Деформационно-прочностные свойства трековых мембран и металлополимерных композитов на основе полиэтилентерефталата

Абдурашидова Гулсират Сайдуллаевна; Магомедов Гасан Мусаевич; Гумирова Венера Николаевна; Бедин Сергей Александрович; Разумовская Ирина Васильевна

6

• ••

Известия ДГПУ, №1, 2014

ФИЗИКО- МАТЕМАТИЧЕСКИЕ

НАУКИ

УДК 541.077: 678.5

ДЕФОРМАЦИОННО-ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ТРЕКОВЫХ МЕМБРАН И МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТА

STRAIN-STRENGTH PROPERTIES OF TRACK MEMBRANES AND METAL-POLYMER COMPOSITES BASED ON POLYETHYLENE TEREPHTHALATE

Бедин С. А.*, Разумовская И. В.* Дагестанский государственный педагогический университет ^Московский педагогический государственный университет © 2014 Abdurashidova G. S., Magomedov G. M., Gumirova V. N.*,

Bedin S. A.*, Razumovskaya I. V.* Dagestan State Pedagogical University * Moscow Pedagogical State University

Резюме. Деформационно-прочностные свойства трековых мембран и метало-полимерных композитов на основе полиэтилентерефталата существенно зависят от взаимодействия полей упругих напряжений вокруг пор и металлического наполнителя. Увеличение диаметра пустых и заполненных металлом пор приводит к уменьшению прочности и разрушающей деформации трековых мембран и металлополимерных композитов.

Abstract. Strain-strength properties of track membranes and metal-polymer composites based on polyethylene terephthalate significantly depend on the interaction of the fields of elastic stresses around then and metal filler. The increase in the diameter of blank and filled with metal then leads to the decrease of strength and destructive deformation of track membranes and metal-polymer composites.

Rezjume. Deformacionno-prochnostnye svojstva trekovyh membran i metallopolimernyh kompozitov na osnove polijetilentereftalata sushhestvenno zavisjat ot vzaimodejstvija polej upru-gih naprjazhenij vokrug por i metallicheskogo napolnitelja. Uvelichenie diametra pustyh i zapol-nennyh metallom por privodit k umen’sheniju prochnosti i razrushajushhej deformacii trekovyh membran i metallopolimernyh kompozitov.

Ключевые слова: трековые мембраны, металлополимерный композит, полиэтилен-терефталат, прочность, разрушающая деформация, диаметр пор.

Keywords: track membranes, metal-polymer composite, polyethylene terephthalate, strength, fracture strain, the diameter of pores.

Kluchevye slova: trekovye membrany, metalopolimerniy kompozit, polietilentereftalat, proch-nost’, razrushayuschaya deformaciya, diametrpor.

Естественные и точные науки •••

7

Трековые мембраны (ТМ) или ядерные фильтры представляют собой полимерные пленки, треки в которых пробиты на ускорителе ионами Xe, Ar и др. В качестве полимера для ТМ в России используется полиэтилентерефталат

(ПЭТФ), за рубежом - поликарбонат [3]. Существенным достоинством ТМ как фильтров является одинаковый размер пор, который можно варьировать температурой и временем травления первоначальных треков в полимерной пленке [6].

Используя ТМ как матрицу, получают металлические микро- или нанопроволоки, композиционный материал поли-мер/металл на основе матричного синтеза. При этом поры частично или полностью заполняются требуемым веществом [1].

Несмотря на применение ТМ в качестве фильтров, деформационнопрочностные свойства ТМ и композитов полимер/металл на их основе в зависимости от пористости и диаметра пор практически не изучены. Механическое поведение композита определяется структурой и свойствами наполнителя и матрицы, их объемным содержанием, а также адгезионным взаимодействием между ними. Прочность, деформация ТМ и композиционного материала полимер/металл на их основе зависят от реального рабочего сечения образца (из-за пористости); концентрации напряжений на порах и взаимодействия упругих полей напряжений вокруг пор. Свойства и характеристики создаваемого композиционного материала также зависят от выбора исходных компонентов и технологии их совмещения [2].

