К.т.н. Круглова А.Н., к.т.н. Болтышев С.А.
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства (Россия)
Математическое моделирование в исследовании механических свойств эпоксидных композитов
Современные материалы на основе полимерных вяжущих находят все более широкое применение в самых различных областях промышленности. Во многом причиной этому является разнообразие их свойств, которые можно варьировать как путем создания новых типов полимеров, так и разрабатывая новые технологии получения полимерных материалов из уже имеющихся типов полимеров или путем их модификации.
Однако широкому применению полимерных материалов в качестве конструкционных материалов препятствует то обстоятельство, что такой важнейший показатель механических свойств, как прочность, у полимеров значительно ниже, чем у металлов. Кроме того, несмотря на достигнутый в последние десятилетия прогресс в области физики прочности полимеров, наши знания о физической прочности и процессах разрушения полимеров еще недостаточны для выработки четких рекомендаций по повышению их прочности. Основной причиной низкой прочности полимерных материалов (не рассматривая прочность химической связи) является несовершенство их структуры.
Для полимеров характерна сложная гетерогенная (неоднородная) структура на надмолекулярном уровне, которая определяется, в основном, условиями переработки полимеров в изделие и обусловлена их цепочечным строением.
В процессе эксплуатации изделия из полимеров подвергаются различным воздействиям: механическому, температурному, различным видам облучения, влиянию поверхностно-активных сред и др. Однако в любом случае материал должен обладать некоторой минимальной прочностью. Поэтому особое значение приобретают совершенствование экспериментальных методов оценки прочности и изучение механизмов разрушения полимеров [1].
Приведем
результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств наполненных
эпоксидных связующих. В качестве эпоксидной матрицы использовалась эпоксидная
смола ЭД-20, отверждаемая полиэтиленполиамином.
Объектом исследования
являлись:
– эпоксидное связующее,
наполненное аппретированным ОПОС (отходы производства оптического стекла);
–
эпоксидное
связующее, наполненное техническим углеродом.
На основе экспериментальных
данных построены экспериментально-статистические (ЭС) модели предела прочности
при сжатии наполненного связующего. Линии равной прочности при сжатии
(построенные по ЭС-моделям) приведены на рис. 1 и 2.
|
Рис.1. Линии равной
прочности при |
Рис.2. Линии равной
прочности при сжатии ЭС на основе технического углерода |
Двуэкстремальный
характер зависимостей прочности от объёмной степени наполнения отражает
структурные трансформации в эпоксидном связующем. Образование жёсткого каркаса
из частиц наполнителя, связанных прослойками плёночной фазы матрицы,
сопровождается выходом прочностных показателей на максимальное значение.
Формирование на частицах наполнителя слоя аппрета оптимальной толщины
сопровождается дополнительным возрастанием прочности на 11%. Модификация
вяжущего фторхлоруглеродными жидкостями приводит к росту прочности связующего
(наполненного техническим углеродом) на 17%.
Построенные по
результатам экспериментального исследования модели предела прочности при изгибе
(МПа) имеют вид:
– для связующего на основе
ОПОС:
;
– для связующего на основе
технического углерода:
,
где x1 –
кодированное значение объёмной степени наполнения; x2 – кодированное значение расчётной толщины слоя
аппрета (0...7,5 нм) или кодированное значение концентрации модификатора
(0...3%).
Максимальное значение предела прочности
при изгибе соответствует составам с несколько меньшей объёмной степенью
наполнения. Аппретирование способствует возрастанию предела прочности при
изгибе на 15%; введение модификатора росту этого показателя на 4%. Для составов
с избытком наполнителя предел прочности при изгибе определяется почти исключительно
объёмной степенью наполнения и слабо зависит от способа введения и концентрации
модификатора [2].
Литература:
1.
Карташов, Э.М.
Струрктурно-статистическая кинетика разрушения полимеров [Текст] / Э.М.
Карташов, Б. Цой, В.В. Шевелев. – М.: Химия, 2002. – 736 с.
2.
Круглова А.Н. Структура
и свойства радиационно-защитных эпоксидных композитов на аппретированном
наполнителе: дисс. – канд. техн. наук: 05.23.05 /Круглова Альбина Николаевна. –
Пенза, 2011. – 226 с.