Научная статья на тему 'Исследование влияния наночастиц оксидов алюминия на механические свойства полимерных композиционных материалов'

Исследование влияния наночастиц оксидов алюминия на механические свойства полимерных композиционных материалов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
318
88
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ / МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА / ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ / POLYMERIC COMPOSITE MATERIALS / MECHANICAL PROPERTIES / ANALYSIS OF EXPERIMENT RESULTS

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Астахов Михаил Владимирович, Сорокина Ирина Игоревна

Исследовано влияние наполнителя на механические свойства полимерных композиционных материалов, даны рекомендации по применению полученных материалов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Астахов Михаил Владимирович, Сорокина Ирина Игоревна

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

Investigation of influence of alumina nanoparticles on polymeric composite materials mechanical properties

The influence of a filler on mechanical properties of polymeric composite materials (PCM) has been investigated, the recommendations regarding application of the obtained materials have been made.

Текст научной работы на тему «Исследование влияния наночастиц оксидов алюминия на механические свойства полимерных композиционных материалов»

АСТАХОВ Михаил Владимирович

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой

СОРОКИНА Ирина Игоревна

старший преподаватель кафедры «Теоретическая механика» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, Калужский филиал)

УДК 620.22; 620.171; 620.178.4./6

Исследование влияния наночастиц оксидов алюминия на механические свойства полимерных композиционных материалов

М.В. Астахов, И.И. Сорокина

Исследовано влияние наполнителя на механические свойства полимерных композиционных материалов, даны рекомендации по применению полученных материалов.

Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, механические свойства, обработка результатов испытаний.

The influence of a filler on mechanical properties of polymeric composite materials (PCM) has been investigated, the recommendations regarding application of the obtained materials have been made.

Keywords: polymeric composite materials, mechanical properties, analysis of experiment results.

За последние годы достигнуты большие успехи в применении полимерных композиционных материалов (ПКМ) для силовых конструкций, в первую очередь, в высокотехнологичных производствах наукоемких отраслей, таких как аэрокосмическая техника, оборонная промышленность и судостроение. Однако, для сельскохозяйственного машиностроения, легкой и пищевой промышленностей, даже автомобилестроения, использование ПКМ для изготовления силовых элементов тормозиться из-за некоторого недоверия инженеров-проектировщиков к новым материалам. Именно поэтому исследование механических характеристик образцов из ПКМ с различными наполнителями и добавками представляет актуальную задачу.

В случае применения деталей из ПКМ в качестве силовых тонкостенных элементов, испытывающих воздействие не только внешних нагрузок, но и абразивных сред, как один из вариантов, можно рассмотреть введение в матрицу составов, повышающих поверхностную твердость, в частности порошков, состоящих из наночастиц Al(OOH) и Al2O3. Выбор добавок основан на результатах экспериментальной оценки применения нанокристалических оксидов и гидроксидов алюминия, а также на анализе изготовления высококачественного лами-ната. В самых качественных марках ламината для повышения износостойкости в смолу добавляют частицы корунда.

Для изучения влияния указанных нанопорошков на механические свойства ПКМ проведены испытания образцов на растяжение, трехточечный изгиб, износостойкость и микротвердость, а также статистическая обработка полученных результатов.

Для испытаний на растяжение были изготовлены «мокрым» способом образцы на основе стеклоткани Э3-200-Р(100) ТУ 5952-003-42294599-2004 и эпоксидной смолы ЭД-20 по ГОСТ 10587-84, которые отличались друг от друга нанодобавками в виде наполнителя из ультрадисперсных порошков бемита А1(ООН) и корунда А1203, количеством слоев, пропитанных с добавлением этих порошков, и взаимной ориентацией волокон слоев композита.

В связи со сказанным выше, в обозначения образцов каждой партии кроме группы введена подгруппа:

1/1 — образцы 1-й группы (без добавок), расположение слоев стеклоткани 0 0х0°х0°х0 °х0°;

1/2 — образцы 1-й группы, расположение слоев стеклоткани 0°х45°х0°х- 45°х0°.

