Нелинейное деформирование двухматричных композитных структур. Термопластичные композиционные материалы Структурно феноменологическая модель композитов с термопластичной матрицей

dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2015-0-6-9-9

УДК 541.6:539.25

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ АНАЛИЗА ФАЗОВОЙ МОРФОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СИНТЕТИЧЕСКИХ СМОЛ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ТЕРМОПЛАСТАМИ (обзор)

Эффективным способом повышения вязкости разрушения полимерных композиционных материалов (ПКМ) является модифицирование синтетических смол термопластами. Структурообразование в таких системах сопровождается микрофазовым расслоением с формированием характерной фазовой морфологии. Рассматривается современное состояние электронно-микроскопических исследований фазовой морфологии систем «реактопласт-термопласт» и ПКМ на их основе. Рассмотрены следующие методологические вопросы исследования фазовой морфологии: уровень информативности метода исследования, эффективность контрастирования характерных элементов микроструктуры, обоснование выбора ключевых морфологических параметров и методы их измерения.

Введение

Улучшение служебных свойств реактопластов при их модифицировании термопластами является важным направлением в полимерном материаловедении. Основная цель такого модифицирования - повышение вязкости разрушения реактопласта и композиционных материалов на его основе . Повышение ударо- и трещиностойкости особенно актуально для материалов, применяемых в авиастроении .

Многие современные научные работы подчеркивают необходимость применения подхода «состав-технология-структура-свойства» при разработке новых материалов . Этот подход эффективен и при разработке полимерных композиционных материалов (ПКМ) с повышенной вязкостью разрушения . Управление физико-химическими свойствами компонентов и составом смеси термопласта с синтетической смолой позволяет создавать новые конструкционные и функциональные материалы с заранее заданным комплексом свойств. Одним из ключевых параметров, посредством которого можно осуществлять регулирование и контроль свойств материала на основе системы «реактопласт-термопласт», является его фазовая морфология. В настоящее время влияние структурно-фазового состояния ПКМ на их свойства является предметом интенсивных исследований . Неотъемлемой частью научных работ по повышению диссипативных свойств полимерных матриц ПКМ является исследование фазовой морфологии и ее влияния на служебные свойства материала .

Системы «реактопласт-термопласт» существенно различаются по фазовой морфологии. В зависимости от концентрации и термодинамической совместимости компонентов, температуры начала химической реакции отверждения и ряда других факторов формируется структура с различной фазовой морфологией и межфазной адгезией. Если исходная реакционная смесь представляла собой гомогенный раствор термопласта в синтетической смоле, то по мере протекания реакции отверждения растворимость термопласта падает вследствие увеличения молекулярной массы смолы . Другим важным фактором, влияющим на термодинамическую совместимость компонентов в процессе реакции отверждения, является изменение химического строения синтетической смолы при превращении функциональных групп в продукты реакции . В большинстве систем «реактопласт-термопласт», интересных с точки зрения практического применения, дальнейшее увеличение конверсии приводит в микрофазовому разделению. Первичная морфология формируется преимущественно до гелеобразования в α-фазе (фазе, обогащенной реактопластом). Формирование вторичной фазовой морфологии может наблюдаться в β-фазе (фазе, обогащенной термопластом) после гелеобразования в α-фазе. Параметры вторичной фазовой морфологии чувствительны к температуре доотверждения системы «реактопласт-термопласт» . В зависимости от свойств системы «синтетическая смола-термопласт» и параметров режима отверждения фазовый распад может проходить по механизму нуклеации и роста, по механизму спинодального расслоения или по смешанному типу. От механизма фазового распада зависят такие морфологические параметры, как размер, пространственное распределение и распределение по размерам частиц дисперсной фазы .

Концентрация термопласта в исходной реакционной смеси является одним из основных параметров, определяющих фазовую морфологию отвержденного материала. При повышении концентрации термопласта фазовая морфология переходит от дисперсной морфологии сначала к сонепрерывной, а затем к морфологии с обращением фаз (рис. 1). Обобщить влияние температуры отверждения на морфологические параметры микроструктуры гораздо труднее, потому что она изменяет отношение скоростей разделения фаз и химических реакций отверждения. Анализ научно-технической литературы показывает, что при разработке материалов на основе синтетических смол, модифицированных термопластами, основное внимание при микроструктурных исследованиях уделяется влиянию концентрации, химического строения и молекулярной массы термопласта и температурного режима отверждения на фазовую морфологию материала . В настоящее время ведутся активные исследования, направленные на регулирование фазовой морфологии и межфазной адгезии с применением компабилизаторов (веществ, уменьшающих межфазное поверхностное натяжение и повышающих межфазную адгезию на границе раздела «полимер-полимер») .

Рис. 1. Тип фазовой морфологии:

а - дисперсная; б - сонепрерывная; в - с обращением фаз; г - ее связь с концентрацией термопласта

Электронная микроскопия в сочетании со специализированными методами пробоподготовки является информативным методом исследования фазовой морфологии смесей полимеров. Основными методологическими вопросами электронно-микроскопического исследования фазовой морфологии являются: уровень информативности метода исследования, эффективность контрастирования характерных элементов микроструктуры, обоснование выбора ключевых морфологических параметров и методы их измерения. Решение обозначенных вопросов в сочетании с глубоким пониманием физико-химических процессов формирования структуры исследуемого полимерного материала будет способствовать развитию электронной микроскопии как одного из методов, предоставляющих информацию о взаимосвязи «состав-технология-структура-свойства» в материалах на основе систем «реактопласт-термопласт». В данной статье рассмотрены современное состояние электронно-микроскопических исследований фазовой морфологии материалов на основе синтетических смол, модифицированных термопластами, и применение результатов этих исследований. Все микрофотографии, приведенные в работе, получены авторами статьи при электронно-микроскопических исследованиях систем «реактопласт-термопласт» (так как в статье рассматриваются общие методологические вопросы, информация о конкретных марках материалов не приводится).

Информативность исследования структуры материалов

на основе систем «реактопласт-термопласт» методом электронной микроскопии

Основной информацией, которую предоставляет электронно-микроскопическое исследование систем «реактопласт-термопласт», является тип фазовой морфологии, геометрические характеристики фаз и их пространственное распределение. Первичную фазовую морфологию (распад на α- и β-фазы) исследуют методом растровой электронной микроскопии (РЭМ). Именно для этого уровня организации структуры материалов известны некоторые корреляционные зависимости свойств от параметров фазовой морфологии . Интересной особенностью структурообразования, предсказанной на основании термодинамического анализа фазового расслоения с применением модели среднего поля Флори-Хаггинса, является формирование вторичной фазовой морфологии при распаде β-фазы. При распаде β-фазы образуется дисперсия обогащенных реактопластом доменов (γ-фаза) в непрерывной фазе, обогащенной термопластом (δ-фаза). Вторичную фазовую морфологию исследуют с применением просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) на срезах субмикронной толщины, приготовленных на микротоме. В научной литературе встречаются лишь единичные работы, посвященные исследованию этого уровня организации структуры , поэтому информация о влиянии параметров вторичной фазовой морфологии на свойства материалов отсутствует. На рис. 2 приведены микрофотографии фазовой морфологии эпоксидного реактопласта, модифицированного полисульфоном.

Рис. 2. Первичная (а ) и вторичная (б ) фазовая морфология системы «реактопласт-термопласт»

Информативность электронно-микроскопического исследования в настоящее время существенно повысилась благодаря применению аналитической электронной микроскопии, являющейся совокупностью методов, объединенных общей задачей - получение информации об элементном составе и химическом строении фаз . Применение рентгеноспектрального микроанализа позволяет выявить пространственное распределение полимера в смеси, если в его состав входят атомы-контрастеры . Например, если термопластичным компонентом системы «реактопласт-термопласт» является полисульфон (содержит атомы серы), то по интенсивности характеристического рентгеновского излучения атомов серы исследователь сможет сделать вывод о распределении полисульфона. Пример построения методом аналитической просвечивающей микроскопии концентрационного профиля серы в эпоксидном реактопласте, модифицированном полисульфоном, приведен на рис. 3. Показано, что характерным фазовым образованиям соответствует изменение концентрации серы по координате, что позволяет определить природу выявленных структурных элементов. Пространственное разрешение при проведении элементного микроанализа системы «реактопласт-термопласт» значительно повышается при применении методов просвечивающей аналитической электронной микроскопии. Метод растровой аналитической электронной микроскопии более универсален и предоставляет информацию об элементном составе не только при микроструктурных, но и при фрактографических исследованиях.

