Диссертация (1090444), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Так, при температуреотверждения равной 30 оС остаточные напряжения снижаются с 12,5 до 1МПа (БС-50), с 12,5 до 3 МПа (Астрален «В»), с 12,5 до 2 МПа (МУНТ), при50 оС - с 21 до 6,2 МПа (БС-50), с 21 до 8 МПа (Астрален «В»), с 21 до 6 МПа(МУНТ) и при 70 оС - с 39 до 10 МПа (БС-50), с 39 до 15 МПа (Астрален«В»), с 39 до 17 МПа (МУНТ).При введении 0,5 об.% наночастиц марки БС-50 в эпоксидиановыйолигомер марки ЭД-20 в происходит значительное снижение остаточныхнапряжений с 10,5 МПа до 0,55 МПа при 30 оС, с 19 МПа до 5 МПа при 50оС. При повышении температуры отверждения ЭД-20 (с введением БС-50)до 70 оС, снижение остаточных напряжений наблюдается при концентрациибелой сажи ~ 0,05 об.
%. При этом уровень остаточных напряженийснижается с 35 МПа до 7 МПа.Впервые определены зависимости остаточных напряжений приотвреждении нанодисперсий на основе ЭО марок DER-330 и ЭД-20 отдиаметра агломератов наночастиц (рисунки 3.30, 3.36, 3.42, 3.48). При 30 и9250 оС минимум остаточных напряжений достигается при введении ~ 0,5 об.%БС-50, 1 об.%Астраленов «В»,0,25 об.% МУНТ, размер агломератовнаночастиц МУНТ и БС-50 составляет ~ 370 нм, Астраленов «В» ~ 390 нм.При 70 оС размер агломератов наочастиц МУНТ составляет ~180 нм, БС-50~190 нм, Астраленов «В» ~ 280 нм и минимальные значения остаточныхнапряжений зафиксирован при введении ~ 0,5 об.% БС-50, 1 об.%Астраленов «В», 0,25 об.% МУНТ.
Таким образом, чем выше температураотерждения, тем меньше оптимальный размер агломератов наночастиц (исоответственноихконцентрация),необходимыйдляболееполнойрелаксации внутренних напряжений в нанодисперсиях при отверждении.На рисунках 3.32, 3.38, 3.44, 3.50 показано, что скорость нарастанияостаточныхнапряженийконцентрацияхипривведенииформированиинаночастицагломератоввоптимальныхразмерами140-295нмснижается: в 12 раз при введении белой сажи марки БС-50 в DER-330(0,5об.% при 30 оС) и в 14 раз при введении в ЭД-20 (0,5об.% при 30 оС), в 5раз в DER-330 и ЭД-20 (0,5об.% при 50 оС), в 15 раз в DER-330 (0,05об.% при70 оС) и в 20 раз в ЭД-20 (0,05об.% при 70 оС). При введении Астраленов «В»в DER-330 скорость нарастания остаточных напряжений снижается в 2,8 раз(1 об.% при 30 оС), в 3 раза (1об.% при 50 оС), в 9 раз (0,1 об.% при 70 оС). Всистемах DER-330 + МУНТ +ТЭТА скорость нарастания остаточныхнапряжений снижается в 2,5 раза при введении 0,25 об.% (30 оС), в 3 раза привведении 0,25 об.% (50 оС), в 5,5 раз при введении 0.025 об.% (70 оС).Такое поведение наносистем связано с одной стороны со снижениемвязкости при повышении температуры, а с другой, агломерацией наночастицв среде с переменной вязкостью с ростом их содержания.
В общем случаеформирование рыхлых межфазных слоев и агломерация наночастицопределяют как кинетику, так и уровень остаточных напряжений внаносистеме.Таким образом, введение наночастиц в эпоксидный олигомер маркиDER-330 приводит к снижению усадки на 15-30 %, а так же к снижению93остаточных напряжений при введении 0,05 - 0,5 об.
% наночастиц БС-50 в 3,5- 12 раз, при введении Астраленов «В» 0,1 - 1 об.% в 2,5 – 4 раза и привведении МУНТ 0,025 – 0,25 об.% в 2,5-6 раз.Результаты исследований влияния наночастиц различной природы накомплекс технологических свойств эпоксинанокомпозитов показали, что привведении нанонаполнителей в оптимальных дозировках и формированииагломератов размерами ~140-300нм удается:▪ Снизить вязкость системы ~на 20-30%:▪ Снизить усадку ~на 15-30%;▪ Снизить остаточные напряжения ~ в 4-12 раз;Однако при этом происходит сокращение времени безопаснойпереработки эпоксинанокомпозита ~ 1,5-3 раза, что необходимо учитыватьпри получении изделий на их основе.
Изменение технологическихпараметров связующего и эпоксиполимера связаны с изменением структурыДННК. Таким образом, варьируя концентрации наночастиц (и размер ихагломератов), можно регулировать свойства эпоксинанокомпозитов.Показано, что введение наночастиц углеродной и оксидной природыоказывает влияние на кинетику и уровень остаточных напряженийэпоксидных олигомеров при отверждении. Регулировать кинетику нарастанияостаточныхнапряженийвэпоксинанокомпозитахможноварьируяконцентрации нанонаполнителей (изменение параметров структуры иразмеров агломератов наночастиц) и температурно-временные условияпроцесса отверждения.
