Научная статья на тему 'Дослідження адгезійної міцності і залишкових напружень епоксидних нанокомпозитів'

Дослідження адгезійної міцності і залишкових напружень епоксидних нанокомпозитів Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
83
12
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
епоксидний композит / адгезійна міцність / залишкові напруження / покриття / нанодисперсний наповнювач. / epoxy composite / adhesive strength / residual stresses / coating / nanodispersed filler

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — С. В. Якущенко, В. М. Гусєв, Д. П. Стухляк

У роботі обґрунтовано доцільність відновлення деталей полімерними композитами. Показано, що введення у полімер нанодисперсних часток дозволяє суттєво підвищити експлуатаційні характеристики композитних матеріалів і захисних покриттів на їх основі. Для формування композитних матеріалів використано епоксидний діановий олігомер ЕД-20, модифікатор, твердник поліетиленполіамін ПЕПА і нанодисперсні частки. Досліджено залежність вмісту нанодисперсного порошку на адгезійні властивості і залишкові напруження епоксидних композитів. Доведено, що для формування композитного матеріалу або захисного покриття з поліпшеними адгезійними властивостями оптимальний вміст часток становить 1,00 мас.ч. на 100 мас.ч. епоксидного олігомеру ЕД-20. Такі матеріали характеризуються підвищеною механічною міцністю і здатністю чинити опір статичним, динамічним навантаженням, позаяк показники їх властивостей суттєво підвищуються порівняно з матрицею. Отримані результати експериментальних досліджень залишкових напружень у покриттях добре узгоджуються з результатами випробувань зразків на адгезійну міцність, що свідчить про їх достовірність. Доведено, що введення нанодисперсного наповнювача (СНДС 1) (d = 20…80 нм), який є сумішшю нанодисперсних сполук: Si3N4 – 59,5 %; Al2O3 – 24,4 %; AlN – 10,1 %; TiN – 6,0 % за вмісту q = 1,00 мас.ч. у полімерний зв’язувач на основі епоксидного діанового олігомеру ЕД-20 (100 мас.ч.), модифікатора 2,4-діамінотолуену (1 мас.ч.) і твердника поліетиленполіаміну (10 мас.ч.) забезпечує формування матеріалу, який відзначається наступними показниками адгезійної міцності та залишкових напружень: σа = 47,5 МПа, τ = 11,2 МПа, σз= 1,7 МПа. Формування такого матеріалу забезпечує підвищення показників адгезійної міцності при відриві у 1,2 рази, адгезійної міцності при зсуві у 1,3 рази, при цьому залишкові напруження зменшуються у 2,2 рази.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE INVESTIGATION OF ADHESION STRENGTH AND RESIDUAL STRESSES OF THE EPOXY NANOCOMPOSITES

The expediency of restoring parts with polymer composites is proved in the work. It is shown that the introduction of nanodispersed particles into the polymer makes it possible to substantially improve the performance characteristics of composite materials and protective coatings based on them. The epoxy diane oligomer ED-20, modifier, hardener polyethylene polyamine PEPA and nanodispersed particles were used to forming composite materials. The dependence of the nanodisperse powder content on the adhesion properties and residual stresses of epoxy composites was studied. It has been proved that for the formation of a composite material or protective coating with improved adhesive and cohesive properties, the optimum particle content is 1.00 pts.wt. by 100 pts.wt. of epoxy oligomer ED-20. Such materials are characterized by increased mechanical strength and the ability to resist static, dynamic loads, since their properties significantly increase in comparison with the matrix. The obtained results of experimental studies of residual stresses in coatings are in good agreement with the results of testing the samples for adhesion strength, which indicates their reliability. It has been proved that the introduction of nanodispersed filler (MNDS 1) (d = 20 ... 80 nm), which is a mixture of nanodispersed compounds: Si3N4 – 59.5%; Al2O3 – 24.4%; AlN – 10.1%; TiN – 6.0% at contents q = 1.00 pts.wt. into the polymer binder on the basis of an epoxy diane oligomer ED-20 (100 pts.wt.), a modifier of 2,4-diaminotoluene (1 pts.wt.), and a polyethylene polyamine (10 pts.wt.) ensures the formation of the material which is characterized the following indicators of adhesion strength and residual stresses: σа = 47.5 MPa, τ = 11.2 MPa, σr = 1.7 MPa. The formation of such material provides an increase in the indicators of adhesion strength of 1.2 times, adhesion shear strength by 1.3 times, with residual stresses decreasing by 2.2 times.