Рис. 3. Концентрационный профиль серы в эпоксидном реактопласте, модифицированном полисульфоном

Ограниченная применимость рентгеноспектрального микроанализа для исследования полимерных материалов обусловлена низкой чувствительностью этого метода к элементам с невысокими атомными номерами (C, O, N и др.), низкой электропроводностью и недостаточной радиационно-термической стабильностью большинства полимеров. Другим недостатком этого метода является то, что он предоставляет информацию только об элементном составе. Перспективным методом, лишенным многих вышеописанных недостатков, является формирование электронно-микроскопического изображения на основании данных спектроскопии характеристических потерь энергии электронами (СХПЭЭ). Применение данного метода предоставляет информацию о химическом строении фаз, позволяет без специальной контрастирующей пробоподготовки выявлять фазовые образования в смесях полимеров, состоящих только из элементов с низкими атомными номерами, а также существенно повышает точность количественного элементного анализа таких систем. В работе с применением данного метода выявлены признаки микрофазового расслоения в системе «бис(винилфинил)этан-полифениленоксид» и построены карты распределения кислорода (а следовательно, и фазы, обогащенной полифениленоксидом) с пространственным разрешением до 10 нм.

Специальные методы пробоподготовки образцов

для электронно-микроскопического исследования

Основной задачей пробоподготовки является достижение наилучшего контраста между изучаемыми неоднородностями микроструктуры материала. В зависимости от метода электронной микроскопии и требуемой информации о структурно-фазовом состоянии системы применяют различные методы контрастирования. Образцы для исследования методом ПЭМ подготавливают с применением микротомирования. Наиболее эффективными средствами контрастирующего окрашивания микротомных срезов являются тетроксид осмия OsO 4 и тетроксид рутения RuO 4 . Тетроксид осмия применяют для окрашивания фаз, содержащих компоненты с ненасыщенными связями . Для контрастирования фазовой морфологии систем «реактопласт-термопласт» более эффективным является RuO 4 , так как интенсивно окрашивает компоненты, содержащие эфирные, спиртовые, аминные и ароматические группы .

Глубина резкости РЭМ позволяет применять этот метод для исследования образцов с развитым рельефом поверхности. В связи с этим для исследования фазовой морфологии методом РЭМ изготавливают сколы полимерной матрицы при температуре жидкого азота. Полученные образцы пригодны для грубой оценки межфазной адгезии и распределения частиц дисперсной фазы по размерам. Во многих работах по количественному анализу фазовой морфологии применяют селективное травление растворителями . Травление органическими растворителями приводит к полному удалению фазы термопласта и позволяет получить электронно-микроскопическое изображение пригодное для прямого стереометрического количественного анализа. Другим востребованным методом пробоподготовки для РЭМ является изготовление шлифов. В этом случае, как и при микротомировании, исследование фазовой морфологии проводится на двумерном срезе материала и для определения истинных пространственных морфологических параметров требуется провести определенную математическую обработку данных .

Параметры, определяемые при качественном и количественном анализе

фазовой морфологии, и их связь с макроскопическими свойствами материала

Качественным параметром фазовой морфологии, на который свойства системы «синтетическая смола-термопласт» и параметры отверждения этой системы оказывают наибольшее влияние, является тип фазовой морфологии. Этот параметр предоставляет важную информацию о диссипативных свойствах материала. Показано, что в общем случае вязкость разрушения возрастает при переходе от дисперсной морфологии к морфологии с обращением фаз . При этом данные об оптимальном типе фазовой морфологии, при котором одновременно достигается существенное повышение вязкости разрушения и сохраняются ценные свойства реактопластов (высокий модуль, теплостойкость, стойкость к органическим растворителям и др.) разнятся. В работе указано, что оптимальное сочетание свойств достигается при формировании дисперсной морфологии с максимально возможной объемной долей термопласта, в то время как в работе указано, что наиболее эффективной морфологией является сонепрерывная. Данные работы указывают на необходимость контроля такого количественного морфологического параметра, как объемная доля дисперсной фазы термопласта. Определение этого параметра с применением метода РЭМ наиболее корректно проводить на шлифе. Согласно первому основному стереометрическому соотношению объемная доля фазы в материале равна доле, занятой сечениями фазы на площади шлифа .

Другими важными количественными морфологическими параметрами являются размер и распределение по размерам частиц фаз. Прямое измерение этих параметров осуществляют по низкотемпературным сколам полимерной матрицы . Более точные значения этих параметров можно получить посредством специальной математической обработки данных, полученных при исследовании шлифов или микротомных срезов. Алгоритм математической обработки и модель, на основании которой осуществляется математическая обработка, описаны в работе . В работе указано, что оптимальное сочетание свойств модифицированного реактопласта достигается, если размер дисперсной фазы термопласта находится в диапазоне от 0,1 до 10 мкм. Размер частиц дисперсной фазы термопласта зависит от концентрации термопласта, температурного режима отверждения, применения компабилизаторов и ряда других факторов. При формировании дисперсной морфологии размер частиц термопластичной фазы увеличивается при повышении концентрации термопласта . Повышение начальной температуры отверждения может приводить к противоположным тенденциям изменения размера частиц. В научной литературе описано как увеличение , так и уменьшение размеров частиц фазы термопласта при повышении начальной температуры отверждения. Это обусловлено тем, что повышение температуры приводит к росту скорости химической реакции отверждения и к росту скорости фазового разделения. Эти процессы влияют на размер частиц дисперсной фазы термопласта противоположным образом и на то, какой процесс будет интенсифицироваться в большей мере при повышении температуры и определит фазовую морфологию отвержденной полимерной матрицы. В ряде работ указано, что формирование морфологии с би- или полимодальным распределением частиц термопласта по размерам приводит к дополнительному повышению диссипативных свойств материала. Фазовая морфология с таким распределением частиц по размерам может сформироваться при совместном модифицировании синтетической смолы термопластами различного химического строения или при высокой скорости реакции отверждения .

Определение параметров фазовой морфологии предоставляет важную информацию при проведении фрактографических исследований систем «реактопласт-термопласт». В настоящее время описаны качественные механизмы повышения диссипативных свойств полимерных матриц дисперсными частицами термопласта и предложены количественные модели упрочнения . К основным механизмам упрочнения в реактопластах, модифицированных термопластами, относят перекрывание трещины частицами термопласта, огибание частиц термопласта трещиной, образование полос сдвига и микротрещин в матрице. Механизмом, наиболее эффективно повышающим диссипативные свойства полимерной матрицы, считают перекрывание трещины частицами дисперсной фазы термопласта, которое сопровождается пластическим растяжением и разрывом этих частиц . Этот механизм реализуется при высокой межфазной адгезии и наноразмерах частиц фазы термопласта. На рис. 4 приведены поверхности разрушения полимерной матрицы эпоксидного реактопласта, модифицированного полисульфоном, с сонепрерывной фазовой морфологией. В области дисперсной морфологии характерным элементом структуры являются разрушенные в результате пластической деформации частицы термопласта. Для области морфологии с обращением фаз характерен сложный рельеф поверхности разрушения, который обусловлен огибанием растущей трещиной жестких частиц эпоксидного реактопласта и пластической деформацией непрерывной фазы термопласта.

Ввиду того, что системы «реактопласт-термопласт» применяют в качестве полимерных матриц современных ПКМ, важным вопросом является изменение фазовой морфологии в присутствии армирующего наполнителя. Систематическому исследованию влияния химической природы волокон армирующего наполнителя и состояния их поверхности на качественные и количественные параметры фазовой морфологии посвящен ряд научно-исследовательских работ . В работе показано, что вокруг стеклянных волокон образуется слой, обогащенный эпоксидным реактопластом, что негативно сказывается на диссипативных свойствах ПКМ. Вокруг углеродных и арамидных волокон такого слоя не обнаружено. В работе сообщается об увеличении среднего размера частиц дисперсной фазы термопласта вблизи волокон армирующего наполнителя. В работах предложен количественный параметр изменения фазовой морфологии в присутствии армирующего наполнителя: число частиц дисперсной фазы термопласта на единицу площади на определенном расстоянии от волокна. Показано также, что концентрация дисперсных частиц термопласта вблизи волокна повышается при активации его поверхности и зависит от химического строения термопласта. Следует отметить, что, несмотря на проведенные в этом направлении научно-исследовательские работы, единое представление о влиянии наполнителя на формирование фазовой морфологии в настоящее время не сформулировано.