Установлено, что при введении БС-50, Астраленов«В» и МУНТ удается снизить уровень остаточных напряжений в 2,5-12 раз взависимости от диаметра агломератов, концентрации нанонаполнителей итемпературы отверждения эпоксинанокомпозитов.Предложены оптимальные составы высокотехнологичных эпоксидныхнанодисперсий и эпоксинанокомпозитов на основе ЭО марки DER-330 инаночастиц углеродной и оксидной природы (МУНТ-0,025 об.%, Астралены94«В»-0,1 об.%, БС-50-0,05 об.%, БС-100 -0,01 об.%, БС-120 -0,005 об.%) снизкой вязкостью (~ на 20-30 %), с пониженными усадками (на ~ 20-30%),уровнем остаточных напряжений (~ в 2,5-12 раз) для создании новыхкомпаундов, клеев, герметиков и связующих для производства угле- истеклопластиков.ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХХАРАКТЕРИСТИК ЭПОКСИНАНОКОМПОЗИТОВ С РАЗНЫМИПАРАМЕТРАМИ СТРУКТУРЫ И ПРОРОДЙ НАНОЧАСТИЦПри проектировании деталей и конструкций из стекло- и углепластиковособое внимание уделяют их физико-механическим характеристикам, такимкак модуль упругости, прочность и, особенно, ударная вязкость итрещиностойкость.
Одна из главных проблем при изготовлении подобныхизделий заключается в том, что прочностьполимерной матрицынанесколько порядков ниже, чем прочность волокон и ровингов, поэтомуповышение прочности и стойкости к удару является одной из главных целейпри разработке связующего. Для повышения прочностных показателейэпоксиполимеровнанонаполнители,втакиефуллерены, графены,последнеекаквремяуглеродныеиспользуютнанотрубки,различныенановолокна,детонационные наноалмазы, алмазную шихтутехнический углерод и т.д.
В работах по нанокомпозитам на основеэоксидныхолигомеровобычнозависимостифизико-механическиххарактеристики представляют в координатах от концентрации наночастиц.Впервые в работе посвященной эпоксидным нанокомпозитам (на рисунках4.4-4.6и4.10-4.12)приведенызависимостифизико-механическиххарактеристик эпоксинанокомпозито на основе ЭО марок DER-330 и ЭД-20от диаметра агломератов наночастиц (уровня гетерогенности).Исследовали комплекс физико-механических характеристик - ударнаявязкость (ауд), прочность (σсж) и модуль упругости (Есж) при сжатии,эпоксинанокомпозитов на основе эпоксидиановых олигомеров DER-330 и95ЭД-20 и нанонаполнителей углеродной и оксидной природы. Нанокомпозитыотверждали ТЭТА при 20 оС в течение 24 часа и затем при 80 оС - 10 часов.С позиции кинетической концепции прочности процесс разрушениянагруженного изделия из ПКМ состоит из трех стадий [111]:1) образование и накопление субмикротрещин;2) образование и стабилизация микротрещин в матрице;3) слияние (объединение) микротрещин, достижение критической длинытрещины и образование макротрещины (магистральной).Образующаяся на третьей стадии магистральная трещина приводит кбыстрому разрушению полимерной матрицы.В научно-технической литературе рассматривается идея о возможностизалечивания суб- и микротрещин в материалах при введении в нихнаночастиц.Наличие в структуре композиционного материала концентраторовнапряжений,такихкакначальныетрещины,пустоты,поры,игрубодисперсные частицы увеличивают риск возникновения микротрещин.Содержание пор и пустот в композиционном материале при егополучении не должно превышать 1-2 %, допускается до ~5%, превышениеэтих значений существенно снижает прочностные характеристики изделия.Следует также учитывать, что принципиально важным является выборсочетания полимерной матрицы и наполнителя по принципу монолитности.Граница раздела фаз, как правило, является наиболее слабым местом ПКМ,армированных высокопрочными/высокомодульными волокнами, и именно вэтой области начинается разрушение материала, как при механическихнагрузках, так и при других воздействиях, например, под влиянием внешнейатмосферы, воды и т.д.
[111].Введение наночастиц различной природы и процесс их агломерацииоказывает влияние на технологические (вязкость, реокинетика, усадка иостаточные напряжения), что не может не сказаться на эксплуатационных96свойствах эпоксинанокомпозитов (ударная вязкость, модуль упругости ипрочность при сжатии).Комплексфизико-механическиххарактеристикотвержденногонаномодифицированного эпоксидного олигомера определяли в соответствииГОСТ 4561-82 (для модуля упругости и прочности при сжатии) и ГОСТ 464780 (для определения ударной вязкости по Шарпи без надреза, угол 94 0).На рисунках 4.1-4.3 приведены зависимости прочности при сжатии,модуляупругостииударнойвязкостинанокомпозитовнаосновеэпоксидного олигомера марки DER-330 от содержания наночастиц разнойприроды.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