Текст научной работы на тему «Дослідження адгезійної міцності і залишкових напружень епоксидних нанокомпозитів»

УДК 667.64:678.026

СВ. ЯКУЩЕНКО, В.М. ГУСЕВ

Херсонська державна морська академiя

Д.П. СТУХЛЯК

Терношльський нащональний техшчний унiверситет iMeHi 1вана Пулюя

ДОСЛ1ДЖЕННЯ АДГЕЗIЙНОÏ МЩНОСТ1 I ЗАЛИШКОВИХ НАПРУЖЕНЬ ЕПОКСИДНИХ НАНОКОМПОЗИТ1В

У poôomi обтрунтовано доцiльнiсть вiдновлення деталей полiмерними композитами. Показано, що введення у полiмер нанодисперсних часток дозволяе суттево пiдвищити експлуатацшт характеристики композитних матерiалiв i захисних покриттiв на ïx основi. Для формування композитних матерiалiв використано епоксидний дiановий ол^омер ЕД-20, модифтатор, твердник полiетиленполiамiн ПЕПА i нанодисnерснi частки. До^джено залежнiсть вмiсту нанодисперсного порошку на адгезшш властивостi i залишковi напруження епоксидних композитiв. Доведено, що для формування композитного матерiалу або захисного покриття з полтшеними адгезшними властивостями оптимальний вмкт часток становить 1,00 мас.ч. на 100 мас.ч. епоксидного олiгомеру ЕД-20. Таю матерiали характеризуються пiдвищеною мехатчною мщтстю i здатнiстю чинити опiр статичним, динамiчним навантаженням, позаяк показники 1'х властивостей суттево тдвищуються порiвняно з матрицею. Отримаш результати експериментальних до^джень залишкових напружень у покриттях добре узгоджуються з результатами випробувань зразюв на адгезшну мiцнiсть, що свiдчить про 1'х достовiрнiсть. Доведено, що введення нанодисперсного наповнювача (СНДС 1) (d = 20...80 нм), який е сумiшшю нанодисперсних сполук: Si3N4 - 59,5 %; Al203 -24,4 %; AlN - 10,1 %; TiN - 6,0 % за вмкту q = 1,00мас.ч. у полiмерний зв'язувач на основi епоксидного дiанового ол^омеру ЕД-20 (100мас.ч.), модифтатора 2,4^амтотолуену (1 мас.ч.) i твердника полiетиленполiамiну (10мас.ч.) забезпечуе формування матерiалу, який вiдзначаеться наступними показниками адгезшно'1 мiцностi та залишкових напружень: оа = 47,5МПа, т = 11,2МПа, аз = 1,7МПа. Формування такого матерiалу забезпечуе пiдвищення показниюв адгезшно'1 мiцностi при вiдривi у 1,2 рази, адгезшно'1 мiцностi при зсувi у 1,3 рази, при цьому залишковi напруження зменшуються у 2,2 рази.

Ключовi слова: епоксидний композит, адгезшна мщнкть, залишковi напруження, покриття, нанодисперсний наповнювач.

С.В. ЯКУЩЕНКО, В.Н. ГУСЕВ

Херсонская государственная морская академия

Д.П. СТУХЛЯК

Тернопольский национальный технический университет имени Ивана Пулюя

ИССЛЕДОВАНИЕ АДГЕЗИОННОЙ ПРОЧНОСТИ И ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

ЭПОКСИДНЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ

В работе обоснована целесообразность восстановления деталей полимерными композитами. Показано, что введение в полимер нанодисперсних частиц позволяет существенно повысить эксплуатационные характеристики композитных материалов и защитных покрытий на их основе. Для формирования композитных материалов использован эпоксидно-диановый олигомер ЭД-20, модификатор, отвердитель полиэтиленполиамин ПЕПА и нанодисперсные частицы. Исследована зависимость содержания нанодисперсного порошка на адгезионные свойства и остаточные напряжения эпоксидных композитов. Доказано, что для формирования композитного материала или защитного покрытия с улучшенными адгезионными свойствами оптимальное содержание частиц составляет 1,00 масс.ч. на 100 масс.ч. эпоксидного олигомера ЭД-20. Такие материалы характеризуются повышенной механической прочностью и способностью сопротивляться статическим, динамическим нагрузкам, поскольку показатели их свойств существенно повышаются по сравнению с матрицей. Полученные результаты экспериментальных исследований остаточных напряжений в покрытиях хорошо согласуются с результатами испытаний образцов на адгезионную прочность, что свидетельствует об их достоверности. Доказано, что введение нанодисперсного наполнителя (СНДС 1) (d = 20... 80 нм), который представляет собой смесь нанодисперсных соединений: Si3N4 - 59,5%; Al203 - 24,4%; AlN - 10,1%; TiN -6,0% при содержании q = 1,00 масс.ч. в полимерный связующим на основе эпоксидно-дианового олигомера ЭД-20 (100мас.ч.), модификатора 2,4 диаминотолуена (1 масс.ч.) и отвердителя полиэтиленполиамина (10 масс.ч.) обеспечивает формирование материала, который отмечается следующими показателями адгезионной прочности и остаточных напряжений: оа = 47,5 МПа, т = 11,2 МПа, аз = 1,7 МПа. Формирование такого материала обеспечивает повышение показателей адгезионной прочности при отрыве в 1,2 раза, адгезионной прочности при сдвиге в 1,3 раза, при этом остаточные напряжения уменьшаются в 2,2 раза.

Ключевые слова: эпоксидный композит, адгезионная прочность, остаточные напряжения, покрытие, нанодисперсный наполнитель.

S.V. YAKUSHCHENKO, V.M. HUSIEV

Kherson State Maritime Academy

D.P. STUKHLYAK

Ternopil Ivan Puluj National Technical University

THE INVESTIGATION OF ADHESION STRENGTH AND RESIDUAL STRESSES OF THE EPOXY

NANOCOMPOSITES

The expediency of restoring parts with polymer composites is proved in the work. It is shown that the introduction of nanodispersed particles into the polymer makes it possible to substantially improve the performance characteristics of composite materials and protective coatings based on them.

The epoxy diane oligomer ED-20, modifier, hardener polyethylene polyamine PEPA and nanodispersed particles were used to forming composite materials. The dependence of the nanodisperse powder content on the adhesion properties and residual stresses of epoxy composites was studied. It has been proved that for the formation of a composite material or protective coating with improved adhesive and cohesive properties, the optimum particle content is 1.00 pts.wt. by 100 pts.wt. of epoxy oligomer ED-20. Such materials are characterized by increased mechanical strength and the ability to resist static, dynamic loads, since their properties significantly increase in comparison with the matrix. The obtained results of experimental studies of residual stresses in coatings are in good agreement with the results of testing the samples for adhesion strength, which indicates their reliability.

It has been proved that the introduction of nanodispersed filler (MNDS 1) (d = 20 ... 80 nm), which is a mixture of nanodispersed compounds: Si3N4 - 59.5%; Al2O3 - 24.4%; AlN - 10.1%; TiN - 6.0% at contents q = 1.00 pts.wt. into the polymer binder on the basis of an epoxy diane oligomer ED-20 (100 pts.wt.), a modifier of 2,4-diaminotoluene (1 pts.wt.), and a polyethylene polyamine (10 pts.wt.) ensures the formation of the material which is characterized the following indicators of adhesion strength and residual stresses: da = 47.5MPa, t = 11.2 MPa, dr = 1.7 MPa.

The formation of such material provides an increase in the indicators of adhesion strength of 1.2 times, adhesion shear strength by 1.3 times, with residual stresses decreasing by 2.2 times.

Keywords: epoxy composite, adhesive strength, residual stresses, coating, nanodispersed filler.