Рис. 4. Фазовая морфология эпоксидного реактопласта, модифицированного полисульфоном (а ), и поверхность разрушения в области дисперсной морфологии (б ) и морфологии с обращением фаз (в )

В представленной работе отражена роль электронно-микроскопических исследований при разработке полимерных матриц на основе систем «реактопласт-термопласт» для ПКМ с высокой ударо- и трещиностойкостью. Ввиду того, что оптимальное сочетание свойств таких материалов достигается при формировании микроструктуры, образующейся в результате микрофазового разделения, важнейшими вопросами являются управление и контроль фазовой морфологией. В данной работе приведены примеры информации о структурно-фазовом состоянии системы, которую предоставляет электронно-микроскопическое исследование. Показано, что в настоящее время электронная микроскопия позволяет не только проводить исследования фазовой морфологии на различных иерархических уровнях организации системы, но и определять элементный состав и химическое строение фазовых образований с высоким пространственным разрешением. Описаны имеющиеся в настоящее время представления об управлении морфологическими параметрами при разработке материалов на основе синтетических смол, модифицированных термопластами. Обозначены методические подходы измерения таких параметров, как объемная доля дисперсной фазы термопласта, средний размер частиц и распределение частиц по размеру. Приведена информация о влиянии качественных и количественных параметров фазовой морфологии на свойства материала. Мировой и отечественный опыт применения результатов исследований фазовой морфологии для управления свойствами ПКМ доказывает эффективность электронной микроскопии как одного из методов, предоставляющих информацию о взаимосвязи «состав-технология-структура-свойства» в материалах на основе систем «реактопласт-термопласт».

ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST

1. Солодилов В.И., Горбаткина Ю.А. Свойства однонаправленных углепластиков на основе эпоксидной смолы, модифицированной полисульфоном или эпоксиуретановым олигомером //Механика композиционных материалов и конструкций. 2008. Т. 14. №2. С. 217–227.
2. Железняк В.Г., Чурсова Л.В. Модификация связующих и матриц на их основе с це-лью повышения вязкости разрушения //Авиационные материалы и технологии. 2014. №1. С. 47–50.
3. Ерасов В.С., Нужный Г.А., Гриневич А.В., Терехин А.Л. Трещиностойкость авиационных материалов в процессе испытания на усталость //Труды ВИАМ. 2013. №10. Ст.
4. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7–17.
5. Каблов Е.Н. Химия в авиационном материаловедении //Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 3–4.
6. Каблов Е.Н. Шестой технологический уклад //Наука и жизнь. 2010. №4. С. 2–7.
7. Будылин Н.Ю., Шапагин А.В., Чалых А.Е., Хасбиуллин Р.Р. Моделирование формирования градиентных дисперсных структур в смесях термо- и реактопластов //Пластические массы. 2011. №3. С. 51–56.
8. Zhang Y. et al. Dynamically asymmetric phase separation and morphological structure formation in the epoxy/polysulfone blends //Macromolecules. 2011. V. 44. №18. P. 7465–7472.

10. Каблов Е.Н., Кондрашов С.В., Юрков Г.Ю. Перспективы использования углеродсодержащих наночастиц в связующих для полимерных композиционных материалов //Российские нанотехнологии. 2013. Т. 8. №3–4. С. 24–42.
11. Гуляев А.И. Исследование полимерных материалов методом рентгеновской фото-электронной спектроскопии //Труды ВИАМ. 2013. №7. Ст..
12. Журавлева П.Л., Зайцев Д.В. Исследование структуры углеродных волокон с применением дифракционных методов //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 448–455.
13. Гуляев А.И., Исходжанова И.В., Журавлева П.Л. Применение метода оптической микроскопии для количественного анализа структуры ПКМ //Труды ВИАМ. 2014. №7. Ст..
14. Деев И.С., Каблов Е.Н., Кобец Л.П., Чурсова Л.В. Исследование методом сканирующей электронной микроскопии деформации микрофазовой структуры полимерных матриц при механическом нагружении //Труды ВИАМ. 2014. №7. Ст..

16. Zhang Y. et al. Ubiquitous nature of the three-layered structure formation in the asymmet-ric phase separation of the epoxythermoplastic blends //Polymer. 2012. V. 53. №2. P. 588–594.
17. Mimura K. et al. Improvement of thermal and mechanical properties by control of morphologies in PES-modified epoxy resins //Polymer. 2000. V. 41. №12. P. 4451–4459.
18. Межиковский С.М., Иржак В.И. Химическая физика отверждения олигомеров. М.: Наука. 2008. 269 с.
19. Полимерные смеси. Т. 1. Систематика: Пер. с англ. /Под ред. Д.Р. Пола, К.Б. Бакнелла. СПб.: Научные основы и технологии. 2009. 618 с.

21. Розенберг Б.А. Микрофазовое разделение в отверждающихся многокомпонентных полимер-олигомерных системах //Российский химический журнал. 2001. Т. XLV. №5–6. С. 23–31.
22. Wilkinson S.P. et al. Effect of thermoplastic modifier variables on toughening a bismaleimide matrix resin for high-performance composite materials //Polymer. 1993. V. 34. №4. P. 870–884.


25. Cano L. et al. Morphological and mechanical study of nanostructured epoxy systems modified with amphiphilic poly(ethylene oxide-b-propylene oxide-b-ethylene oxide)triblock copolymer //Polymer. 2014. V. 55. №3. P. 738–745.


28. Poncet S. et al. Monitoring phase separation and reaction advancement in situ in thermoplastic/epoxy blends //Polymer. 1999. V. 40. №24. P. 6811–6820.
29. Чалых А.Е., Алиев А.Д., Рубцов А.Е. Электронно-зондовый микроанализ в исследовании полимеров. М.: Наука. 1990. 192 с.
30. Чалых А.Е. и др. Аналитическая электронная микроскопия в исследовании структуры привитых полимеров //Высокомолекулярные соединения. Сер. А. 2010. Т. 52. №4. С. 653–658.





36. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия. 1976. 270 с.

38. Полимерные смеси. Т. 2: Функциональные свойства: Пер. с англ. /Под ред. Д.Р. По-ла, К.Б. Бакнелла. СПб.: Научные основы и технологии. 2009. 606 с.

