трения, учитывающем истинный коэффициент трения и межмолекулярную (адгезионную) составляющую силы трения, описывающая зависимость силы трения от скорости скольжения и молекулярной массы полимера. 3. Установлено, что введение наночастиц в ТПКМ приводит к увеличению силы трения за счет повышения коэффициента трения и адгезионной составляющей силы трения. Показано, что адгезионная составляющая силы трения линейно возрастает от концентрации наночастиц и не зависит от направления трения относительно ориентации волокон. 4. На основе теоретического и экспериментального исследования процесса спекания полимерных порошков на поверхности углеродных волокон определены кинетические параметры процесса спекания, в зависимости от размера частиц и молекулярной массы полимера при формировании структуры однонаправленных препрегов, получаемых пропиткой из суспензии.
Практическая значимость работы: 1. Разработана технология получения многоуровневых термопластичных композиционных материалов на основе углеродных волокон, обладающих повышенными физико-механическими характеристиками. Получен патент на метод распределения наночастиц в полимерном композиционном материале. Разработаны и утверждены технические условия ТУ 23.99.14-001-02068574-2021 на однонаправленные ленточные препреги. 2. Предложены математические модели ключевых стадий технологического процесса получения однонаправленных термопластичных лент, применение которых позволят значительно уcкорить выбор технологических режимов для получения композитов с любым типом полимерной термопластичной матрицы. 3. Разработана математическая модель, описывающая зависимость коэффициента трения полиэфирэфиркетона от молекулярной массы, позволяющая проводить выбор конкретной марки полимера для заданных условий трибологического контакта.
Основные положения, выносимые на защиту: 1.Технология получения многоуровневых термопластичных композиционных материалов на основе углеродных волокон. 2. Закономерности влияния углеродных наночастиц на прочностные свойства полимера и многоуровневых термопластичных композиционных материалов. 3. Математическая модель зависимости силы трения в паре полиэфирэфиркетон-сталь от молекулярной массы полимера и условий фрикционного контакта.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждались на следующих конференциях: Baltmattrib 2016, 25th International Baltic Conference of Engineering Materials&Tribology (Рига, Латвия, 2016 г.), Десятый Всероссийский форум студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах» (Санкт-Петербург, 2016 г.), Научная конференция с международным участием «Неделя науки СПбПУ» (Санкт-Петербург, 2018 г.), Международная научная конференция «Современные материалы и передовые производственные технологии (СМППТ-2019)» (Санкт-Петербург, 2019 г.), Научная конференция с международным участием «Неделя науки СПбПУ» (Санкт-Петербург, 2020 г.), ХVII Международная научнопрактическая конференция «Новые полимерные композиционные материалы» (Нальчик, 2021 г.).
Публикации. Самостоятельно и в соавторстве по теме диссертации опубликовано 5 работ в журналах, входящих международную базу цитирования «Scopus».
Личный вклад автора состоит в составлении плана экспериментов по разработке технологии получения термопластичных композиционных материалов и его практическом выполнении, исследовании влияния технологических параметров процесса и внешних воздействующих факторов на свойства материала, изучении прочностных и трибологических свойств композита, анализе и изложении полученных результатов исследования.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов и списка литературы, содержит 169 машинописных листов, включая 100 рисунков, 10 таблиц, 135 наименований библиографических ссылок