Постановка проблеми

Епоксидш смоли е широковживаним зв'язувачем при виготовленш композитних матерiалiв (КМ) [1]. Вони характеризуются широким спектром полшшених фiзичних i xiMi4Hm властивостей, що робить Гх важливими в умовах розвитку сучасних технологш полiмерного матерiалознавства [2, 3]. Завдяки щдвищеним показникам адгезшно! мщносп до рiзноманiтних оброблених i необроблених металевих поверхонь захисш покриття на основi епоксидного зв'язувача використовують в багатьох галузях промисловосп [4, 5]. Проте, незважаючи на висою показники адгезших характеристик до металiв (насамперед до стальноГ поверхш), у агресивних середовищах, особливо за щдвищених температур, адгезшна мщшсть е недостатньою. Тому актуальним завданням на сьогодш е щдвищення адгезшноГ мщносп епоксидного зв'язувача до стальноГ основи. Одним iз ефективних способiв тдвищення адгезшних характеристик КМ е об'емна модифжащя полiмерних матерiалiв нанонаповнювачами за незначного вмюту добавок.

AH^i3 останшх дослщжень i публшацш

Авторами [6-8] дослвджено адгезшш властивосп КМ на основi епоксидних смол. Показано дощльшсть Гх використання у виглад захисних покритпв технолопчного устаткування. Встановлено [8], що полшшення властивостей КМ можна досягти шляхом введення у зв'язувач рiзних за природою та дисперсшстю добавок. Доведено [8, 9], що наночастки мають унiкальнi властивостi, що передбачае Гх щдвищену хiмiчну та фiзичну активнiсть при зшиваннi композицш. Експериментальнi випробування, описанi авторами праць [9-11], показали перспективнiсть прогнозованого полшшення фiзико-механiчних та адгезiйних властивостей КМ за рахунок введення у епоксидний зв'язувач ЕД-20 наночасток за незначного вмюту. Отже, дослiдження впливу нанонаповнювачiв на адгезiйнi властивостi епоксивмiсних композипв е актуальним завданням сучасного матерiалознавства.

Мета дослiдження

Мета роботи - дослщити вплив вмiсту нанодисперсних наповнювачiв на властивостi полiмерних композитiв для вщновлення деталей технологiчного устаткування.

Матерiали та методика дослщження

Як основний компонент для зв'язувача при формуванш епоксидних КМ вибрано епоксидний дiановий олкомер марки ЕД-20 (ГОСТ 10587-84). Як модифжатор використано 2,4-дiамiнотолуен (ДАТ). Для зшивання епоксидних композицiй використано твердник полiетиленполiамiн ПЕПА (ТУ 6-05-241-20278). Як нанодисперсний наповнювач для експериментальних дослщжень використано порошки, як1 е сумiшшю нанодисперсних сполук (СНДС) i характеризуються наступним складом, %: СНДС 1: 813М4 - 59,5; ЛЬОэ - 24,4; ЛШ - 10,1; ТШ - 6,0; СНДС 2: 813^ - 85; ЛШ3 - 5; 1Н - 5; ггИ - 5. Зернистiсть часток становить: СНДС 1 - ё = 20.. .80 нм, СНДС 2 - ё = 30.. .40 нм.

Адгезшну мiцнiсть КМ до металево! основи дослщжували, вимiрюючи руйнiвнi напруження («метод грибшв») при рiвномiрному вiдривi пари склеених зразк1в згiдно ГОСТ 14760 - 69. Дослщження адгезшно! мщносп при зсувi проводили зпдно ГОСТ 14759 - 69, аналопчно вимiрюючи силу вiдривання клейових з'еднань зразшв на автоматизованiй розривнiй машинi УМ-5 при швидкостi навантаження и = 10 м/с. Ддаметр робочо! частини зразшв при вiдривi становив - ё = 25 мм. Слщ зазначити, що площа склеювання зразшв, як дослiджували при вiдривi та зсув^ була однаковою.

Залишковi напруження у покриттях визначали консольним методом [4]. Покриття товщиною 8 = 0,3.0,8 мм формували на металевiй основа Параметри основи: загальна довжина - I = 100 мм, робоча довжина - ¡о = 80 мм, товщина - 8= 0,3 мм.