1. Solodilov V.I., Gorbatkina Ju.A. Svojstva odnonapravlennyh ugleplastikov na osnove jepoksidnoj smoly, modificirovannoj polisul"fonom ili jepoksiuretanovym oligomerom //Mehanika kompozicionnyh materialov i konstrukcij. 2008. T. 14. №2. S. 217–227.
2. Zheleznjak V.G., Chursova L.V. Modifikacija svjazujushhih i matric na ih osnove s cel"ju povyshenija vjazkosti razrushenija //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2014. №1. S. 47–50.
3. Erasov V.S., Nuzhnyj G.A., Grinevich A.V., Terehin A.L. Treshhinostojkost" aviacionnyh materialov v processe ispytanija na ustalost" //Trudy VIAM. 2013. №10. St.
4. Kablov E.N. Strategicheskie napravlenija razvitija materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 7–17.
5. Kablov E.N. Himija v aviacionnom materialovedenii //Rossijskij himicheskij zhurnal. 2010. T. LIV. №1. S. 3–4.
6. Kablov E.N. Shestoj tehnologicheskij uklad //Nauka i zhizn". 2010. №4. S. 2–7.
7. Budylin N.Ju., Shapagin A.V., Chalyh A.E., Hasbiullin R.R. Modelirovanie formirovanija gradientnyh dispersnyh struktur v smesjah termo- i reaktoplastov //Plasticheskie massy. 2011. №3. S. 51–56.
8. Zhang Y. et al. Dynamically asymmetric phase separation and morphological structure for-mation in the epoxy/polysulfone blends //Macromolecules. 2011. V. 44. №18. P. 7465–7472.
9. Liu Y. Polymerization-induced phase separation and resulting thermomechanical properties of thermosetting/reactive nonlinear polymer blends: a review //Journal of applied polymer science. 2013. V. 127. №5. P. 3279–3292.
10. Kablov E.N., Kondrashov S.V., Jurkov G.Ju. Perspektivy ispol"zovanija uglerod-soderzhashhih nanochastic v svjazujushhih dlja polimernyh kompozicionnyh materialov //Rossijskie nanotehnologii. 2013. T. 8. №3–4. S. 24–42.
11. Guljaev A.I. Issledovanie polimernyh materialov metodom rentgenovskoj fotojelektronnoj spektroskopii //Trudy VIAM. 2013. №7. St..
12. Zhuravleva P.L., Zajcev D.V. Issledovanie struktury uglerodnyh volokon s primeneniem difrakcionnyh metodov //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 448–455.
13. Guljaev A.I., Ishodzhanova I.V., Zhuravleva P.L. Primenenie metoda opticheskoj mikros-ko-pii dlja kolichestvennogo analiza struktury PKM //Trudy VIAM. 2014. №7. St..
14. Deev I.S., Kablov E.N., Kobec L.P., Chursova L.V. Issledovanie metodom skanirujushhej jelektronnoj mikroskopii deformacii mikrofazovoj struktury polimernyh matric pri me-hanicheskom nagruzhenii //Trudy VIAM. 2014. №7. St..
15. Huang K. et al. Preparation of a light color cardanol-based curing agent and epoxy resin composite: Cure-induced phase separation and its effect on properties //Progress in organic coatings. 2012. V. 74. №1. P. 240–247.
16. Zhang Y. et al. Ubiquitous nature of the three-layered structure formation in the asymmetric phase separation of the epoxythermoplastic blends //Polymer. 2012. V. 53. №2. P. 588–594.
17. Mimura K. et al. Improvement of thermal and mechanical properties by control of mor-phologies in PES-modified epoxy resins //Polymer. 2000. V. 41. №12. P. 4451–4459.
18. Mezhikovskij S.M., Irzhak V.I. Himicheskaja fizika otverzhdenija oligomerov . M.: Nauka. 2008. 269 s.
19. Polimernye smesi. T. 1. Sistematika : Per. s angl. /Pod red. D.R. Pola, K.B. Baknella. SPb.: Nauchnye osnovy i tehnologii. 2009. 618 s.
20. Williams R.J.J., Rozenberg B.A., Pascault J.P. Reaction-induced phase separation in modified thermosetting polymers //Advances in polymer science. 1997. V. 128. P. 95–156.
21. Rozenberg B.A. Mikrofazovoe razdelenie v otverzhdajushhihsja mnogokomponentnyh polimer-oligomernyh sistemah //Rossijskij himicheskij zhurnal. 2001. T. XLV. №5–6. S. 23–31.
22. Wilkinson S.P. et al. Effect of thermoplastic modifier variables on toughening a bis-maleimide matrix resin for high-performance composite materials //Polymer. 1993. V. 34. №4. P. 870–884.
23. Zhang J. et al. Study on thermoplastic-modified multifunctional epoxies: Influence of heating rate on cure behaviour and phase separation //Composites Science and Technology. 2009. V. 69. №7–8. P. 1172–1179.
24. Rico M. et al. Phase separation and morphology development in a thermoplastic-modified toughened epoxy //European Polymer Journal. 2012. V. 48. №10. P. 1660–1673.
25. Cano L. et al. Morphological and mechanical study of nanostructured epoxy systems mod-ified with amphiphilic poly(ethylene oxide-b-propylene oxide-b-ethylene oxide)triblock copolymer //Polymer. 2014. V. 55. №3. P. 738–745.
26. Cong H. et al. Formation of nanostructures in thermosets containing block copolymers: From self-assembly to reaction-induced microphase separation mechanism //Polymer. 2014. V. 55. №5. P. 1190–1201.
27. Min H.S. et al. Fracture toughness of polysulfone/epoxy semi-IPN with morphology spec-trum //Polymer Bulletin. 1999. V. 42. №2. P. 221–227.
28. Poncet S. et al. Monitoring phase separation and reaction advancement in situ in thermo-plastic/epoxy blends //Polymer. 1999. V. 40. №24. P. 6811–6820.
29. Chalyh A.E., Aliev A.D., Rubcov A.E. Jelektronno-zondovyj mikroanaliz v issledovanii polimerov . M.: Nauka. 1990. 192 s.
30. Chalyh A.E. i dr. Analiticheskaja jelektronnaja mikroskopija v issledovanii struktury priv-ityh polimerov //Vysokomolekuljarnye soedinenija. Ser. A. 2010. T. 52. №4. S. 653–658.
31. Heitzmann M.T. et al. Microanalysis techniques for the investigation of interphases formed between thermoset and thermoplastic polymers: Scanning electron microscopy and energy dispersive x-ray analysis //Key Engineering Materials. 2011. №471–472. P. 309–314.
32. Liao Y. et al. Reaction-induced phase decomposition of thermoset/thermoplastic blends investigated by energy filtering transmission electron microscopy //Polymer. 2007. V. 48. №13. P. 3749–3758.
33. Mezzenga R. et al. Morphology build-up in dendritic hyperbranched polymer modified epoxy resin: modeling and characterization //Polymer. 2001. V. 42. №1. P. 305–317.
34. Tribut L. et al. Rheological behavior of thermoset/thermoplastic blends during isothermal curing: Experiments and modeling //Polymer. 2007. V. 48. №22. P. 6639–6647.
35. Fernandez-Francos X. et al. Novel thermosets based on DGEBA and hyperbranched pol-ymers modified with vinyl and epoxy end groups //Reactive & Functional Polymers. 2010. V. 70. №10. P. 798–806.
36. Saltykov S.A. Stereometricheskaja metallografija . M.: Met-allurgija. 1976. 270 s.
37. Kulkami A.S., Beaucage G. Reaction induced phase-separation controlled by molecular topology //Polymer. 2005. V. 46. №12. P. 4454–4464.
38. Polimernye smesi. T. 2: Funkcional"nye svojstva : Per. s angl. /Pod red. D.R. Pola, K.B. Baknella. SPb.: Nauchnye osnovy i tehnologii. 2009. 606 s.
39. Pearson R.A., Yee A.F. Toughening mechanisms in thermoplastic-modified epoxies: 1. Modification using poly(phenylene oxide) //Polymer. 1993. V. 34. №17. P. 3658–3670.
40. Turmel D.J.-P., Partridge I.K. Heterogeneous phase separation around fibres in epoxy/PEI blends and its effect on composite delamination resistance //Composites Science and Technology. 1997. V. 57. №8. P. 1001–1007.
41. Varley R.J., Hodkin J.H. Effect of reinforcing fibres on the morphology of a toughened epoxy/amine system //Polymer. 1997. V. 38. №5. P. 1005–1009.
42. Olmos D., Gonzalez-Benito J. Visualization of the morphology at the interphase of glass fibre reinforced epoxy-thermoplastic polymer composites //European Polymer Journal. 2007. V. 43. №4. P. 1487–1500.
43. Zhang J. et al. Interphase study of thermoplastic modified epoxy matrix composites: Phase behavior around a single fibre influenced by heating rate and surface treatment //Composites: Part A. 2010. V. 41. №6. P. 787–794.

• Глава 1. Однонаправленные волокнистые композиционные материалы
• Анализ механических свойств и моделей деформирования
  • 1. 1. Применяемые волокнистые композиционные материалы и их свойства
  • 1. 2. Нелинейное деформирование композиционных материалов
    • 1. 2. 1. Диаграммы деформирования волокнистых композиционных материалов
    • 1. 2. 2. Описание нелинейной диаграммы деформирования слоистых композитов

Нелинейное деформирование двухматричных композитных структур (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Исследования и разработка материалов продолжаются непрерывно, что приводит к появлению все новых и новых материалов и к постоянному прогрессу в материаловедении. В настоящее время существует большое количество разнообразных материалов, идущих на изготовление конструкций, машин, приборов. Среди них наиболее интенсивно разрабатываются материалы, получившие название композиционных, или композитов.

В настоящее время требования, предъявляемые к свойствам материалов, стали крайне разнообразными ввиду того, что условия эксплуатации материалов стали более жесткими и сложными. В качестве примера можно указать следующие свойства, которые могут потребоваться от материала: прочность, жесткость, коррозийная стойкость, износостойкость, малый вес, долговечность, термостойкость, теплопроводность, звуконепроницаемость и т. д. Вполне естественно, что, используя традиционные материалы, очень трудно удовлетворить в достаточной степени указанным выше требованиям. Именно поэтому возникли идеи использования соответствующих сочетаний материалов, позволяющих получить заданные свойства.

Композиционные материалы — это материалы, образованные сочетанием двух или более фаз (дискретная фаза — армирующие волокна, частицы, и непрерывная фаза — матрица) с четкой границей раздела между ними, и характеризующиеся комплексом свойств, которыми каждый из компонентов в отдельности не обладает. Широкое использование композитов в аэрокосмической, судостроительной, нефтегазовой, сельскохозяйственной, энергетической, автомобильной и других отраслях современной техники обусловленно прежде всего возможностью создавать материалы с наперед заданными свойствами, в частности, с регулируемыми в широких пределах прочностью и жесткостью. Использование стеклянных, углеродных, борных, органических и других высокопрочных волокон в качестве армирующих элементов и полимерных связующих в роли матриц позволяет создавать конструкции с существенно более высокими прочностью и жесткостью по сравнению с металлическими аналогами. При этом можно получить заметный выигрыш по массе и габаритам и повысить надежность конструкций не только за счет соответствующих удельных характеристик материала, но и путем исключения целого ряда промежуточных стадий переработки, характерных для традиционных материалов.

