Влияние плазмохимической модификации поверхности углеродных волокон на механизм разрушения углепластиков Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 539.3

ВЛИЯНИЕ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЙ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН НА МЕХАНИЗМ РАЗРУШЕНИЯ УГЛЕПЛАСТИКОВ

© Е.С. Ананьева, С.В. Ананьин

Алтайский государственный технический университет, г. Барнаул, Россия, e-mail: eleana2004@mail.ru

Ключевые слова: композит; углепластик; сдвиговая прочность; адгезия; плазма.

Показана эффективность плазмохимической модификации поверхности углеродных волокон. Представлены результаты сдвиговых испытаний и испытаний на изгиб эпоксидных микропластиков на основе обработанных углеродных волокон. Показаны поверхности разрушения образцов.

Особенность строения композитов на основе непрерывных углеродных волокон (УВ), различные виды дефектов материала обеспечивают разнообразие механизмов разрушения и их взаимодействия, что затрудняет прогнозирование долговечности углепластиков. Анализ возможных механизмов разрушения указывает на необходимость усиления взаимодействия на меж-фазной границе углеродное волокно-полимер [1], т. к. расслоение по границе раздела и межфазному слою являются наиболее вероятными причинами разрушения углепластиков при сжатии и сдвиге. Следовательно, важнейшей задачей на сегодняшний день в области создания и применения армированных пластиков является совершенствование методов поверхностной обработки волокнистых наполнителей и нахождение корреляционной зависимости прочности слоистого композита от уровня межфазного взаимодействия. Наибольший интерес в практическом плане представляет собой возможность модификации поверхности с применением низкотемпературной высокочастотной газоразрядной плазмы неполимеризующихся газов (пары соединений, содержащих тройные, двойные связи и ароматические структуры) [2, 3].

Плазмохимическая модификация углеродных волокон марки УКН-500 осуществлялась на лабораторной установке, позволяющей получить контролируемый химический состав плазмы при давлении порядка 100 Па на частоте 40,68 МГц, в интервале времен от 1 до 10 минут [4-6]. Характерный вид поверхности углеродного волокна до и после обработки представлен на рис. 1.

Анализ полученных данных свидетельствует об увеличении удельной поверхности волокна за счет удаления слабосвязанного слоя пироуглерода, наведения активных центров, прививки функциональных групп определенной природы. Важно заметить, что воздействие плазмы затрагивает только поверхностные слоя волокна, не затрагивая объема. Это обусловлено тем, что интенсивность плазмы на поверхности выше, чем у других ионизирующих излучений. В табл. 1 представлены результаты сдвиговых испытаний эпоксидных микропластиков, армированных углеродными волокнами до и после обработки в течение 5 мин. Полученные данные свидетельствуют о том, что достижение высокой адгезии не является достаточным условием повышения сдвиговой прочности углепластика.

а)

б)

Рис. 1. Внешний вид поверхности исходного углеродного волокна УКН-5000 (а) и обработанного в плазме паров диметилформа-мида (5 мин), углеродного волокна УКН-5000 (б) - (РБ-8БМ)

Таблица 1

Экспериментальные значения адгезионной и сдвиговой прочности эпоксидного связующего к углеродным волокнам

Плазмо- образующие соединения Адгезионная прочность*, МПа Сдвиговая прочность*, МПа

Анилин 70 100

К,К-диметиланилин 69 110

Диметилформамид 160 80

Этилендиамин 28 120

Стандарт 41 30

* Погрешность измерения указанных величин не превышает 7 %.

Только оптимальное взаимодействие на границе раздела волокно - полимер обеспечивает повышение сдвиговой прочности углепластика. На рис. 2 представлен характерный вид поверхности разрушения углепластика на основе обработанных волокон.

На представленной фотографии отчетливо видно, что разрушение при сдвиге под воздействием касательных напряжений происходит именно по границе раздела, поверхность волокон практически не содержит полимера.

Анализ поверхностей разрушения однонаправленных образцов углепластика при испытаниях на изгиб (рис. 3) наглядно демонстрирует смену механизмов разрушения с комбинированного (хрупкое с вытягиванием волокон и развитием областей микрорасслоения) на хрупкое.

Представленные результаты экспериментальных исследований по модификации поверхности углеродных волокон доказывают эффективность плазмохимического метода модификации поверхности, что обусловлено увеличением прочности адгезионного взаимодействия на границе полимер - волокно и сдвиговой прочности материала (по сравнению с необработанными волокнами) [6, 7]. Увеличение адгезионного взаимодействия в исследуемых образцах, возможно, достигается за счет прививки на поверхность функциональных групп определенной природы (в частности аминогрупп). Увеличение сдвиговой прочности связано с относительно равномерным распределением этих групп по поверхности. Однако высокая концентрация может дать отрицательный эффект. Локальная адгезия будет иметь высокое значение, а сдвиговая прочность упадет. Это может быть обусловлено тем, что в месте концентрации за счет сильного химического взаимодействия локализуется концентрация напряжений, и при приложении нагрузки эта напруга инициирует расслоение по межфазной границе.

Рис. 2. Фотография поверхности разрушения при сдвиге углепластика на основе эпоксидного связующего (х200)

Рис. 3. Внешний вид поверхности разрушения эпоксидного микропластика на основе исходных углеродных волокон (а) и обработанных в плазме (б) при изгибе (х 10000)

ЛИТЕРАТУРА

1. Горбаткина Ю.А. Адгезионная прочность в системах полимер -волокно. М.: Химия, 1987. 192 с.

2. Русланов В.Д., Фридман А.А. Физика химически активной плазмы. М.: Наука, 1984. 415 с.

3. Гриневич В.И., Максимов А.И. Применение низкотемпературной плазмы в химии. М.: Наука, 1981. С. 135-169.

4. Ананьева Е.С., Аникеева Л.М., Маркин В.Б. Выбор методов обработки поверхности углеродных волокон для совмещения их с полимерной матрицей // Сб. науч. тр. междунар. науч.-практ. конф. Казань: Изд-во «Магариф», 2001. С. 80-82.

5. Ананьева Е.С., Аникеева Л.М., Маркин В.Б. Управление процессами структурообразования в полимерных композиционных материалах // Сб. материалов междунар. науч.-практ. конф. Пенза, 2000. С. 89-91.

6. Ананьева Е.С., Маркин В.Б., Ананьин С.В. Эффективность применения плазмохимической модификации поверхности углеродных волокон для оптимизации взаимодействия на границе раздела волокно - полимер // Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки: материалы 7 междунар. практ. конф.-выставки. СПб.: Изд-во политехн. ун-та, 2005. С. 381-391.

7. Ананьева Е.С., Аникеева Л.М., Маркин В.Б. Процессы модификации компонентов и их влияние на характер разрушения углепластиков // Доклады 8 Междунар. науч.-практ. конф. СИБРЕСУРС -8-2002. Томск: ТГУ, 2002. С. 101-105.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке гранта INTAS-AIRBUS № 040-80-6791.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Ananyeva E.S., Ananyin S.V. Influence of plasma-chemical modification of carbon fibers surface on mechanism of destruction carbon plastics

Efficiency of plasma-chemical modification of surfaces of the carbon fibers is shown. The results of the shift tests on bend of epoxide micro plastics based on processed carbon fibers are presented. The surfaces of the destruction sample are shown.

Key words: composite; carbon plastic; shear strength; adhesion; plasma.