Высокопрочные углепластики на эпоксидной матрице с регулируемым адгезионным взаимодействием (1025105), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Однако некоторые ученые полагают, что диффузионнаятеория также не может быть отнесена к теориям адгезии, поскольку отсутствуетравновесная межфазная граница [1, 2].По Б.В. Дерягину, автору электронной (электрической) теории адгезии[18, 19]: если полимер и поверхность наполнителя обладают разной структуройэлектронных зон, то при их контакте происходит перенос заряда, что приводитк образованию на межфазной границе двойного электрического слоя, в которомодна обкладка принадлежит клею - донору с положительным зарядом, которыйотдает электроны, вторая – субстрату, обладающему отрицательным зарядом.15Отдача электронов не происходит добровольно, а вызвана энергетическойнеоднородностью контактирующих поверхностей.Наибольшее признание получила адсорбционная теория адгезии. Ранееона называлась молекулярной, а потом молекулярно - адсорбционной [2, 13, 19,20].
В соответствии с этой теорией между молекулами адгезива и субстратавозникают химические, водородные, адсорбционные и Ван-дер-Ваальсовыесилы. В соответствии с этой теорией, в адгезионном взаимодействии участвуютне изолированные атомы или молекулы, а конденсированные фазы.Следует подчеркнуть, что по аналогии с упругими взаимодействиями икогезионным механизмом разрушения теории адгезионных взаимодействий нерассматривают оба этих аспекта в полной мере, делая основной акцент наопределение предела адгезионной прочности и оставляя в тени рассмотрениеупругойреакцииадгезионныхсвязейприобратимыхнагрузках,непревышающих предел адгезионной прочности.
Показано [21], что пределадгезионной прочности зависит от природы взаимодействия, температурновременныхусловийхарактеристикформированияматрицыикомпозиций,остаточныхфизико-механическихнапряжений,действующихнаповерхности раздела фаз.1.2.Методы экспериментального исследования характеристикадгезионного взаимодействия между связующим и волокномВ настоящее время, несмотря на большое количество публикаций,касающихся проблемы увеличения адгезионной прочности между волокном исвязующим [21-28], существует недостаточное количество экспериментальныхметодов оценки ее величины.Одним из наиболее распространенных методов является метод “pull-out”[24-28], который относится к прямым методам измерения адгезионной16прочности [29]. Образцы, предназначенные для испытаний этим методом,представляют собой моноволокна, на которые наносится тонкий слойсвязующего.
Моноволокна помещают в специальные кассеты с чашечками сосвязующим. Площадь адгезионного контакта регулируется количествомсвязующего, наливаемого в эти чашечки. Обычно толщина его слоя непревышает0,1-0,3мм.Послеотвержденияобразцыиспытываютнаадгезиометре, определяя величину силы, необходимой для выдергиванияволокна из слоя отвержденного связующего. Для каждого образца определяюттолщину слоя связующего, по которой вычисляют площадь склеивания и, знаявеличину разрушающей нагрузки, рассчитывают сдвиговые напряжения.Такие испытания чаще всего проводят при статических нагрузках, однакоуказанные образцы можно испытывать при различной скорости нагружения, втом числе при динамических нагрузках.
Определяемое этим методом сдвиговоезначениеадгезионнойпрочностиявляетсяколичественноймеройсилсцепления связующего с волокном. Таким образом, величина адгезииоценивается по значению сдвиговых напряжений, требуемых для разделениякомпонентов [24]. Одним из основных недостатков данного метода являетсясложность, значительная трудоемкость, а в ряде случаев невозможностьиспользовать углеродные или стеклянные волокна, поскольку в процессепроведения испытаний образцы разрушаются не в месте адгезионного контакта,а по волокну.
По этой причине при испытаниях методом “pull-out” чаще всегоиспользуются не волокна, а стальную проволоку диаметром 150 мкм. Но в этомслучае определяется величина адгезионного взаимодействия к материалупроволоки.Другимраспространеннымметодоминженерногоопределенияадгезионной прочности в полимерных композитах является испытание намежслойный сдвиг методом «короткой балки».
Метод испытания в статическихусловиях стандартизован в РД 50-675-88 и ASTMD 2344. Для этого образцыкомпозита с однонаправленным расположением волокон и поперечным17сечением 6×6 мм испытывают на изгиб на базе 30 – 40 мм, т.е. при отношениибазы к толщине образца 5÷7, гарантирующим разрушение материала поддействиемсдвиговыхстатистическаянапряжений.достоверностьПреимуществомрезультатовиметодапростотаявляетсяприменяемогоиспытательного оборудования.Метод выталкивания диска из материала вдоль волокна относится кгруппе косвенных методов определения адгезионной прочности на поверхностираздела [30].Другим косвенным методом определения величины адгезионноговзаимодействия является метод растяжения матрицы, в которой находитсяединичное волокно [31, 32]. Такой метод испытаний может быть использовандля ПКМ, у которых предельная деформация матрицы выше разрушающейдеформации волокна.