Поскольку в образцах групп 2 и 3 учитывались не только расположение слоев стеклоткани, но и степень присутствия нанодобавки в образце, то и подгрупп введено 4:

2/1 — образцы 2-й группы (с добавлением в смолу бемита), расположение слоев стеклоткани 0°х0°х0°х0°х0°, все слои пропитываются смолой с добавлением бемита;

2/2 — образцы 2-й группы, расположение слоев стеклоткани 0°х0°х0°х0°х0°, с добавлением бемита выполняется только покрытие образца;

2/3 — образцы 2-й группы, расположение слоев стеклоткани 0°х45°х0°х-45°х0°, все слои пропитываются смолой с добавлением бе-мита;

2/4 — образцы 2-й группы, расположение слоев стеклоткани 0°х45°х0°х-45°х0°, с добавлением бемита выполняется только покрытие образца;

3/1 — образцы 3-й группы (с добавлением в смолу корунда), расположение слоев стеклоткани 0°х0°х0°х0°х0°, все слои пропитываются смолой с добавлением корунда;

3/2 — образцы 3-й группы, расположение слоев стеклоткани 0°х0°х0°х0°х0°, с добавлением корунда выполняется только покрытие образца;

3/3 — образцы 3-й группы, расположение слоев стеклоткани 0°х45°х0°х-45°х0°, все

слои пропитываются смолой с добавлением корунда;

3/4 — образцы 3-й группы, расположение слоев стеклоткани 0°х45°Х0°Х-45°х0°, с добавлением корунда выполняется только покрытие образца.

В целях повышения идентичности изготовления и улучшения контроля факторов, влияющих на результаты испытания (форма, абсолютные размеры, наличие концентраторов напряжений и состояние поверхности), образцам придавалась прямоугольная форма (длина — l, ширина — b, толщина — h). Для исключения подреза волокон стеклоткани, согласно ГОСТ 25.601—80, выбраны плоские образцы без головок: h > 1мм, b > (20 ± 1) мм, l = 200 мм (рис. 1, а). При их изготовлении для придания текучести смеси использовался растворитель — ацетон ГОСТ 2768—84, который при взаимодействии со смолой начинал действовать как ускоритель. В смоле происходил процесс быстрой полимеризации, поэтому толщина образцов с добавлением порошков несколько увеличена по сравнению с обычными образцами. Испытания проводились на базе ОАО «Калужский турбинный завод» РФ. Для проведения испытаний была использована электромеханическая испытательная машина серии LFM 20...100 кН — LFM-100.

t

/

а

ёаг Ф и-

б в

Рис. 1. Образцы для испытаний

Испытания на растяжение проводились при фиксированной скорости перемещения захватов испытательной машины 5 мм/мин (согласно ГОСТ 25.601 — 80) с регистрацией разрушающей нагрузки и построением диаграммы деформирования. Выборочные результаты испытаний приведены в табл. 1. На основании полученных экспериментальных данных определялась деформация разрушения и, с учетом

2011. № 11

57

Таблица 1

Результаты испытаний на растяжение

Партия Номер образца V мм/мин г, с Ь, мм Ь, мм А, мм2 F Н 1 max» ±± етв, МПа

1/1 2 5 37 22,20 1,25 27,750 1998 72

8 5 37 21,3 1,30 27,690 1774 64

1/2 3 5 37 21,10 1,20 25,320 1671 66

6 5 37 21,30 1,20 25,560 2019 79

2/1 1 5 35 20,30 2,00 40,600 1665 41

6 5 35 20,40 2,00 40,800 1477 36

2/2 1 5 35 19,30 2,25 43,425 2215 51

5 5 35 19,30 2,20 42,460 2083 49

2/3 3 5 35 19,50 1,30 25,350 1141 45

5 5 35 19,50 1,40 27,300 1246 46

2/4 6 5 35 19,70 1,30 25,610 1184 46

8 5 35 19,20 1,65 31,680 1489 47

3/1 1 5 35 19,20 1,50 28,800 1267 44

5 5 35 19,40 1,53 29,682 1427 48

3/2 1 5 35 19,70 1,55 30,535 1435 47

6 5 35 19,60 1,40 27,440 1327 48

3/3 2 5 35 19,50 1,30 25,350 1141 45

5 5 35 19,70 1,30 25,610 1184 46

3/4 5 5 35 19,80 1,37 27,126 1843 68

6 5 35 19,70 1,28 25,216 1597 63

заданной скорости перемещения захватов, вычислялось время до разрушения. Определенные в процессе испытаний величины пределов прочности исследуемых ПКМ проверялись и статистически обрабатывались в программе МЫТаЪ.