Необходимо отметить, что, будучи существенно анизотропными материалами, однонаправленные волокнистые композиты на полимерной матрице обнаруживают явно недостаточную деформативность в поперечном направлении. Так, предельные деформации при растяжении вдоль и поперек волокон соответственно для стеклопластиков составляют 3% и 0,25%, для углепластиков 1,5% и 0,5%), для органопластиков 2% и 0,6%, для боропластиков 0,7% и 0,35%, то есть соотношение «предельная деформация вдоль волокон/предельная деформация поперек волокон» колеблется в пределах 2. 12. В результате этого в пакете, образованном набором однонаправленных слоев, растрескивание и разрушение матрицы происходит заметно раньше, чем волокна достигнут своего предела прочности. Данное явление носит название нарушения монолитности.

Достаточно очевидно, что отмеченный недостаток не всегда является существенным. В изделиях одноразового использования при кратковременных режимах эксплуатации (например, в конструкциях РДТТ) нарушение монолитности, как правило, считается допустимым и проектирование по условию прочности волокон позволяет получить исключительно высокую степень весового совершенства.

С другой стороны, при нарушении монолитности конструкция теряет герметичность, идет быстрый рост накопления повреждений, снижается циклическая прочность материала, теряется форма и размеростабильность изделия, что в ответственных длительно и многократно эксплуатируемых конструкциях (например, аккумуляторах давления) является недопустимым. Проектирование же по безопасному в этом отношении уровню нагружения (пределу прочности матрицы) приводит к недоиспользованию прочности волокон, то есть к неполной реализации основной характеристики композитов.

Одним из наиболее удачных вариантов решения данной задачи (повышение поперечной деформативности при условии сохранением продольной прочности) является модель двухматричного композиционного материала . Продольная прочность материала обеспечивается использованием композитных волокон, образованных сочетанием элементарных волокон (нитей) и жесткой матрицы, а поперечная деформативность — за счет эластичной матрицы, связывающей композитные волокна.

Настоящая диссертация посвящена исследованиям, направленным на развитие этой концепции применительно к термопластичным материалам, поскольку термопластичные полимеры обладают целым рядом преимуществ над термореактивными как эксплуатационного, так и технологического характера. При этом требование высокой поперечной деформативности композита вынуждает использовать в качестве эластичной матрицы материал с собственной деформативностью не менее 70% . Это, в свою очередь, является причиной проявления материалом существенно нелинейного механизма деформирования, что влечет за собой необходимость разработки новой, способной учесть сильную нелинейность, модели описания деформирования материала.

Таким образом, научная и практическая значимость работы определяется:

Предложенной феноменологической моделью нелинейного деформирования композита-

Разработанной модификацией двухматричного композита-

Экспериментальным исследованием механических характеристик исходных компонентов и материалов с различной структурой пакета-

Результатами расчета элементов конструкций из двухматричного композита и оценкой его эффективности.

Первая глава посвящена анализу существующих композиционных материалов на полимерной матрице, их прочностных и деформационных свойств, а также существующим моделям математического описания нелинейного поведения композитов.

Во второй главе рассмотрена проблема нарушения монолитности КМ и пути ее преодоления. В частности, на основе анализа двух наиболее очевидных способов сохранения целостности матрицы вплоть до разрушения волокон -увеличения жесткости армирующих элементов и снижения жесткости матрицы, — подтверждается целесообразность разделения жесткостных функций связующего между двумя матрицами, то есть основной идеи двухматричного композиционного материала.

В третьей главе рассматривается математическая модель нелинейного поведения композита, результаты которой сравниваются с экспериментальными данными по нагружению образцов, ориентированных под углами 0° и 90° к направлению нагружения и при сдвиге. Здесь же приведена технология получения и теоретическое обоснование предлагаемой модификации двухматричного КМ с сочетанием двух типов полимеров: жесткого термореактивного и эластичного термопластичного.

Четвертая глава посвящена расчету элементов конструкций на основе предлагаемой математической модели из двухматричного композиционного материала. Здесь рассматриваются панели, ориентированные под углами ±-ф к направлению нагружения, а также осесимметричное деформирование нагружаемой внутренним давлением цилиндрической оболочки. Результаты расчета сравниваются с экспериментом.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы.

Основные результаты работы доложены на:

XVIII Европейской международной конференции САМПЕ, Париж, 1997 (18th SAMPE EUROPE / JEC International Conference and Exhibition "97) — 8

Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-98», Москва, 1998-

XXV Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения», Москва, 1999- и опубликованы в:

Патент № 2 097 197 (Щ) —

Патент № 2 107 622 (БШ) —

Салов О. В. Разработка и создание двухматричного волокнистого КМ. «XXII Гагаринские чтения»: Тез. докл. молодежной научной конференции, апрель 1996- МГАТУ. М., 1996, ч. 3, с. 10

Салов О. В. К вопросу о нелинейном поведении слоистых структур. «XXIV Гагаринские чтения». Тез. докл. Всероссийской молодежной научной конференции. Апрель 1998- МГАТУ, М.: 1998, ч. 6, с. 73

Салов О. В. Двухматричный волокнистый композиционный материал на термореактивной и термопластичной матрицах. // В сб. «Научные труды МАТИ им. К.Э.Циолковского». Вып. 2(74).- М.: Изд-во «ЛАТМЭС», 1999, с. 59−63

Салов О. В. Растяжение однонаправленного слоя с конечным числом волокон. «XXV Гагаринские чтения». Тезисы докладов Международной молодежной научной конференции Москва, 6−10 апреля 1999 г.- М.: Изд-во «ЛАТМЭС», 1999. Том 2, с. 708

В заключение сформулируем основные результаты и выводы.

1. Получено точное решение задачи микромеханики композитов для однонаправленного монослоя, армированного произвольным конечным числом волокон, и описан процесс разрушения волокон. Исследовано влияние механических свойств волокон и матрицы на прочность композита с точки зрения включения волокна в работу. Подтверждено, что одновременное увеличение жесткости армирующих волокон с одной стороны и уменьшение жесткости матрицы с другой как совмещение двух возможных путей решения проблемы нарушения монолитности композита снижает основные характеристики материала. Сделан вывод о целесообразности двухматричного композита.

2. Предложена прикладная феноменологическая модель нелинейного деформирования композитов, позволяющая описать существенно нелинейное и различное при растяжении и сжатии поведение композитов и подтвержденная опубликованными экспериментальными результатами.

3. Предложен и реализован двухматричный термореактивно-термопластичный композит, в котором совместная работа волокон обеспечивается термореактивным связующим, соединяющим элементарные волокна и образующим композитные волокна, а трансверсальная податливость обеспечивается термопластичной матрицей, соединяющей композитные волокна. Осуществлено экспериментальное исследование механических свойств двухматричного композита на основе стеклянных и углеродных волокон и установлено, что поведение материала характеризуется значительной нелинейностью при поперечном растяжении, сжатии и сдвиге.

4. Осуществлено теоретическое и экспериментальное исследование пластин с различными схемами армирования и цилиндрической оболочки из двухматричного композита. Установлено, что предложенная модель деформирования удовлетворительно описывает поведение этих конструктивных эле