Викладення основного матерiалу дослщження

Попередньо експериментально дослщжено властивостi модифшовано! 2,4-дiамiнотолуеном i оброблено! ультразвуком епоксидно! матрицi. Доведено (рис. 1), що показники и адгезшно! мiцностi при вiдривi i зсувi, а також залишкових напружень становлять вiдповiдно: <а = 39,1 МПа, т = 8,6 МПа, <з = 3,7 МПа. На першому етапi дослщжували адгезiйнi властивостi КМ за вмюту наповнювача СНДС 1 у шлькосп q = 0,10.2,00 мас.ч. За вмюту наповнювача у кiлькостi q = 0,10 мас.ч. отримано незначне пщвищення адгезшно! мiцностi при вiдривi вщ <а = 39,1 МПа (для епоксидно! матрищ) до <а = 41,5 МПа та адгезшно! мiцностi при зсувi вщ т = 8,6 МПа до т = 9,9 МПа (рис. 1, крива 1, 2). За збшьшення вмiсту наповнювача до q = 0,50 мас.ч. спостертали додаткове тдвищення <а до 44,6 МПа, при цьому показники адгезшно! мщносп при зсувi дослiджуваного композиту залишились на тому ж рiвнi та становлять т = 9,7 МПа. За тдвищення вмюту СНДС 1 в матерiалi до 1,00 мас.ч. встановлено максимальш показники адгезiйно! мiцностi при вiдривi та зсувi: < = 47,5 МПа i т = 11,2 МПа ввдповвдно. Очевидно, це пов'язано iз наявнiстю у порошку СНДС 1 триоксиду алюмiнiю (Л12О3) - 24,4 %. Ведомо [11], що додавання наночасток Л12О3 до епоксидного зв'язувача шдвищуе адгезiйну мщшсть композипв за рахунок утворення карбоксильних груп на меж1 подiлу мгж зв'язувачем та стальною основою. Для КМ iз вмiстом нанона-повнювача у шлькосп q = 2,00 мас.ч. отримали мiнiмальнi показники властивостей. У цьому випадку адгезiйна мщшсть при вiдривi становить - <а = 41,9 МПа, мiцнiсть при зсувi - т = 7,0 МПа.

На наступному етапi дослщжували залишковi напруження, як1 виникають в тонкому шарi покриття на металевш основi. Як ведомо [3, 4], утворення залишкових напружень при полiмеризацi! зв'язувача пов'язане з тим, що у першу чергу зшивання матерiалу вiдбуваеться в приповерхневому шарi на меж1 подiлу фаз «захисне покриття - металева основам» i супроводжуеться усадкою адгезиву. Крива 3 на рис. 1 характеризуе залежнiсть залишкових напружень ввд вмiсту наповнювача СНДС 1. Встановлено, що залишковi напруження знижуються вiд <з = 3,7 МПа до < = 1,9 МПа за вмюту наповнювача -q = 0,10 мас.ч. Доведено, що при введенш у зв'язувач СНДС 1 у шлькосп q = 0,50.1,00 мас.ч. залишковi напруження знижуються вщ <з = 3,7 МПа (для модифжовано! епоксидно! матрищ) до < = 1,5.1,7 МПа. Отже, за даного вмiсту наповнювача суттево зменшуються залишковi напруження в матерiалах, що передбачае п1двищення довговiчностi i надiйностi захисних покриттiв та полiмер композитних виробiв.

Мiнiмальнi значення залишкових напружень виявлено у КМ за вмюту добавки у шлькосп q = 2,00 мас.ч. Проте, адгезшш властивостi таких КМ е також мшмальними. Отже, на основi результатiв досл1дження встановлено критичний вмют нанонаповнювача СНДС 1 у модифжованш епоксиднiй матрицi. Доведено, що введення наночасток СНДС 1 за вмюту q = 1,00 мас.ч. у полiмерний зв'язувач на основi епоксидного дiанового олiгомеру ЕД-20 (100 мас.ч.), модифшатора 2,4-дiамiнотолуену (1 мас.ч.) i твердника полетиленполiамiну (10 мас.ч.) забезпечуе формування матерiалу, який в1дзначаеться наступними показниками адгезiйно! мiцностi та залишкових напружень: <а = 47,5 МПа, т = 11,2 МПа, < = 1,7 МПа. Формування такого матерiалу забезпечуе тдвищення показнишв адгезшно! мщносп при вiдривi у 1,2 рази, адгезшно! мщносп при зсувi у 1,3 рази, при цьому залишковi напруження зменшуються у 2,2 рази.

