ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОМПОЗИТОВ ОБЛУЧЕННЫХ ПРИ НИЗКИХ И ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ Текст научной статьи по специальности «Физика»

PHYSICS AND MATHEMATICS

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОМПОЗИТОВ ОБЛУЧЕННЫХ ПРИ НИЗКИХ И ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Кожамкулов Б.А.

Д.ф.-м.н., профессор

Казахский национальный педагогический университет имени Абая

Битибаева Ж.М.

Старший преподаватель кафедры «Физики» Казахский национальный педагогический университет имени Абая

Примкулова Ж.Е.

Докторант 3-го курса по специальности «Физика» Казахский национальный педагогический университет имени Абая

Куатбаева Д.Е.

Докторант 2-го курса по специальности «Физика» Казахский национальный педагогический университет имени Абая

Джумадиллаева А.К.

Докторант 2-го курса по специальности «Физика» Казахский национальный педагогический университет имени Абая

STUDY OF THE MECHANICAL PROPERTIES OF COMPOSITES IRRADIATED AT LOW AND

HIGH TEMPERATURES

Kozhamkulov B.

Dr.Phys.-Math.sc., professor

Abai Kazakh National Pedagogical University, Almaty, Kazakhstan

Bitibayeva Zh. Senior lecturer

Abai Kazakh National Pedagogical University, Almaty, Kazakhstan

Primkulova Zh.

PhD student

Abai Kazakh National Pedagogical University, Almaty, Kazakhstan

Kuatbayeva D.

PhD student

Abai Kazakh National Pedagogical University, Almaty, Kazakhstan

JumadШayevа A.

PhD student

Abai Kazakh National Pedagogical University, Almaty, Kazakhstan

АННОТАЦИЯ

В статье экспериментально исследовано зависимость механических свойств композитов от дозы облучения при низких и высоких температурах. Установлено, что одновременное воздействие электронного облучения и различных температур существенно меняют механические свойства композитных материалов. В результате увеличения дозы облучения из-за нарастающего процесса деструкции уменьшается напряжение при разрушении и величина прогиба.

У композитов сначала разрушалась полимерная матрица, имеющая малое относительное удлинение, а затем наполнитель, обладающий большим относительным удлинением. К быстрой деструкции приводил облучение при температуре 493К. Так как в этом случае к радиационной деструкции прибавляется термическая деструкция.

Экспериментально установлено, что рассмотренные композиты К1-К4 обладали более высокой прочностью при низких температурах, обусловленные низкотемпературным упрочнением.

Показано, что разумное сочетание различных наполнителей и матрицы позволяет получить композиты устойчивые одновременному воздействию радиации, высоких и низких температур.

ABSTRACT

The article experimentally investigated the dependence of the mechanical properties of composites on the radiation dose at low and high temperatures. It was found that the simultaneous effect of electron irradiation and various temperatures significantly change the mechanical properties of composite materials. As a result of increasing the radiation dose due to the growing process of destruction, the stress at destruction and the magnitude of the deflection decrease.

In composites, a polymer matrix having a small elongation was first destroyed, and then a filler having a large elongation. Irradiation at a temperature of 493 K led to rapid destruction. Since in this case thermal destruction is added to radiation destruction.

It was experimentally established that the considered K1 - K4 composites had higher strength at low temperatures due to low-temperature hardening. It is shown that a reasonable combination of various fillers and matrices makes it possible to obtain composites resistant to the simultaneous effects of radiation, high and low temperatures.

Ключевые слова: композиты, электроны, облучение, температура, прочность, радиационная стойкость.

Keywords: composites, electrons, radiation, temperature, strength, radiation resistance.

Введение

Используемые в транспорте, атомной и космической отрасли композитные материалы, одновременно подвергаются действию глубокого вакуума, высоких и низких температур, ионизирующих излучений, механических нагрузок, агрессивных сред и т.д. Поэтому главной особенностью современных задач является рассмотрение всех или большей части указанных воздействий одновременно.

Изучение механизмов структурной релаксации и корреляции параметров температурных зависимостей, механических и электрических свойств композитов после облучения дает возможность произвести количественные оценки изменения их молекулярной структуры, оценить особенности этих изменений в области контакта полимерного связующего с наполнителем. Одним из методов, позволяющих получит сведения об изменении структуры материалов, о характере радиационных воздействий, приводящих к сшиванию или деструкции молекул композитов, является исследования механических свойств композитов облученных при различных температурах [1].