Список литературы

1. Авиационные материалы. Выпуск 2: Неметаллические композиционные материалы, под ред. А. Т. Туманова и Г. М. Гуняева.- М.: ОНТИ, 1977
2. Андреевская Г. Д. Высокопрочные ориентированные стеклопластики .- М.: Наука, 1966
3. Бабаевский П. Г., Кулик С. Г. Трещиностойкость отвержденных полимерных композиций .- М.: Химия, 1991
4. Бейдер Э. Я., Перов Б. В. Композиционные материалы на основе термопластичной матрицы .- Авиационная промышленность, № 1, 1990
5. Я. Варна, А.Красников. Поперечные трещины в ортогонально армированных слоистых композитах. 2. Снижение жесткости. Механика композитных материалов, т. 34, № 2, 1998, с. 211−233
6. Васильев В. В., Дудченко A.A., Елпатьевский А. Н. Об особенностях деформирования ортотропного стеклопластика при растяжении . Механика полимеров, № 1, 1970, с. 144−147
7. Васильев В. В., Салов В. А. Разработка и исследование двухматричного стек-ловолокнистого композита с повышенной трансверсальной деформацией .- Механика композитных материалов, № 4, 1984, с. 662 666
8. Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов .- М.: Машиностроение, 1988
9. Вильдеман В. Э., Соколкин Ю. В., Ташкинов A.A. Прогнозирование неупругого деформирования и разрушения слоистых композитов .- Механика композитных материалов, № 3, 1992, с. 315−323
10. Вильдеман В. Э. Краевые задачи механики неупругого деформирования и разрушения композиционных материалов . Автореферат дисс., представленной на соискание ученой степени доктора физ.-мат. наук.- Пермь: Изд. ПГТУ, 1998
11. Воскресенская И. Б., Юрченко Л. И., Мангушева Т. А., Греков А. П., Безуглый В. Д. Электрохимическая модификация эпоксидных покрытий уретановым полимером .- Композиционные полимерные материалы.- Киев, вып. 49, 1991
12. Гольдман , А.Я., Никифоров H.H., Преображенский И. И. О прочности и герметичности оболочек внутреннего давления, намотанных однонаправленной стеклолентой . -Тр. ЦНИИТС, вып. 17, 1971, с. 24−51
13. Гуль В. Е., Заборовская Е. Э., Донцова Э. П., Бубнова Б. Г. Исследование адгезии термореактивных полимеров к стеклу .- Высокомолекулярные соединения, т. 5, № 2, 1963
14. Еремина H.A., Барях A.A. Упругопластическое деформирование многослойного композита .- Механика композитных материалов, № 6, 1994, с. 723 729
15. Зиновьев П. А., Песошников Е. М., Попов Б. Г., Темрова Л. П. Экспериментальное исследование некоторых особенностей деформирования и разрушения слоистого углепластика .- Механика композитных материалов, № 2, 1980, с. 241 245
16. Зиновьев П. А., Тараканов А. И. О нелинейном деформировании слоистых композиционных материалов . // Применение пластмасс в машиностроении.-М.: МВТУ, 1978. с. 72−80
17. Т. Карман, М.Био. Математические методы в инженерном деле.- М.- Д.: ОГИЗ ГИТТЛ, 1948
18. Композиционные материалы. Справочник, под ред. Д. М. Карпиноса.- Киев: Hay кова думка, 1985
19. Композиционные материалы: Справочник/ В. В. Васильев, В. Д. Протасов, В. В. Болотин и др.- под общ. ред. В. В. Васильева, Ю. М. Тарнопольского.- М.: Машиностроение, 1990
20. Конохов А. Ф. Анизотропия механических свойств эпоксидных полимеров, отвержденных в постоянном магнитном поле . // Полимерные материалы в машиностроении. Межвузовский сборник научных трудов № 217.- Изд. ППИ, Пермь, 1980. с. 117−124
21. А. Красников, Я.Варна. Поперечные трещины в ортогонально армированных слоистых композитах. 1. Анализ напряжений. Механика композитных материалов, т. 33, № 6, 1997, с. 796−820
22. Х. Ли, К.Невилл. Справочное руководство по эпоксидным смолам.- М.: Энергия, 1973
23. Макаров О. Н., Пчелинцев A.B., Баранцев A.B. Особенности отверждения эпоксидного полимера в постоянном магнитном поле . // Полимерные материалы в машиностроении. Межвузовский сборник научных трудов № 214. Изд. Пермского ун-та, 1977. с. 80−86
24. Макаров О. Н., Амбуркин А. К. Методы расчета и измерения напряженности постоянного магнитного поля в рабочей зоне магнитных устройств . // Полимерные материалы в машиностроении. Межвузовский сборник научных трудов № 217.- Изд. ППИ, Пермь, 1980. с. 109−116
25. Образцов И. Ф., Васильев В. В., Бунаков В. А. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов .- М.: Машиностроение, 1977
26. Огибалов П. М., Малинин Н. И., Нетребко В. П., Кишкин Б. П. Конструкционные полимеры . Методы экспериментального исследования.- М.: Изд. Моск. Ун-та, 1972
27. Першин A.C. Интенсификация процесса пропитки капиллярно-пористых тел при импульсном акустическом воздействии . Автореферат дисс., представленной на соискание ученой степени канд. тех. наук.- М.: Изд. МИХМ, 1971
28. Сарбаев Б. С. Феноменологические модели пластического деформирования волокнистых композитов . Дисс. на соискание ученой степени доктора тех. наук.- М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1996
29. Справочник по композиционным материалам: В 2-х кн. Кн. 1/ Под ред. Дж. Любина- Пер. с англ. А. Б. Геллера, М.М.Гельмонта- Под ред. Б. Э. Геллера.-М.: Машиностроение, 1988
30. Термопласты для производства композитов конструкционного назначения.-Modern Plastics, Vol. 62, No. 2, 1985, pp. 44−47
31. Т. Фудзии, М.Дзако. Механика разрушения композиционных материалов.-М.: Мир, 1982
32. Р.Хилл. Математическая теория пластичности.- М.: ГИТТЛ, 1956
33. Химическая энциклопедия: В 5 т.: т. 4: Полимерные Трипсин / Редкол.: Зефиров Н. С. (гл. ред.) и др.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1995
34. Хорошун Л. П., Шикула Е. Н. Нелинейное деформирование слоисто-волокнистых композитов .- Прикладная механика, т. 31, № 6, 1995, с. 49−56
35. С. Цай, Х.Хан. Анализ разрушения композитов. // Неупругие свойства композиционных материалов. М.: Мир, 1978
36. Чиао Т. Т. Некоторые инженерные механические свойства композитных материалов . // Разрушение композитных материалов. Рига: Зинатне, 1979. с. 240 243
37. P. Beaumont, е. а. // J. Mater. Sci., Vol. 7, 1972. p. 1265
38. J. Brillaud, A. El Mahi. Numerical Simulation of the Influence of Stacking Sequence on Transverse Ply Cracking in Composite Laminates. Composite Structures, Vol. 17, No 1, 1991, p. 23−35
39. L.J.Broutman. Composite Engineering Laminates.- MIT Press, 1969
40. W.S.Chan, A.S.D.Wang. Effects of a 90° Ply on Matrix Cracks and Edge Delamination in Composite Laminates. Composites Science and Technology, Vol. 38, No. 2, 1990, pp. 143−158
41. L J. Chen, C.T.Sun. A New Plasticity Theory for Anisotropic Fiber Composites.-2-nd International Symposium of Composite Materials and Structures, Pekin, 1992
42. Dasai M.B., Melarri F.J., Failure Mechanisms in Glass Fiber Reinforced Plastics, ASTM, Bull., 76, July 1976
43. J. Echaabi, F.Trochu. A Methodology to Derive the Implicit Equation of Failure Criteria for Fiborous Composite Laminates.- J. of Composite Materials, Vol. 30, No. 10, 1996, pp. 1088−1113
44. Flight International, No. 4019, 1986, p. 12
45. K.W.Garett, J.E.Bailey. Multiple Transverse Fracture in 90° Cross-Ply Laminates of a Glass Fiber-Reinforced Polyester. J. Material Sci., Vol. 12, 1977, pp. 157−168
46. T.S.Gates, C.T.Sun. Elastic/Viscoplastic Constitutive Model for Fiber Reinforced Thermoplastic Composites.- AIAA Journal, Vol. 29, No. 3, 1989
47. W.J.Goodey. Stress Diffusion Problems.- Aircraft Engineering, November 1946, pp. 385 389
48. K.C.Gramoll, D.A.Dillard, H.F.Brinson. A Stable Numerical Solution Method for In-Plane Loading of Nonlinear Viscoelastic Laminated Orthotropic Materials.-Composite Structures, Vol. 13, No. 4, 1989, pp. 251−274
49. Y.M.Han, H.T.FIahn, R.B.Croman. A Simplified Analysis of Transverse Ply Cracking in Cross-Ply Laminates. Proc. 2-nd Conf. of ASC, Un of Delaware, Sept. 1987, pp. 503−514
50. Z.Hashin. Analysis of Cracked Laminates: A Variational Approach. Mechanics of Materials, Vol. 4, 1985, pp. 121−136
51. C. Henaff-Gardin, M.C.Lafarie-Frenot. Fatigue Transverse Ply Crack Propagation in Fiber Reinforced Composite Laminates. Proc. 10-th Int. SAMPE Conf., Birmingham, UK, 11−13 July 1989, ed. Cook, pp. 145−153
52. C.T.Herakovich. Mechanics of Fibrous Composites.- N.-Y.: John Wiley and Sons, Inc., 1998
53. J.M.M. de Kok, H.E.H.Meijer, A.A.J.M.Peijs. The Influence of Matrix Plasticity on the Failure Strain of Transversely Loaded Composite Materials.- Proc. of ICCM-9, Vol. 5, 1995, pp.242−249
54. P.A.Lagace. Nonlinear Stress-Strain Behavior of Graphite/Epoxy Laminates.-AIAAJ., Vol. 23, No. 10, 1985, pp. 1583−1589
55. G. Marom, E.White.// J. Mater. Sci. Vol. 7, 1972. p.1299
56. V. Monnard, P.-E.Bourban, J.-A.E.Manson, D.A.Eckel II, J.W.Gillespie Jr., S.H.Mc-Knight, B.K.Fink. Processing and Characterization of Welded Bonds
57. Between Thermoset and Thermoplastic Composites.- Proc. of the 18th International SAMPE Europe Conference, Paris, La Defence, April 23−25, 1997, pp. 111−122
58. A. Nanda, T.Kuppusamy. Three-Dimensional Elastic-Plastic Analysis of Laminated Composite Plates.- Composite Structures, Vol. 17, No. 3, 1991, pp.213 225
59. Nonlinear Problems in Stress Analysis: Papers pres. at the 1977 Annual Conf. of the Stress Analysis Group of the Inst, of Phisics Held at the Univ. of Durham, England, 20−27 Sept. 1977/ Ed. by P.Stanley.- London: Applied science publ., cop. 1978
60. H.Ohira. Analysis of the Stress Distributions in the Cross-Ply Composite Transverse Cracking. ICCM-V (Jul.- Aug. 1985, San Diego). pp. 1115−1124
61. O. Orringer, Rainey J. Chon Shan-chin. Post-Failure Behavior of Laminates and Stress Concentration. J. of Composite Materials, Vol. 10, No. 10, 1976
62. Sarbayev B.S. On the Theory of Plasticity of Anisotropic Solids With Isotropic and Kinematic Hardening.- Computational Materials Science, Vol. 6, 1996, pp. 211 224
63. C.T.Sun. Modeling Continious Metal Matrix Composite as a Orthotropic Elastic-Plastic Material// Metal Matrix Composites: Testing, Analysis and Failure Modes. ASTM STP 1032, W.S.Johnson, editor, Am. Society for Testing and Materials, Philadelphia, 1989
64. C.T.Sun, J.T.Chen. A Simple Flow Rule for Characterizing Nonlinear Behavior of Fiber Composites.- J. of Composite Materials, Vol. 23, No. 10, 1989
65. F. Touchard, M.C.Lafarie-Frenot, D. Gamby, D. Guedra-Degeorges. Ply-Angle Variations Due to PEEK Shear Plasticity in APC2 Composite Laminates.- Proc. of ICCM-9, 1995, Vol. 2, pp. 372−379
66. K.C.Valanis. A Theory of Viscoplasticity Without a Yield Surface.- Arch, of Mech, Vol. 23, No. 4, 1971, pp. 517−551 129
67. J. Varna, L.A.Berglund. Multiple Transverse Cracking and Stiffness Reduction in Cross-Ply Laminates. J. Of Composites Technology and Research, Vol. 13, No. 2, 1991, pp. 97−106
68. J. Varna, L.A.Berglund. Thermo-Elastic Properties of Composite Laminates with Transverse Cracks. J. Of Composites Technology and Research, Vol. 16, No. 1, 1994, pp. 77−87