Так1 ж дослщження адгезшно! мщносп та залишкових напружень у КМ проведено для матерiалiв з наповнювачем СНДС 2 за аналопчного дiапазону вмюту останнього. Встановлено (рис. 2), що за вмюту наповнювача - q = 0,10 мас.ч. показники адгезшно! мщносп при вiдривi та зсувi КМ пщвищуються вщ <а = 39,1 МПа (для епоксидно! матрищ) до < = 47,5 МПа та вщ т = 8,6 МПа до т = 8,8 МПа вщповщно. При цьому показники залишкових напружень знижуються вщ <з = 3,7 МПа до <з = 2,3 МПа. За збшьшення вмюту наповнювача до q = 0,50 мас.ч. спостер^али попршення адгезшних властивостей КМ до

<а = 46,9 МПа i г = 8,5 МПа. Залишковi напруження в MaTepiaii за даного вмюту добавки майже не змшюються i становлять <з = 2,2 МПа. За вмюту СНДС 2 у шлькосп q = 1,00 мас.ч. виявлено максимальне щдвищення показнишв адгезшно1' мiцностi при вiдpивi та зсувi КМ: <а = 59,2 МПа, г = 9,1 МПа (рис. 2, крива 1, 2). Показники залишкових напружень таких покритпв знижуються до <з = 1,6 МПа. Нaдaлi введення наночасток у КМ понад критичного вмюту спостертали погipшeння властивостей мaтepiaлiв i за вмюту добавки у шлькосп q = 2,00 мас.ч. формуеться композит з такими властивостями: <а = 49,7 МПа, г = 8,6 МПа, = 1,6 МПа.

оь. МПа

6.0................ О '

т. Mlla ov, МПа

3.8-Î.-4 3.0 ■ 2.6" 2.2 1.8" 1.41.00

0 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 мас.ч

Рис. 1. Залежтсть адгезшно!' мщносп 1 залишкових Рис. 2. Залежтсть адгезшно!' мщносп 1 залишкових

напружень у КМ ввд вм1сту нанонаповнювача СНДС 1: 1 — напружень у КМ ввд вмкту нанонаповнювача СНДС 2: 1 —

адгезшна м1цн1сть при в1дрив1 (оа); 2 — адгезшна м1цн1сть адгез1йна м1цн1сть при в1дрив1 (оа); 2 — адгезшна м1цн1сть

при зсув1 (т); 3 — залишков1 напруження (оз). Матер1ал при зсув1 (т); 3 — залишков1 напруження (оз). Матер1ал

основи — сталь марки Ст 3. основи — сталь марки Ст 3.

Отже, на основi результапв дослвдження встановлено критичний вмiст нанонаповнювача СНДС 2 у модифшованш епоксиднш мaтpицi. Доведено, що введення наночасток СНДС 2 за вмюту q = 1,00 мас.ч. у полiмepний зв'язувач на основi епоксидного дiaнового олпюмеру ЕД-20 (100 мас.ч.), модифшатора 2,4-дiaмiнотолуeну (1 мас.ч.) i твердника полeтилeнполiaмiну (10 мас.ч.) забезпечуе формування мaтepiaлу, який вiдзнaчaеться наступними показниками aдгeзiйноï мiцностi та залишкових напружень: <а = 59,2 МПа, г = 9,1 МПа, <з = 1,6 МПа. Формування такого мaтepiaлу забезпечуе шдвищення показнишв адгезшно1 мщносп при вiдpивi у 1,5 paзiв, aдгeзiйноï мiцностi при зсувi у 1,1 paзiв, при цьому зaлишковi напруження зменшуються у 2,3 рази.