В качестве критерия адгезионного взаимодействиявыступает средняя длина образующихся участков поврежденного волокна. Этотметод не получил большого распространения по той причине, что все наиболеераспространенные типы связующих (эпоксидные, фенольные и эпоксифенольные) являются в отвержденном состоянии достаточно жесткимиматериалами,имеющимиотносительномалыевеличиныпредельныхдеформаций.Ещеоднимкосвеннымметодом,характеризующимадгезионнуюпрочность в композите, является метод определения локальной адгезионнойпрочности [32].Однако в инженерной практике большое распространение получилиметоды оценки прочности при межслоевом сдвиге и при растяжении образцакомпозита в поперечном направлении, которые также позволяют оценитьвеличину адгезионной прочности на поверхности раздела волокно-матрица [33].Такимограниченныйповерхностиобразом,наборразделапроведенныйметодованализопределенияволокно-матрицаипоказал,чтоадгезионнойдляеесуществуетпрочностиинженернойнаоценки18целесообразно использовать такой метод, как оценка прочности примежслоевом сдвиге.1.3.Методы регулирования характеристик адгезионного взаимодействияэпоксидная матрица - углеродное волокноХарактеристики адгезионного взаимодействия зависят от свойстввзаимодействующейпарыматериалов[21].Авторыработы[33,34]рассматривают межфазную границу волокно-матрица, как многослойную,состоящую из граничного (разрыхленного) слоя матрицы и граничного(приповерхностного) слоя волокна, образующих собственно межфазный слой.Учитываябольшоеконструкционныхраспространениематериаловвуглепластиковавиастроенииивкачестверакетно-космическомпроизводстве, пристальное внимание исследователей направлено на изучениеособенностей строения армирующих волокон и структуры межфазной границыволокно-матрица.Структуру углеродных волокон (рис.
1.1 [35]) многие исследователирассматривают как микрокомпозитную [35-38], состоящую из непрерывнойаморфной среды, «армированной» фибриллами. Непрерывная среда выполняетрольмикроматрицы,передающейнагрузкунафибриллы.Посвоимтермомеханическим свойствам она приближается к коксу, температураразмягчения которого зависит от максимальной температуры термическойобработки УВ [39].Толщина фибрилл колеблется в пределах 0,1÷0,4 мкм [39-42].
Фибриллысостоят из микрофибрилл, которые в свою очередь собраны из пакетовграфитоподобных складчатых лент – основного минимального элементананоструктуры волокна. Во многих волокнах каждый надструктурный элементобразованлевостороннейскруткойсоответствующегоподструктурного19элемента [38-40]. Характерной особенностью УВ является наличие оболочки,образованной одним-двумя слоями периферических фибрилл и наследованныхот исходного ПАН прекурсора.Рисунок 1.1 -Микроструктура углеродного волокна марки AS4 [35]Металлические волокна и металлические поверхности принято оцениватьпо показателям шероховатости [23, 43], от которых зависит растекание жидкогоматериала (связующего) по твердой поверхности (волокна).
Чем вышешероховатость металлической подложки, тем лучше смачивается она жидкимисплавами, подчиняясь закону диффузии Фика [15]. Для поверхности УВхарактерен неровный микрорельеф с многочисленными порами диаметром до 2нм и складками [41, 42]. При этом в местах дефектов прочность волокнасущественно падает (с 3500 до 500 МПа) [43-48].
В этой связи представляетсянеобходимым изучить адгезионное взаимодействие связующего олигомерногосостава с шероховатой и пористой поверхностью УВ.Микрокомпозитная структура УВ обусловливает двухфазный состав [49,50] его поверхности: химически активную часть определяют участкиаморфного (матричного) углерода и торцы графитовых кристаллитов снескомпенсированнойвалентностьюкраевыхатомов,инертную-нанофрагменты графитовых (графеновых) плоскостей фибрилл. Участкиаморфного углерода, как и торцы графитовых кристаллитов, обладают высокойповерхностной энергией, легко окисляются и полностью смачиваютсяолигомерными связующими. В отличие от них графеновые фрагменты имеют20низкую поверхностную энергию и смачиваться олигомерным связующими недолжны.РАМАН спектроскопия является одним из современных методовизучения фазового состава углеродных материалов [51-52].
Возможно, егоприменение позволило бы получить количественную оценку величиныадгезионного взаимодействия на поверхности раздела углеродное волокно полимерная матрица. Однако в литературе имеется очень ограниченноеколичество публикаций, посвященных исследованию свойств поверхности УВэтим методом и поэтому целесообразно продолжить экспериментальныеисследования в этом направлении.Одним из методов повышения химической активности и уменьшениядефектности УВ является их окисление [46], при котором с поверхностиволокон частично удаляется дефектный углерод, микрорельеф становится болеегладким, а поры и микротрещины исчезают.
Существуют различные способыокисления УВ:- воздухом или озоном при 500÷600С, что позволяет в 2 раза увеличитьпрочность углепластика при сдвиге;- азотной кислотой, увеличивающей прочность углепластика при сдвиге в2 ÷ 3 раза, но несколько снижающей его прочность при растяжении;- щелочью (NaOH), также увеличивающей прочность углепластика присдвиге, но заметно снижающей прочность при растяжении.Таким образом, увеличение степени окисления волокон способствуетповышению прочности ПКМ при сдвиге, но, как правило, понижает прочностьпри растяжении, ударных нагрузках, воздействии воды.Одним из способов количественной оценки эффективности окисления УВявляется метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) [53, 54].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