Другие работы

Диссертация

Публикации. Всего по теме диссертации опубликованы 8 научных работ, в том числе: 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ- 5 статей в материалах всероссийских конференций. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 137 наименований. Объем диссертации 126 страниц, включая 28...

«ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ТЕРМОПЛАСТИЧНОЙ МАТРИЦЫ И КОРОТКИХ УГОЛЬНЫХ ВОЛОКОН Маштаков А.П., Мелихов К.В., Маняк...»

ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ТЕРМОПЛАСТИЧНОЙ МАТРИЦЫ И КОРОТКИХ УГОЛЬНЫХ ВОЛОКОН

Маштаков А.П., Мелихов К.В., Маняк И.С.

АО НПП «Радар ММС»,

г. Санкт-Петербург, Россия

Экспериментально исследованы механические характеристики композиционного материала, состоящего из термопластичной матрицы, армированной короткими угольными волокнами. Характеристики получены на образцах, которые вырезались из пластин, полученных методом инжекционного литья, из серии опытов по одноосному растяжению. Процесс инжекционной отливки пластины моделировался методом конечных объемов. При этом решалась система уравнений движения полимерного расплава как вязкой Ньютоновской жидкости, дополненная уравнением Фолгера-Такера для определения тензоров ориентации волокон в матрице. Для построения аналитической модели материала использовалась двухступенчатая схема гомогенизации: сначала по схеме Мори-Танака определялись эффективные характеристики для единичного включения заданной формы, затем на основе вычисленных компонент тензора ориентации определялись эффективные характеристики всей ячейки представительного объема по схеме Фойта . Волокна принимались упругими изотропными, матрица – упруго-пластической с критерием Мизеса и изотропным, степенным законом упрочнения (J2-модель). В качестве модели разрушения была выбрана модель разрушения «первого псевдо-зерна» с критерием прочности Цая-Хилла . Характеристики матрицы и волокон, а также параметры критерия разрушения подбирались итеративно исходя из условия наилучшего совпадения расчетных и экспериментальных кривых деформирования для трех типов образцов по методу наименьших квадратов. Представленные результаты в виде сравнения кривых деформирования свидетельствуют об удовлетворительном совпадении с экспериментом как в упругой, так и в неупругой области.ЛИТЕРАТУРА

S. T. Chung and T. H. Won. Numerical Simulation of Fiber Orientation in Injection Molding of Short-Fiber-Reinforced Thermoplastics. ENGINEERING AND SCIENCE, MID-APRIL 1995, Vol. 35, NO. 7. – p. 604-618.

B. E. VerWeyst, C. L. Tucker III, P. H. Foss_, J. F. O’Gara. Fiber orientation in 3-D injection molded features: prediction and experiment/ International Polymer Processing, June 18, 1999.

Mori T, Tanaka K. Average stress in matrix and average elastic energy of materials with misfitting inclusions. Acta Metall 1973; 21:571-574.

Р. Кристенсен. Введение в механику композитов/ Р. Кристенсен. – М.: Мир, 1982. – 334 с.

S. Kammoun, I. Doghri, L. Adam, G. Robert, L. Delannay. First pseudo-grain failure model for inelastic composites with misaligned short fibers. Composites: Part A 42 (2011) 1892–1902.

J. M. Kaiser, M. Stommel. Strength prediction of short fibre reinforced polymers. Journal of Plastics Technology 8 (2012) 3, 278-300.

Похожие работы:

«Контракт № _ на оказание услуг по добровольному страхованию автотранспортного средства от ущерба, хищения или угона (КАСКО) г. Москва "" 201_г.Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институ...»

«РЕЗЮМЕ1.Сведения о себе1. Фамилия Абай2. Имя Раушан3. Отчество Мадиярызы4. Дата и место рождения 01.12.1994г. Карагандинская обл. г.Караганда5. Национальность Казашка6. Пол Женский7. Семейное положение Не замужем8. Домашний адрес Караганда, Приканал...»

«ИЗВЕЩЕНИЕ О ВНЕСЕНИИ ИЗМЕНЕНИЙ В ИЗВЕЩЕНИЕ О ПРОВЕДЕНИИ ЭЛЕКТРОННОГО АУКЦИОНА № 163/А/АВР ОТ 26.01.2017 И В ДОКУМЕНТАЦИЮ ОБ ЭЛЕКТРОННОМ АУКЦИОНЕНА ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТ ПО КАПИТАЛЬНОМУ РЕМОНТУ ОБЩЕГО ИМУЩЕСТВА МНОГОКВАРТИРНЫХ ДОМОВ (ремонт (замена и (или) восстановление) ава...»

«Общественное объединение "Белорусская федерация картинга"КЛАССИФИКАЦИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯК ГОНОЧНЫМ АВТОМОБИЛЯМ "КАРТ" Введены в действие 1 марта 2012 года Утверждены Советом БФК протокол от 25 февраля 2012 г. Минск 20...»

«"В МИРЕ ПРОФЕССИЙ"Цель: формирование профессиональной направленности учеников путем расширения их представления о строительных профессиях знакомство с программами и инициативами Президента и Правительства Российской Федерации о престиж...»

«Совет по правам человека Тридцатая сессия Пункт 5 повестки дня Правозащитные органы и механизмы Доклад Межправительственной рабочей группы открытого состава по проекту декларации Организации Объединенных Наций о правах крестьян и других лиц, работающих в сельских районах Председате...»

«Некоммерческое партнерство Саморегулируемая организация "Региональное Объединение Проектировщиков" (НП СРО "РОП") Протокол № 128 заседания Совета саморегулируемой организации Некоммерческого партнерства "Региональное Объединение Проектировщиков" 22.11.2013 г. Место проведения...»

«Роил Платинум, Очиститель бензиновой системы "Roil Platinum™ Metal Conditioner" Форма выпуска: 500 мл., 4 л.Назначение: С течением времени Ваш двигатель изнашивается от трения. Roil Platinum™ Metal Conditioner может продлить жизнь и увеличить мощность двигателя Вашего автомобиля, снизить затраты на ремонт, уменьшая...»