В работе [2] приведены результаты исследования температурных зависимостей внутреннего трения и модуля сдвига, облученных электронами, стеклотекстолитов марок СТ-11 и СТ-ЭТФ, представляющие собой прессованный материал, полученный пропиткой стеклоткани фенольным и эпок-ситрифенольным матрицей соответственно. Установлено, что разрушающее напряжение уменьшается с дозой, это свидетельствует о том, что в этих материалах под воздействием облучения происходит преимущественно процесс деструкции. Радиационная деструкция полимера приводит к изменению молекулярно-массового распределения из-за разрыва в главной цепи. Экспериментально установлено, что число разрывов главной цепи пропорционально поглощенной дозе. Результаты измерений температурных зависимостей внутреннего трения и модуля сдвига в необлученных и облученных разными дозами образцах показали, что отчетливо выделяется а-пик, который повышается с увеличением дозы облучения и заметно смещается в сторону меньших температур.

Известно, что этот пик связан с процессом стеклования, при котором осуществляется переход полимерной матрицы композита из стеклообразного в высокоэластическое состояние [3]. Ниже температуры стеклования сегменты или группы молекул, образующие основную цепь, колеблются ограниченно и не способны изменять своего положения относительно соседних сегментов. Выше

температуры перехода становится возможным внутримолекулярное вращение групп атомов, приводящее к взаимной подвижности соседних сегментов. Процесс стеклования, обусловливающий появление а-пиков, связан с движением сегментов цепи длиной 50-100 атомов основной цепи. Радиационная деструкция приводит к увеличению числа подвижных сегментов и, следовательно, к пропорциональному росту высоты а-пика. Изменение высоты а-пика при облучении может рассматриваться как мера радиационной деструкции полимера. Смещение температуры максимума пиков внутреннего трения в область низких температур в данном материале свидетельствует о том, что вызванная облучением деструкция облегчает размораживание сегментальной подвижности в полимерной матрице вдали от стекловолокна.

Максимуму внутреннего трения соответствует спад модуля сдвига. Снижение модуля сдвига с повышением температуры при постоянном или возрастающем уровне фона внутреннего трения свидетельствует об увеличении вязкости среды. Энергия активации а-процесса рассчитанные по частотному сдвигу максимума внутреннего трения и составили для необлученного образца марки СТ-11 21,0 ± 3,2 кДж/моль, а для облученного до 1 МГр -5,7 ± 1,4 кДж/моль. По мере увеличения дозы а-пик смещается в сторону меньших температур. При дозах облучения 1 и 10 МГр заметного роста высоты пика не наблюдался, а начиная с дозы 50 МГр высота а-пика резко возрастала, что свидетельствовала о значительной деструкции как свободной, так и связанной матрицы композита. Установленные закономерности деструкции композитов сказываются на изменении их механических и физических свойств после электронного облучения в различных температурах.

Цель настоящей работы - Исследование механических свойств композитов (разрушающего напряжения относительной деформации ер и величины прогиба I) облученных при низких и высоких температурах.

Методика эксперимента

Нами проведено исследование изменения механических свойств композитных материалов четырех типов, облученных электронами в условиях низких температур и длительных рабочих температур композитов.

Были исследованы композиты 4-х видов К1, К2, К3, К4 представляющие собой:

К1 - стеклотекстолитовый наполнитель с эпок-синоволачной матрицей;

К2 - стеклотекстолитовый наполнитель с эпок-ситрифенольной матрицей;

КЗ - стеклослюдинитовый наполнитель с эпоксиноволачной матрицей;

К4 - запресованная стеклослюдинитовая лента, пропитанная эпокситрифенольным связующим.

Образцы, изготовленные из этих материалов, имели размеры 80 х 10 х 4,7 мм. Эти образцы размещались универсальную камеру, которая позволяла создать достаточно высокую плотность тока на образце без нарушений его температурного режима облучения [4]. Так как в результате взаимодействия электронного пучка с материалом наряду с радиационными повреждениями происходит температурный разогрев образцов, что в конечном итоге влияет на их механическую прочность. В данном эксперименте температура облучаемых образцов составляла 493 К (при охлаждении струей воздуха и соответствует длительным рабочим температурам композитов) и 100 К (при охлаждении жидким азотом). Перед облучением необлученные образцы подвергались температурной обработке, а затем испытывались на испытательной машине. Эта обработка заключалась в следующем: образцы помещались на 2 часа в жидкий азот или термостат, т.е. задавались такие условия, которые существуют при облучении образцов электронами. Определение механических свойств производились каждый раз на воздухе при комнатной температуре.

Режим облучения выбирался в зависимости от типа образца, его геометрических размеров и температуры. Температурный режим устанавливался током пучка при соответствующем охлаждении. Температура измерялась термопарой медь-кон-стантан. В пленках спай термопары приклеивался эпоксидной смолой к поверхности образца.