Для сравнительного анализа проведены исследования механических характеристик ТМ и композиционных материалов полимер/металл на их основе, а также необлученный ПЭТФ, прошедший тот же режим травления, что и ТМ. Прочность и разрывная деформация в режиме одноосного растяжения определялись с применением универсальной испытательной машины Autograph AGS - 500N фирмы «Shimadzu» при постоянной скорости растяжения 2 мм/мин. Образцы вырезались с помощью вырубной установки RAY-RAN (Великобритания) и имели размеры 5х30 мм, толщиной 12 мкм. Поля напряжений на порах и взаимодействие пор были изучены оптическим цифровым микроскопом Альтами

ПОЛАР 312 и оптическим микроскопом МБС-9 с помощью горизонтальной растяжной машины до определенной величины растяжения.

В качестве матрицы материала полимер/металл применялись промышленные трековые мембраны на основе полиэтил ентерефталата, толщиной 12 мкм, облученные высокоэнергетичными ионами Кг, плотность пор n менялась от 2,08*106 см-2 до 1,04*109 см-2, диаметры пор - от 0,06 мкм до 2,883 мкм. На них осаждались металлы Си, Ni гальваническим методом. Трековые мембраны на основе ПЭТФ были предоставлены Объединенным институтом ядерных исследований, г. Дубна.

Получение композита полимер/металл на основе ТМ производилось в следующей последовательности (рис. 1): а) металлизация одной из сторон матрицы методом напыления золота в вакууме для создания очень тонкого токопроводящего слоя толщиной 50-60 нм, которая на прочность материала не влияет или влияет слабо; б) гальваническое заполнение пор ТМ металлами: медью и никелем.

Для осаждения каждого металла был использован соответствующий электролит: для меди CuSO4*5H2O+H2SO4, для никеля NiSO4*7H2O+H2SO4.

— Трековая мембрана

а ^

= = «= =э =-----Золотое напыление

толщиной 50-60 нм

б

Металлические проволоки в порах трековой мембраны

Рис. 1. Схема получения композита полимер/металл на основе ТМ с цилиндрической формой пор

Наличие пор в ТМ приводит к следующим эффектам: к уменьшению

прочности ТМ примерно в 2 раза из-за возникновения перенапряжений на порах (рис. 2) и взаимодействия полей упругих напряжений вокруг пор, когда расстояние между двумя порами меньше пяти их диаметров (рис. 3).

Коэффициент концентрации напряжения в на цилиндрических порах, перпендикулярных к поверхности пленки, равен трем [4]. Однако деформация формы поры при растяжении (рис. 2) приводит к уменьшению р. Это было наглядно подтверждено модельными

8

• ••

Известия ДГПУ, №1, 2014

экспериментами с отверстиями диаметром 0,3 мм, нанесенными на полимерную пленку с помощью сверлильной установки Proxxon FBS 240/E (Германия) [1; 5] (рис. 2).

а) б)

Рис. 2. а) моделирование поры круглым отверстием диаметром 0,3 мм, просверленным в полиимидной пленке; б) искажение формы, отверстия в модельном эксперименте при растяжении образца со скоростью 2 мм/мин до 100% деформации

б)

St ч

%

в)

Рис. 3. Моделирование взаимодействия пор отверстиями с диаметром d=0,3 мм, нанесенными под различными углами к направлению растяжения слева направо: а) 90°; б) 45о; в) О. Растягивающее напряжение 15МПа

Проведены исследования деформационно-прочностных свойств ТМ 2-х серий образцов: с параллельными порами, расположенными перпендикулярно к поверхности и под углом 450 к поверхности.

Изучались трековые мембраны с плотностью пор n = 4,41*107 см -2 и диаметрами пор d = 0,06-0,974 мкм. Наполнителями для образцов, расположенных перпендикулярно к поверхности, были медь и никель, а для образцов под углом 450 - медь.

Установлено, что для всех образцов треков мембран и композитов на их основе предельная прочность и разрывная

деформация с увеличением диаметра пор уменьшается (рис. 4-7).