Також було проведено яшсний aнaлiз свiтлин поверхонь дослвджуваних мaтepiaлiв за вмiсту нaповнювaчiв СНДС 1 та СНДС 2 тсля пол1меризацп. На рис. 3 наведено характерш повepхнi металевих зразк1в, на як нанесено дослвджуваний КМ iз добавкою СНДС 1. Зокрема, за вмюту наповнювача у шлькосп q = 0,25 мас.ч. та q = 0,50 мас.ч. спостер^али нepiвномipнiсть за товщиною полiмepного композиту на мeтaлeвiй поверхш, нaявнi дiлянки ввдшарування мaтepiaлiв внаслщок локальних тepмiчних напружень (рис. 3, а, б). За зб№шення вмюту наповнювача до q = 0,75 мас.ч. виявлено щдвищення його aдгeзiйноï мщносп до мeтaлeвоï основи (рис. 1), проте, також спостepiгaли утворення дeфeктiв у захисному покpиттi. На рис. 3, г наведено свгглину поверхш композиту за вмюту добавки у шлькосп q = 1,00 мас.ч. Вiзуaльно дефекпв у aдгeзивi не спостертали, вiдсутнi локaльнi тepмiчнi напруження. Нaдaлi збiльшeння кiлькостi наповнювача до q = 1,50...2,00 мас.ч. призводить до формування композитiв, яш характеризуються нeодноpiднiстю повepхнi пол1меру, незначними дшянками вщшарування мaтepiaлу (рис. 3, д - е). Отже, результати дослвдження композипв методом оптично1' мшроскопп пщтверджують результати випробувань aдгeзiйних властивостей КМ та залишкових напружень у них.

При поpiвняннi динaмiки показник1в властивостей епоксидних КМ, наповнених СНДС 1 та СНДС 2, встановлено, що полiмepнi мaтepiaли мають оптимaльнi значення адгезшно1' мiцностi та залишкових напружень за однакового вмiсту наночасток (q = 1,00 мас.ч.). Для КМ з СНДС 1 (за критичного вмюту добавки) отримали наступи значення показнишв: < = 47,5 МПа, г = 11,2 МПа, <з = 1,7 МПа; для КМ з СНДС 2 (за критичного вмюту добавки) - < = 59,2 МПа, г = 9,1 МПа, <з = 1,6 МПа. Поpiвняльний aнaлiз дозволив визначити, що КМ, наповнений СНДС 1 характеризуемся вищою адгезшною мщнютю при вщрив^ але мае нижчу aдгeзiйну мiцнiсть при зсув^ шж КМ iз СНДС 2. Зaлишковi напруження при цьому мають майже однaковi значення: <з = 1,6 МПа i <з = 1,7 МПа. Очевидно, що мaтepiaл, який мютить наповнювач СНДС 2, доречно використовувати за необхщносп захисту деталей тeхнологiчного устаткування багатошаровими покриттями. Водночас, мaтepiaл, наповнений СНДС 1, краще використовувати для нанесення на детал^ як1 при експлуатацй' зазнають тaнгeнцiaльних навантажень.

Висновки

На ocHOBi результапв дослщження встановлено критичний bmîct нанонаповнювачiв СНДС 1 i

СНДС 2 у модифжованих епоксидних композитах з полшшеними адгезшними властивостями. У результатi

проведених екcпериментiв можна констатувати наступне.

1. Доведено, що введення нанодисперсного наповнювача (СНДС 1) (d = 20.80 нм), який е cумiшшю нанодисперсних сполук: Si3N4 - 59,5 %; AI2O3 - 24,4 %; AlN - 10,1 %; TiN - 6,0 % за вмюгу q = 1,00 мас.ч. у пoлiмерний зв'язувач на ocнoвi епоксидного дiанoвoгo oлiгoмеру ЕД-20 (100 мас.ч.), модифжатора 2,4-дiамiнoтoлуену (1 мас.ч.) i твердника пoлiетиленпoлiамiну (10 мас.ч.) забезпечуе формування матерiалу, який вiдзначаетьcя наступними показниками адгезшно1 мiцнocтi та залишкових напружень: оа = 47,5 МПа, т = 11,2 МПа, а3 = 1,7 МПа. Формування такого матерiалу забезпечуе пщвищення показник1в адгезшно1 мiцнocтi при вiдривi у 1,2 рази, адгезшно1 мiцнocтi при зcувi у 1,3 рази, при цьому залишкoвi напруження зменшуються у 2,2 рази.