Облучение материалов производилось током электронов 60 мкА, который попадал на площадку

20х20 мм2. Вследствие вращения барабана облучение образцов было равномерным. При этом улучшалось их охлаждение по сравнению с неподвижными мишенями, которые использовались ранее. Реальная площадь облучения при вращении барабана составляла 2х8=16 см2, а плотность тока была равна 3,75 мкА/см2. Число образцов для получения одной экспериментальной точки составляли не менее пяти.

После набора заданных поглощенных доз определялось разрушающее напряжение при изгибе согласно ГОСТ 4648-71. Испытание механической прочности композитов проводилось на разрывной машине Р-50 и определялось напряжение на разрыв.

Экспериментальные результаты и их обсуждение

Поглощенные дозы исходя из правил аддитивности, химического состава и состава физической смеси, исследуемых композитов рассчитывались по стандартной методике, при этом ионизационные потери рассчитывались по формуле Бете-Блоха, а радиационные потери при эффективном атомном номере рассчитывались по формуле [5]:

(¿ЕМ^рад« №МОион^эф/800), (1) где Е- энергия электрона, МэВ; приведенная масса композита, гсм -2. А поглощенная доза энергии (Гр) рассчитывалась по формуле

Б = ус103 (2)

где ) - плотность тока пучка электронов, мкА/см2; х - время облучения образца, с.

Образцы подвергались облучению на ускорителе электронов энергией 2 МэВ до дозы 300 МГр. Зависимости величин деформации и разрывного напряжения в зависимости от логарифма дозы облучения при различных температурах приведены на рисунках 1-6.

Рисунок 1. Зависимость разрушающего напряжения ар и величины прогиба I при испытаниях на статический изгиб от логарифма дозы электронного облучения для композита К1.

6 8 1»(Д/Гр.)

Рисунок 2. Зависимость разрушающего напряжения ар и величины прогиба I при изгибе от дозы электронного облучения для композита К2.

п—-л 0 2 4 6 8 1?(Д/Гр.)

Рисунок 3. Зависимость разрушающего напряжения ар и относительной деформации ер при растяжении

от дозы электронного облучения для композита К3.

0 2 4 6 8 ^(Д/Гр.)

Рисунок 4. Зависимость разрушающего напряжения ар и относительной деформации ер при растяжении от дозы электронного облучения для матрицы композита К3.

Рисунок 5. Зависимость разрушающего напряжения ар и относительной деформации ер при растяжении

от дозы электронного облучения для композита К4.

Рисунок 6. Зависимость разрушающего напряжения ар и относительной деформации ер при растяжении от дозы электронного облучения для матрицы композита К4.

Полученные результаты показали, что в большинстве случаев увеличение дозы облучения приводит к значительному ухудшению механических характеристик исследуемых материалов. Особенно заметное уменьшение разрушающего напряжения наблюдается на рисунках 1 и 2 , у композитов К1 и К2, облученных при Т = 493 К. Изменение механических свойств полимерных композитов, подвергающихся одновременно действию излучения и низкой температуры (100 К) менее ярко выражено, чем в случае облучения при температуре 493 К (рисунки 1 и 2). На рисунках 3 и 4 приведены зависимость механических свойств композита К3 и полимерной матрицы этого композита от дозы облучения. При облучении низкой температуре (100 К) композит К3 (рисунок 3) увеличивает свою прочность вплоть до дозы облучения 10 МГр, а при большой дозе быстро разрушается. При облучении высокой температуре (493 К), прочность остается практически не изменой до дозы облучения 10

МГр, а за тем также быстро разрушается. Механические свойства наполнителя несколько хуже. На рисунках 5 и 6 приведены зависимость механических свойств композита К4 и полимерной матрицы этого композита от дозы облучения. Характер дозо-вой и температурной зависимости механических свойств композита К4 и его наполнителя похож на композит К3. Но они остаются радиационно-стойкими, вплоть до дозы 100 МГр не теряя, существенно, своих механических свойств.

Уменьшение напряжения при разрушении и величины прогиба объясняется прежде всего нарастающим процессом деструкции в результате увеличения дозы облучения. При облучении композитов прочность в основном зависит от состава полимерной матрицы и с увеличением дозы, как правило, ухудшается. У композитов К3 и К4 сначала разрушалась полимерная матрица, имеющая малое относительное удлинение, а затем наполнитель, обладающий большим относительным удлинением. Облучение композитов при температуре 493К привело к

быстрой деструкции, ухудшению прочностных свойств полимерной матрицы. Более высокая прочность всех материалов при криогенных температурах обусловлена низкотемпературным упрочнением.