Рис. 4. Зависимость предельной прочности от диаметров пор ТМ и композита полимер/металл на их основе с параллельными порами (плотность пор 4,41*10 см 2), расположенными перпендикулярно к поверхности: 1- НО, 2-ТМ, 3-ТМ+Си,4-ТМ+Си обр.30мин, 5-ТМ+Ni, б-ТМ+Ni обр.20 мин

Рис. 5. Зависимость разрывной деформации от диаметров пор в ТМ и композита полимер/металл на их основе с параллельными порами (плотность пор 4,41*10 см 2 ), расположенными перпендикулярно к поверхности:

1- НО, 2-ТМ, 3-ТМ+Си,4-ТМ+Си обр.30 мин, 5-ТМ+Ш, б-ТМ+Ni обр.20 мин

200

| 150 л

§ 100 X

50

С

0

0,2 0,4 0,6 0,8

d, мкм

Рис. б. Зависимость предельной прочности от диаметров пор в ТМ и композита полимер/металл на их основе с параллельными порами (плотность пор 4,39*10 см 2), расположенными под углом 450:1-НО, 2-ТМ, 3-ТМ+Си,4-ТМ+Си мягкая ткань

Естественные и точные науки •••

Рис. 7. Зависимость разрывной деформации от диаметров пор в ТМ и композита полимер/металл на их основе с параллельными порами (плотность пор 4,39*1° см 2 ), расположенными под углом 45°: НО, 2-ТМ, 3-ТМ+Си,4-ТМ+Си мягкая ткань

Уменьшение прочности трековых мембран для образцов с параллельными порами, расположенными перпендикулярно к поверхности (рис. 4, 6), с d> 0,5 мкм, можно объяснить взаимодействием полей упругих напряжений вокруг пор (рис. 3). При увеличении диаметра пор характер разрушения меняется, и они становятся более хрупкими. Для малых диаметров пор (d <0,5 мкм) в пределах ошибок эксперимента прочность и разрывная деформация трековой мембраны совпадают с прочностью и разрывной деформацией необлученного полиэтилентерефталата, прошедшего тот же режим травления, что и трековая мембрана. Это можно объяснить тем, что малые поры не так опасны с точки зрения разрушения, как и собственные дефекты. Этот же эффект наблюдается и для образцов с параллель-

9

ными порами, расположенными под углом 450 к поверхности (рис. 6, 7).

Теперь рассмотрим композит полимер/металл на основе ТМ. Эксперимент показал, что прочность композитов ТМ/медь при исследованных значениях плотности пор n меньше прочности матричного трекового мембрана (рис. 47). Это означает, что эффект уменьшения концентрации напряжения за счет деформации поры при растяжении для поры с металлом внутри не наблюдается или он ослаблен. Металлический «цилиндрик» в поре фиксирует ее ширину при деформации и не дает превратиться в безопасную «щель».

Прочность и разрывная деформация композита ТМ/медь имеют более высокие показатели, чем у композита ТМ/никель (рис. 4, 5). Объясняется это тем, что прочность самого материала меди меньше прочности никеля. Можно заключить, что чем прочнее сам материал наполнителя в композите, тем меньше деформируется композит по сравнению с исходной трековой мембраной.

Выводы

1. Механические свойства ТМ и композитов полимер/металл на их основе в существенной степени зависят от взаимодействия полей упругих напряжений вокруг пор или вокруг металлических частиц, заполнивших поры.

2. Увеличение диаметра пустых и заполненных пор приводит к уменьшению прочности ТМ и композитов полимер/металл на их основе.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение № 14.B37.21.°38°.

Литература

1. Бедин С. А. Получение и исследование металлических реплик на основе трековых мембран. Дисс. ... канд. физ.-мат. наук. М., 2012. 2. Гумирова В. Н., Разумовская И. В., Апель П. Ю., Бедин

С. А., Баженов С. Л., Абдурашидова Г. С. Методы определения распределения пор по поверхности трековых мембран // Преподаватель XXI века. 2013. № 2. С. 207-213. 3. Гумирова В. Н. Влияние пор и их фрактального распределения на прочность трековых мембран // Перспективные материалы. 2008. Вып. 5. С. 650-655. 4. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика.

Теория упругости, М. : Наука, 1987. Т. VII. 248 с. 5. Разумовская И. В., Гумирова В. Н., Апель

П. Ю., Баженов С. Л. Влияние пор в трековых мембранах на их прочность // Преподаватель XXI века. 2009. № 1. С. 206-215. 6. Трековые мембраны: синтез, структура, свойства и применения. Сборник статей / под ред. П. Ю. Апеля, Б. В. Мчедлишвили, М., 2004.