2. Встановлено, що введення нанодисперсного наповнювача (СНДС 2) (d = 30.40 нм), який е сумшшю нанодисперсних сполук: Si3N - 85 %; AIF3 - 5 %; IH - 5 %; ZrH - 5 % за вмюту q = 1,00 мас.ч. у пoлiмерний зв'язувач на ocнoвi епоксидного дiанoвoгo олтемеру ЕД-20 (100 мас.ч.), модифжатора 2,4-дiамiнoтoлуену (1 мас.ч.) i твердника пoлiетиленпoлiамiну (10 мас.ч.) забезпечуе формування матерiалу, який вщзначаеться наступними показниками адгезiйнoï мщносп та залишкових напружень: Та = 59,2 МПа, т = 9,1 МПа, и3 = 1,6 МПа. Формування такого матерiалу забезпечуе тдвищення показнишв адгезiйнoï мiцнocтi при вiдривi у 1,5 разiв, адгезiйнoï мщносп при зcувi у 1,1 разiв, при цьому залишкoвi напруження зменшуються у 2,3 рази.

3. Композитний матерiал, що мютить наповнювач СНДС 2, доречно використовувати як захисне покриття для деталей та механiзмiв з метою пщвищення ï\ експлуатацшних характеристик. Водночас, матерiал, наповнений СНДС 1, краще використовувати для нанесення на деталi, якi при експлуатацп зазнають тангенцiальних напружень.

Список використано'1 лiтератури

1. Mark H.F. Encyclopedia of Polymer Science and Technology / ed. By H.F. Mark. - John Wiley&Sons, 2002. -3005 р.

2. Pascault, J.R. Epoxy Polymers: New Materials and Innovations / ed. by J.R. Pascault, J.J. Williams. - John Wiley & Sons, 2010. - 367 р.

3. Стухляк П.Д. Епoкcиднo-дiанoвi композити: технолопя формування, фiзикo-механiчнi i теплoфiзичнi властивосп / П.Д. Стухляк, А.В. Букетов, О.1. Редько. - Тернотль: Крок, 2011. - 165 с.

4. Stukhlyak P.D. et al. Investigation of the Adhesive Strength and Residual Stresses in Epoxy Composites Modified by Microwave Electromagnetic Treatment // Materials Science. - 2015. - Т. 51. - №. 2. - С. 208212.

5. Букетов А.В. Вплив дрiбнoдиcперcних мшеральних добавок на властивосп пoлiмерних композипв / А.В.Букетов, М.В. Брашо // Вопросы химии и химической технологии. - 2014. - №. 1. - С. 39-43.

6. Стухляк П.Д. Епоксикомпозитш матерiали, модифжоваш ультрафюлетовим опромшенням / П.Д. Стухляк, А.В. Букетов.. - Тернотль: Збруч. - 2009. - 237 с.

7. Букетов А. Дослщження адгезiйнoï мщносп i залишкових напружень у модифжованих епоксидних композитах / А. Букетов, П. Стухляк, В. Левицький // Вюник ТДТУ. - 2008. - Том 13. - № 4. -С. 31-40.

8. Salom C. et al. Mechanical properties and adhesive behavior of epoxy-graphene nanocomposites // International Journal of Adhesion and Adhesives. - 2017. - Vol. 84. - Р. 119-125.

9. Buketov A. et al. Regularities of Impact Failure of Epoxy Composites with AhO3 Microfiller and their Analysis on the Basis of External Surface Layer Concept // Key Engineering Materials. - Trans Tech Publications, 2016. - Т. 712. - С. 149-154.

10. Buketov A.V. et al. Mechanical Characteristics of Epoxy Nanocomposite Coatings with Ultradisperse Diamond Particles // Strength of Materials. - 2017. - Т. 49. - №. 3. - С. 464-471.

11. Zhai L.L. Effect of nano-Al2O3 on adhesion strength of epoxy adhesive and steel / L.L.Zhai, G.P.Ling, Y.W.Wang // International Journal of Adhesion and Adhesives. - 2008. - Т. 28. - №. 1-2. - С. 23-28.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.