Статистический разброс данных в эксперименте связан структурно-чувствительным свойством. Любое незначительное изменение в структуре материала может привести к существенному изменению его прочности. Это прежде всего поверхностные дефекты (малые трещины, царапины),

внутренние напряжения, возникающие при изготовлении образцов. По полученным данным можно судить о радиационной стойкости композитных материалов, а также давать рекомендации по их дальнейшему применению при конструировании аппаратов, используемых в условиях ионизирующих излучений.

Радиационную стойкость композиционных материалов часто оценивают по критерию конечной точки, где свойства композитов ухудшаются до 50 %. Эти результаты приведены в таблице1.

Таблица 1

Радиационная стойкость композитных материалов, оцененная по критерию конечной точки.

№ п/п Вид материала Оцениваемый параметр Исходное значение (при номальных условиях) Критерий конечной точки, % Поглощенная доза, Гр

1 К1 Стр, МПа 1, мм 500 6 50 % 50 % 5105 5105

2 К2 Стр, МПа 1, мм 450 5 50 % 50 % 10106 10106

3 КЗ Стр, МПа ер, % 800 4 50 % 50 % 100106 100106

4 К4 Стр, МПа ер, % 600 4 25 % 25 % 50106 50106

Заключение

Экспериментально установлено, что одновременное воздействие электронного облучения и различных температур существенно меняют механические свойства композитных материалов.

В результате увеличения дозы облучения из-за нарастающего процесса деструкции уменьшается напряжение при разрушении и величина прогиба.

У композитов КЗ и К4 сначала разрушалась полимерная матрица, имеющая малое относительное удлинение, а затем наполнитель, обладающий большим относительным удлинением. Это доказывает, что прочность композитов в основном зависит от состава полимерной матрицы и с увеличением дозы, как правило, ухудшается.

К быстрой деструкции, следовательно, к ухудшению прочностных свойств полимерной матрицы приводит облучение при температуре 493К. Так как в этом случае к радиационной деструкции прибавляется термическая деструкция. Все рассмотренные композиты К1-К4 обладали более высокой прочностью при низких температурах, обусловленные низкотемпературным упрочнением.

Радиационная стойкость, оцененная по критерию конечной точки, показал, что наименьшей радиационной стойкость обладает композит К1 который радиационно-стойкий только до дозы 0,5 МГр. Причиной этого может являться агрегация частиц наполнителя [6], вызванная электронным облучением. А композит КЗ является радиационно-стой-кой вплоть до дозы 100 МГр. Таким образом, разумное сочетание различных наполнителей и матрицы позволяет получить композиты устойчивые одновременному воздействию радиации, высоких и низких температур.

Работа выполнена при поддержке гранта МОН РК, проект: № АР05133342 «Теоретические

и экспериментальные исследования физико-механических свойств композитов при радиационных и других внешних воздействий».

Литература

1. Кожамкулов Б.А. Радиационные эффекты в полимерах // Сборник статей преподавателей Тал-дыкорганского университета им. И.Жансугурова посвященный к 150 летию Абая. Талдыкорган, 1996. 5 с.

2. Зайкин Ю.А., Кожамкулов Б.А., Козтаева Г. Внутреннее трение в облученных текстолитах // Тезисы докладов 4-ой Казахстанской конференции по физике твердого тела. КарГУ 19-20 сентября 1996 г. Караганда: КарГУ. 1996 . С 115.

3. Влияние ионизирующего излучения на диэлектрические материалы, включая полимеры: Материалы Всесоюзного совещания. 2-5 октября 1979. Душанбе: Дониш, 1979. 320 с.

4. Маслов В.В., Кожамкулов Б.А. Расчет поглощенной дозы электронного облучения электроизоляционными материалами и системами изоляции. // Прохождение элементарных частиц через вещество. Алма-Ата: Изд. КазГУ, 1982. С. 65-77.

5. Кожамкулов Б.А., Акитай Б.Е., Джумадил-лаев К.Н., Кырьщбаева А.А., Примкулова Ж.Е. Разрушение облученных высокоэнергетическими электронами кремнийорганических композитов // Механика композитных материалов, Рига (Латвия), 2019, T.55, №5, C. 925-934.

6. О.В. Ершова, Э.Р. Муллина, Л.В. Чупрова, О.А. Мишурина, Л.А. Бодьян. Изучение влияния состава неорганического наполнителя на физико-химические свойства полимерного композиционного материала // Фундаментальные исследования. - 2014. - №12. - С. 487-491.