References

1. Bedin S. A. Obtaining and study of metal replicas on the basis of track membranes. Diss. Cand. of Physics and Mathematics. Moscow. 2012. 2. Gumerova V. N., Razumovskaya I. V., Apel P. Yu., Begin S. A., Bazhenov S. L., Abdurashidova G. S. Methods of determination of pore distribution on the surface of track membranes // Teacher of the 21st century. 2013. # 2. P. 207-213. 3. Gumerova V. N. The Impact of pores and their fractal distribution strength track of membranes // Promising

10

• ••

Известия ДГПУ, №1, 2014

materials. 2008. Edit. 5. P. 650-655. 4. Landau L. D., Lifshiz E. M. Theoretical physics. Theory of

elasticity, M. : Nauka, 1987. V. VII. 248 p. 5. Razumovskaya I. V., Gumirova V. N., Apel P. Yu., Bazhenov S. L. Vliyanie por v trekovyh membranah na ih prochnost // Teacher of the 21st century.

2009. # 1. P. 206-215. 6. Track membranes: synthesis, structure, properties and applications. Collection of articles / ed. by P. Yu. Apel, B. V. Mchedlishvili, M. :2004.

Literatura

1. Bedin S. A. Poluchenie i issledovanie metallicheskih replik na osnove trekovyh membran, Disser-taciya na soiskanie uchenoy stepeni kandidata fiziko-matematicheskih nauk. Moskva. 2012.

2. Gumirova V. N., Razumovskaya I. V., Apel P. Y., Bedin S. A., Bazhenov S. L., Abdurashidova G. S. Metody opredeleniya raspredeleniya por po poverhnosti trekovyh membra // Prepodavatel XXI vek. 2013. № 2. S. 207-213. 3. Gumirova V. N. Vliyanie por i ih fraktal'nogo raspredeleniya na prochnost' trekovyh mebran // Perspektivnye materialy. 2008. Vyp. 5. S. 650-655. 4. Landau L. D., Lif-shits E. M. Teoreticheskaya fizika. Teoriya uprugosti, M. : Nauka, 1987. T. VII. 248 s.

5. Razumovskaya I. V., Gumirova V. N., Apel P. Y., Bazhenov S. L. Vliyanie por v trekovyh membranah na ih prochnost // Prepodavatel XXI vek. 2009. № 1. S. 206-215. 6. Trekovye membrany: sintez, struktura, svoistva i primeneniya. Sbornik statey / pod red. P. Y. Apelya, B. V. Mchedlishvili,

M. :2004.

Статья поступила в редакцию 14.01.2014 г.

УДК 537.6

ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ И КРИТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ТРЕХВЕРШИННОЙ ФЕРРОМАГНИТНОЙ МОДЕЛИ ПОТТСА НА ТРЕУГОЛЬНОЙ РЕШЕТКЕ

PHASE TRANSITIONS AND CRITICAL PHENOMENA IN TWO-DIMENSIONAL 3-STATE FERROMAGNETIC POTTS MODEL ON A TRAINGULAR LATTICE

H. I. Amirkhanov Institute of Physics of Daghestan Scientific Centre of RAS * Dagestan State Pedagogical University

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Резюме. Методом Монте-Карло исследуются фазовые переходы в двумерной ферромагнитной модели Поттса с числом состояний спина q=3 на треугольной решетке. Рассмотрены системы с линейными размерами Ь=20М20. Методом кумулянтов Биндера четвертого порядка показано, что в двумерной ферромагнитной модели Поттса наблюдается фазовый переход второго рода. На основе теории конечно-размерного скейлинга рассчитаны статические критические индексы, теплоемкости, восприимчивости, намагниченности и индекса радиуса корреляции.

Abstract. Phase transitions in two-dimensional ferromagnetic Potts model with a number of spin states q = 3 on the triangular lattice are study by Monte-Carlo method. The systems of linear

Текст научной работы на тему «Деформационно-прочностные свойства трековых мембран и металлополимерных композитов на основе полиэтилентерефталата»