Для исключения промахов на основании полученных экспериментальных данных записывался вариационный ряд; производилась предварительная проверка выборки по критериям Груббса и Романовского; при удовлетворительных результатах выполнялась дополнительная проверка доверительным интервалом. Результаты представлялись в виде вариационного ряда. Проводилась проверка наиболее часто используемых моделей закона распределения параметра: нормальной, Вейбулла, экспоненциальной и Гамма-распределения. Наилучшие показатели для всех подгрупп образцов были получены для нормального распределения и распределения Вейбулла. Основываясь на практическом опыте, для дальнейшего анализа

принята модель Вейбулла. Результаты обработки полученных экспериментальных данных приведены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты статистической обработки экспериментальных данных

Партия Математическое ожидание ], МПа Выборочное среднее ет„, МПа Погрешность 5, %

1/1 69,56 69,40 0,233

1/2 70,72 70,83 0,158

2/1 40,69 40,27 1,032

2/2 49,78 49,78 0,001

2/3 46,12 46,12 0,003

2/4 62,79 62,65 0,229

3/1 45,44 45,44 0,003

3/2 47,04 47,05 0,011

3/3 50,52 50,75 0,454

3/4 63,95 64,10 0,226

Кроме того, проведена серия полных факторных экспериментов типа 2п, где п = 4 — количество изучаемых факторов (ориентация слоев стеклоткани; наличие в связующей матрице нанодобавок в виде ультрадисперсных порошков; вид нанодобавки; степень присутствия нанодобавки в композите), на основании которой получена модель в виде уравнения регрессионного анализа. Расчеты выполнялись по стандартной методике [1]. Для более объективной оценки влияния факторов и их взаимодействия на отклик, регрессионный анализ результатов многофакторного эксперимента был дополнен дисперсионным анализом, который более чувствителен к влиянию того или иного фактора и позволяет определить вклад факторов и их взаимодействия в дисперсию отклика. Обработка результатов эксперимента показала, что наиболее ощутимое влияние на предел прочности оказывает наличие в связующей матрице нано-добавок в виде ультрадисперсных порошков, причем влияние этого фактора в 14 раз сильнее влияния ориентации слоев стеклоткани в композите. Однако, при наличии нанодобавок, ориентация слоев стеклоткани и степень присутствия нанодобавки в ПКМ (наличие покрытия) оказывают значительное влияние на предел прочности.

Образцы для испытания на трехточечный изгиб изготавливались с использованием войлочного наполнителя (рис. 1, б). В этом случае на цулагу сначала укладывались два слоя стеклоткани, затем — два слоя войлока технического из химических волокон СВМ ТУ 8161-001-11521794-96 и сверху еще два слоя стеклоткани. Из полученной заготовки были вырезаны 30 образцов длинной 45 мм. При этом получалась так называемая трехслойная пластина — сандвич, где внутренний слой войлока СВМ служил для увеличения момента инерции поперечного сечения образца. Следует отметить, что длина образцов выбрана в направлении несущих слоев. Эксперимент проводился на испытательной машине «2255 Р-5», которая имитировала изгиб балки, опертой на двух опорах и нагруженной поперечной силой [2, 3]. Выборочные результаты испытаний приведены в табл. 3.

Микротвердость составляющих покрытие фаз оценивалась на приборе ПМТ-3. При проведении лабораторного тестирования записы-

Таблица 3

Результаты испытаний на изгиб

Номер образца Толщина I, мм Ширина М, мм Предельная нагрузка Г, Н Сдвиговые напряжения Т, МПа Предел прочности ств,

1 6,2 6,2 225 4,4 104

12 6,6 6,2 338 6,2 135

27 6,3 6,2 503 9,7 221

вались диагонали отпечатка по трем точкам, и в соответствии с таблицей находилось значение микротвердости данного образца. Измерения выполнялись выборочно для четырех образцов из каждой группы. В условиях проводимого тестирования не имеет значение степень пропитки образца эпоксидной смолой (ЭС) с наполнителем, важно только есть он или нет, кроме того, никакого влияния на взаимное расположение слоев стеклоткани не оказывает.

Тестирование проводилось при нагрузке — 200 гс. Индентор — четырехгранная алмазная пирамида, основание — квадрат. Результаты эксперимента сведены в табл. 4. В партии 3/1 и 3/3 из-за белого цвета образцов с корундом отпечаток был не виден. Измерения провести не удалось.

Таблица 4

Микротвердость образцов

Партия Номер образца Н 200

1 2 3 среднее

1/1 3 19,20 17,60 16,70 17,83

« 7 17,40 21,00 20,10 19,50

1/2 4 30,10 30,10 35,70 31,97

« 6 19,80 19,50 18,90 19,40

2/1 2 19,50 42,00 21,30 27,60

2/2 2 22,30 24,50 23,40 23,40

2/3 3 25,80 18,90 25,30 23,33

2/4 2 19,80 21,30 18,90 20,00

3/1 — — — — —

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

3/2 1 18,90 17,60 16,70 17,73

3/3 — — — — —

3/4 3 29,00 31,20 29,60 29,93

В результате измерений микротвердости представленных образцов были получены вы-

борки из п = 12 повторных измерений, обработка которых проводилась в программе МтПаЪ, по критерию согласия Андерсона—Дарлинга. Для всех трех подгрупп образцов из 15 проверенных законов распределения подходил двух-параметрический экспоненциальный закон (частный случай закона Вейбулла — Гнеденко). Результаты обработки полученных экспериментальных данных сведены в табл. 5.

Таблица 5

Результаты обработки экспериментальных данных по определению микротвердости образцов

Партия Математическое ожидание т [Н200 ] Среднее выборочное Н200 Погрешность 5,%

1 22,17497 22,1750 0,00014

2 23,58332 23,5833 0,00008

3 23,83330 23,8333 0,00000

Кроме того на специальном стенде были проведены сравнительные испытания дисков (рис. 1, в), выполненных из одного листа стеклоткани, пропитанного ЭС в двух вариантах: 1) без покрытия гелькоутом с А1203 и 2) с односторонним покрытием гелькоутом с включением ультрадисперсного порошка корунда. Диски поочередно устанавливались в металлический стакан на специальные штыри, вставляемые в отверстия, и подвергались воздействию стального шарика, который, вращаясь в специальной оправке, перемещался по поверхности диска с усилием F. При механическом воздействии шарика гелькоут деформировался, и частицы корунда выдавливались из матрицы. В случае удаления корунда воздушной струей или потоком жидкости износостойкость образца, покрытого гелькоутом с корундом, была выше, чем у образцов без покрытия. В противном случае износостойкость покрытого образца резко уменьшалась по сравнению с износостойкостью образца без покрытия, что объяснялось абразивным воздействием выдавленных частиц А1203 [3].

Выводы

1. При изготовлении ПКМ на основе ЭС с нанодобавками в виде ультрадисперсных порошков бемита А1(00Н) и корунда А1203 пре-

дел прочности падает. Однако, если ультрадисперсные порошки добавлять только в покрытие ПКМ и изготавливать ПКМ с ориентацией слоев стеклоткани минимум в трех направлениях, то снижение предела прочности не столь значительно, примерно на 10...11%. Полученные данные можно объяснить следующим образом: частицы наполнителя являются концентраторами напряжений, кроме того, при их введении уменьшается доля поперечного сечения матрицы, испытывающей нагрузку [4]. Вероятно, именно эти факторы объясняют уменьшение прочности для композитов, наполненных порошками.

2. При добавлении в покрытие ПКМ ультрадисперсных порошков бемита А1(00Н) и корунда А1203 микротвердость повышается на 5.7%.

3. Вид добавляемого порошка не оказывает значительного влияния, как на предел прочности, так и на микротвердость, в связи с чем можно сделать вывод об экономически более выгодном использовании порошка бемита, так как по сравнению с порошком корунда его себестоимость примерно на 14% ниже (по данным изготовителя).

4. С использованием специальной технологии еще большего измельчения зерен оксидов следует ожидать значительного увеличения прочности и твердости ПКМ.

Можно рекомендовать использовать покрытия с добавлением ультрадисперсного порошка бемита или корунда только в тех тонкостенных конструкциях, и только тех их частей, которые подвергаются действию подвижных абразивных сред, а снижение предела прочности учитывать увеличением коэффициента запаса при проектировочных расчетах.

Литература

1. Рыжов Э.В., Горленко О.А. Математические методы в технологических исследованиях / Отв. ред. А.Г. Гавриш. Киев: Наукова думка, 1990. 184 с.

2. Астахов М.В., Таганцев Т.В. Композиционные материалы в сельхозмашиностроении // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2004. № 9. С. 42—44.

3. Астахов М.В., Мазалов Ю.А., Таганцев Т.В. Исследование некоторых механических характеристик композиционных материалов // Труды МГТУ «Математическое моделирование сложных технических систем». № 588. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2004. С. 34—40.

4. Веттегрень В.И., Башкарев А.Я., Суслов М.А. Влияние формы частиц наполнителя на прочность полимерного композита //Журнал технической физики. 2007. Т 77. Вып. 6. С. 135—138.

Статья поступила в редакцию 13.10.2011 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.