«УДК 621.921ВЫБОР РЕЖИМОВ ШЛИФОВАНИЯ С УЧЕТОМ ИЗНАШИВАНИЯ НСТРУМЕНТА В.В. Борисов1, И.Д. Ибатуллин1, Д.Р. Загидуллина2 1Самарский государственный технический университет 2Башкирский государственный университет Приведена методология выбора режимов шлифования деталей с учетом кин...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное автономное учреждение высшего образования"НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"УТВЕРЖДАЮ Зам. директора Института кибернетикипо учебной работе С.А. Гайворонский"_" 2015 г. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ "КОНСАЛТИНГ ПРИ АВТОМ...»

2017 www.сайт - «Бесплатная электронная библиотека - электронные документы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам , мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.

Для того чтобы правильно понять о чём идёт речь в данной статье, сначала необходимо грамотно определить словосочетание - термопластичные композиционные материалы (Т.К.М.), и ни в коем случае не путать с компаундом, так как речь идёт об абсолютно разных материалах. Итак, что же такое термопластичный композиционный материал (композит)? - это гетерогенный многофазный материал из двух или более компонентов с чёткой границей раздела между ними и качественно новыми свойствами при сохранении химической индивидуальности каждого компонента. Состоит из пластичной основы (матрицы), служащей связующим материалом, и включений различных компонентов в виде порошков, волокон и т.д.(наполнитель). Матрица обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжений между наполнителем, определяет герметичность, тепло-, влаго-, огне- и химстойкость композита, его технологические, а также теплофизические, электро- и радиотехнические свойства. Оптимальное сочетание эксплуатационных и технологических свойств направленно регулируют свойствами и содержанием матрицы и наполнителя, взаимодействуя между ними на границе раздела фаз, ориентацией наполнителя. Использование нескольких матриц (полиматричные композиты) или наполнителей различной природы (гибридные композиты) расширяет возможности регулирования свойств композитов. В качестве матрицы термопластичных композиционных материалов используются базовые марки полимеров. Современный ассортимент базовых термопластичных полимеров в зависимости от уровня их упругопрочностных свойств и деформационной теплостойкости условно разделяют на три группы.

По молекулярной структуре термопласты делят на две группы - аморфные и кристаллические. В силу особенностей строения, наибольший интерес для производителей представляют полимеры второй группы, которые могут предложить более высокий уровень физико-механических свойств и большую химическую стойкость.

Объёмы мирового производства термопластов (в 1990г. - 86млн.т., в 2000г. - 150млн.т., в 2010г., согласно прогнозам, - 258млн.т.) существенно превосходят объёмы мирового производства реактопластов. В качестве наполнителей могут использоваться твёрдые наполнители в виде порошков, волокон различной длины, тканых и нетканых структур, сформированных из волокон различной химической природы. В зависимости от выполняемых функций наполнители делят на три группы:

Инертные - барит, доломит, природный мел, мрамор и т.п. Их использование обусловлено стремлением удешевить конечный продукт, когда допустимо некоторое ухудшение свойств материала;

Активные - в основном на основе природных силикатов - волластонит, каолин, слюда, тальк. Их улучшенные технологические свойства определяются «природно-обусловленными факторами: формой частиц, уровнем их анизотропии, химией поверхности частиц в отношении полимеров;

Функционализированные или поверхностно модифицированные. Известно, что для повышения качества и конкурентоспособности композиционных материалов важное значение имеет функциональное модифицирование поверхности наполнителей органическими и/или неорганическими соединениями, которые позволяют придать наполнителю дополнительные свойства, улучшающие или оптимизирующие важные параметры термопласта. Именно третья группа наполнителей наиболее перспективна для производства термопластичных композиционных материалов.

В связи с вышесказанным, наполнитель становится носителем специальных свойств, что позволяет дополнять, заменять или экономить соответствующие технологические добавки. Применение наполнителей в полимерах позволяет регулировать свойства изделий в самом широком спектре применения.

Термопластичный композиционные материалы условно можно разделить на следующие группы в зависимости от требуемых качеств к конечному продукту и сферы применения:

Наполненные - обладают повышенными прочностными характеристиками за счёт введения минеральных наполнителей - жёсткость, прочность, сопротивление усадке;

Трудногорючие - обладают повышенной огнестойкостью и не поддерживают горение без внешнего источника пламени за счёт введения специальных добавок - антипиренов;

Адгезионные - обладают повышенными клеевыми свойствами в системах полимер-полимер, полимер-металл и т.п. за счёт модифицирования таких сополимеров как: сополимер этиленвинилацетатный, сополимер этиленэтилакрилатный;

Морозостойкие - обладают повышенной стойкостью к низким температурам за счёт введения минеральных наполнителей и эластомеров;

Сшитые - обладают повышенной термостойкостью, прочностью и жёсткостью за счёт радиационной или химической сшивки полимера;

Полиматричные - обладают дополнительными свойствами отличными от базовых марок за счёт смешения различных марок полимеров;

Гибридные - обладают расширенными возможностями регулирования свойств композита за счёт введения наполнителей различной природы.

Одной из ведущих проблем современного материаловедения является создание нового поколения термопластичны композиционных материалов, которые бы удовлетворяли достаточно противоречивым требованиям производителей и потребителей.

Словарь.

Пластические массы (пластмассы, пластики) - конструкционные материалы, содержащие полимер, который при формировании изделия находится в вязкотекучем состоянии, а при его эксплуатации - в стеклообразном. В зависимости от причины перехода из вязкотекучего в стеклообразное состояние, происходящего при формовании изделий, пластмассы подразделяют на реактопласты и термопласты.

Полимеры - высокомолекулярные соединения, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок, или мономерных звеньев, соединённых между собой химическими связями.

Термопласты - полимерные материалы, допускающие многократный переход в вязкотекучее состояние при нагревании.

Реактопласты, термореактивные пластмассы - полимерные материалы, при нагревании или под действием отвердителей переходящие в неплавкое и нерастворимое состояние.

Эластомеры - полимеры и материалы на их основе. Обладающие высокоэластичными свойствами в широком диапазоне температур их эксплуатации.Типичные эластомеры - каучуки и резины.

Компаунды полимерные - композиции на основе термореактивных олигомеров (эпоксидных и полиэфирных смол, жидких кремнийорганических каучуков) или мономеров (метакрилатов, исходных веществ для синтеза полиуретанов), предназначенные для изоляции токопроводящих схем и деталей в электротехнической, радиотехнической и электронной аппаратуре. Основные требования к компаундам: отсутствие летучих веществ; достаточно большая жизнеспособность; низкая вязкость.

Теплостойкость полимеров - способность сохранять твёрдость (то есть не размягчаться) при повышении температуры. Количественный показатель теплостойкости в этих случаях - температура, при которой деформация образца в условиях действия постоянной нагрузки не превышает некоторую величину.

(всего в 12 статьях)

Краткие сообщения
Механика деформируемого твердого тела

Структурно-феноменологические модели прогнозирования упругих свойств высокопористых композитов

Аннотация: Рассматривается структурно-феноменологический подход к прогнозированию упругих свойств высокопористых композитов. Предлагаются нелинейные локально-эргодинамические модели прогнозирования упругих свойств, которые характеризуются более узкой вилкой Фойгта-Рейсса по сравнению с аналогичной вилкой, полученной на основе линейных моделей. Выводятся аналитические формулы для расчёта корреляционной поправки. Последующие приближения, учитывающие моментные функции высших порядков поля упругих свойств, не приводятся, так как они не вносят заметного вклада в полученное первое приближение.

Ключевые слова: высокопористые композиты, структурно-феноменологический подход, упругие свойства, нелинейные локально-эргодические модели, моментные функции

Реферативные базы данных:

Тип публикации: Статья
УДК: 539.3
MSC: 74A40
Поступила в редакцию 20/III/2010
в окончательном варианте - 12/VIII/2010

Образец цитирования: Е. Ю. Макарова, Ю. В. Соколкин, А. А. Чекалкин, “Структурно-феноменологические модели прогнозирования упругих свойств высокопористых композитов”, Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки , 5(21) (2010), 276-279

Цитирование в формате AMSBIB

\RBibitem{MakSokChe10}
\by Е.~Ю.~Макарова, Ю.~В.~Соколкин, А.~А.~Чекалкин
\paper Структурно-феноменологические модели прогнозирования упругих свойств высокопористых композитов
\jour Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки
\yr 2010
\vol 5(21)
\pages 276--279
\mathnet{http://mi.сайт/vsgtu809}
\crossref{https://doi.org/10.14498/vsgtu809}

Образцы ссылок на эту страницу: