CC BY
29
МЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 621.9.047/048
И.В. Злобина, Н.В. Бекренев
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРОПИТКИ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АРМИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫМИ ВОЛОКНАМИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Аннотация. Исследован процесс армирования в ультразвуковом поле конструкционных элементов из пластика ABS композиционными структурами, содержащими углеродные волокна. Установлен факт образования адгезионно-прочной границы раздела «композит-полимер» при воздействии ультразвука на образец в процессе отверждения связующего композита. Показано, что ультразвуковое воздействие вызывает формирование однородной структуры композиционного слоя, а также увеличение прочности при растяжении на 18 % при некотором снижении относительного удлинения.
Ключевые слова: аддитивные технологии, композиционные материалы, ультразвук, прочность, микроструктура, капиллярный эффект
I.V. Zlobina, N.V. Bekrenev
INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF ULTRASONIC IMPREGNATION ON THE PHYSICAL AND MECHANICAL CHARACTERISTICS OF CARBON FIBER REINFORCED STRUCTURES POLYMER COMPOSITE MATERIAL
Abstract. The reinforcement process of the structural elements made of ABS plastic with composite structures containing carbon fibers in the ultrasonic field is investigated. It has been established that a strong adhesive composite-polymer interface is formed under the ultrasound exposure of the sample in the process of curing the binder based composite. It is shown that the ultrasonic exposure enables formation of a uniform structure of the composite layer, as well as an increase in the tensile strength by 18 % with a slight decrease in extension coefficient.
Keywords: additive technologies, composite materials, ultrasound, durability, microstructure, capillary effect
ВВЕДЕНИЕ
Развитие современной техники и ее производства характеризуется широким применением полимерных композиционных материалов (ПКМ) [1] и цифровых технологий, одним из направлений которых являются технологии трехмерной печати, или аддитивные технологии. При этом наиболее востребованными ПКМ являются материалы, армированные углеродны-
72
ми волокнами или тканями на их основе, что определяется высокими прочностными и упругими свойствами углеродных волокон, а также их малым удельным весом.
По данным аналитической группы Markets&Markets, ожидается, что потребление углеродного волокна в мире в ближайшем десятилетии будет активно расти: с 3,5 млрд долл. в 2018 году до 8 млрд долл. в 2026 году [1]. Потребление углеволокна может вырасти в натуральном выражении до 130 тыс. т уже к концу 2020 года. При этом изменится структура применяемых углепластиков и композитов на их основе: если в 2014 г. доля термореактивных композитов составляла порядка 75 %, то в перспективе наиболее высокие темпы роста будут характерны для термопластичных композитов на основе углепластиков, что повлечет за собой также реорганизацию технологического обеспечения производства изделий [2, 3]. К концу 20-х годов XXI века прогнозируется, что важнейшими стимуляторами роста станут отрасли цифрового, высокотехнологичного производства, в частности бионика (биомеханика) - производство протезов нового поколения, управляемых «силой мысли», за счет считывания и обработки нервных импульсов при помощи интерфейсов «человек - компьютер». Преимуществом углепластиков здесь является не только легкость, но и очень высокая биосовместимость.
Среди различных методов трехмерной печати наиболее распространенными являются технологии селективного лазерного сплавления изделий из металлических порошков (SLM) и послойного наплавления термопластичной полимерной нитью ( FDM). Объекты из полимерных материалов, полученные на основе аддитивных технологий, характеризуются наряду с невысокой прочностью значительной неоднородностью структуры, нестабильностью свойств от изделия к изделию и от установки к установке [4], что ограничивает сферу применения данной технологии быстрым прототипированием и изготовлением моделей для литейного производства. С появлением 3 D технологий и принтеров, способных печатать трехмерные объекты композиционными материалами [5], возможности автоматизации производства изделий из ПКМ существенно расширились, в частности становится возможным упрочняющее армирование объектов трехмерной печати из полимерных материалов внедрением композиционных структур, содержащих, например, углеродные волокна. Однако для повышения прочности таких изделий большое значение будет иметь адгезионное взаимодействие армирующего композиционного материала с основой из полимера. В то же время из-за незначительной прочности полученной по технологии FDM полимерной структуры на сжатие, что не позволяет использовать значительные нагрузки при опрессовке композита, весьма затруднительно получить равномерную пропитку композита связующим. Известно, что ультразвуковые колебания, генерируемые в жидких средах, способствуют не только развитию кавитационных процессов, но и существенной интенсификации капиллярных эффектов [6, 7], обеспечивают надежный адгезионный контакт термопластичных материалов при сварке. При этом относительно применения ультразвука для повышения эффективности пропитки связующим ПКМ информации недостаточно.
На основании изложенного проведение исследований по упрочнению объектов трехмерной печати из полимерных материалов путем формирования в их объеме армированных углеродными волокнами композиционных структур с воздействием ультразвуковых колебаний в процессе пропитки композита связующим представляет интерес для науки и практики.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Целью исследований явилось изучение возможности улучшения равномерности пропитки композита на основе эпоксидной матрицы, наполненной углеродными волокнами, а также улучшение его контактного взаимодействия с подложкой из термопласта ABS в ультразвуковом поле.
В экспериментах использовали образцы размерами 120 х 40 х 4,5 мм из термопласта ABS, полученные путем трехмерной печати по технологии FDM из нити стандартной толщины 1,75 мм с полостью, заполняемой углепластиком, глубиной 3 мм. Для печати использовали 3D принтер Felix 3.1 Single Extruder. Полость послойно заполняли углеродным волокном производства ООО «Балаково Карбон Продакшн» (г. Балаково Саратовской обл.) и эпоксидной смолой ЭД-20 с отвердителем ПЭПА в соотношении 10:1. Изготавливали 10 образцов, 5 образцов после заполнения композитом подвергали воздействию ультразвука через нижнюю поверхность образца при помощи пьезокерамического преобразователя (рис. 1).
б
Рис. 1. Экспериментальная установка (а) и схема нагружения образца (б). 1 - образец, заполненный композитом, 2 - источник ультразвуковых колебаний
а
Питание преобразователя осуществляли от разработанного по нашему техническому заданию в СГТУ имени Гагарина Ю.А. ультразвукового генератора с программируемой при помощи ноутбука частотой в диапазоне от 20 до 60 кГц с возможностью тонкой настройки с дискретностью 10 Гц. Резонансная частота преобразователя составляла 23600 Гц, амплитуда колебаний регулировалась от 5 до 15 мкм изменением напряжения генератора от 120 до 200 В. Обработку осуществляли при достигнутой максимальной интенсивности ультразвука в докавитационном режиме при амплитуде 12 мкм. После отверждения контрольные и опытные образцы подвергали испытаниям на растяжение на разрывной машине ИР-5082-100 с компьютерной обработкой результатов.
Результаты испытаний представлены на рис. 2 и в табл. 1. Видно, что отверждение композиционной структуры с воздействием ультразвука вызывает изменение соотношения силовых параметров, характеризующих процесс деформации и разрушения образца.
При незначительном (на 5,6 %) увеличении максимальной разрушающей нагрузки Fm значимо (на 14,3 - 18,6 %) возрастают нагрузки, соответствующие пределу упругости материала Feh и Fel. При этом снижается практически на 41 % предел текучести Ft и уменьшается продолжительность пластической деформации образца. Этому вполне соответствует уменьшение относительного удлинения А опытных образцов на 43 %.
В то же время почти на 20 % возрастает максимальный модуль упругости (в табл. 1 показан в относительных единицах). Разброс значений всех перечисленных параметров для контрольного образца составил от 25 до 35 %; для сформированных с воздействием ультра-
звука образцов - не превысил 12 %. Полученные результаты могут быть объяснены анализом микрофотографий сформированного композиционного материала (рис. 3).
Нагрузко.(к1Ч) Load-Extension Curve НагрузкаДкЫ) Load-Extension Curve
Рис. 2. Графики нагружения образцов: с отвержденной в обычных условиях композитной структурой (а), с композитной структурой, отвержденной при воздействии ультразвуковых колебаний (б)
I
Рис. 3. Структура контрольного (а, в, д) и опытного (б, г, е) образцов. Контактная зона «композит - пластик» (а, б); микроструктура композиционного слоя (в, г); морфология поверхности композитного слоя (д, е)
Таблица 1
Механические характеристики контрольного и сформированного
при воздействии ультразвуковых колебаний образцов, _полученные в ходе испытаний на растяжение_
Параметр Fm, Н Feh, Н Fel, Н Fp, Н Ft, Н Rm, отн. ед. Л, %
Контр. обр. 900 700 700 700 170 5 7,5
После УЗ обработки 950 830 800 800 100 6 5
Изменение +5 % +18 % +14 % +14 % -41 % +20 % -43 %
На всех контрольных образцах явно заметно отделение армирующей структуры от подложки из термопласта. По всей видимости, практически раздельное восприятие растягивающей нагрузки подложкой и композитом явилось причиной уменьшения некоторых силовых параметров деформации контрольного образца и особенно - его модуля упругости в сравнении с обработанным, поскольку отслоение армирующей структуры носит случайный характер и количество точек связи различно для разных образцов.
В структуре армирующего композита заметны отдельные пустоты, не заполненные связующим. Поверхность характеризуется сильно неоднородной морфологией. Эти результаты объясняются, очевидно, плохой смачиваемостью углеродных волокон и неполным протеканием связующего в зазоры между ними в условиях отсутствия вакуумирования или значительного поверхностного давления.
Контактная зона «композит - пластик», образованная в условиях ультразвукового воздействия, сплошная. Видно явное проникновение связующего в структуру пластиковой подложки.
Визуально определялось местное проникновение связующего через весь слой подложки до поверхности, контактировавшей с ультразвуковым излучателем. Структура композита более однородно заполнена связующим, пустоты практически отсутствуют. Морфология поверхности имеет сглаженный волнистый повторяющийся вид, что связано с акустиче-
скими течениями в неотвержденном связующем, инициированными ультразвуковыми колебаниями.
Отмеченные особенности могут явиться причиной повышения модуля упругости образцов и снижения относительного удлинения вследствие совместного восприятия нагрузки как пластиком подложки, так и углекомпозитом, а также повышения равномерности прочностных характеристик и повышения параметров, определяющих увеличение предела упругости.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, экспериментально показано положительное влияние воздействия ультразвука в процессе пропитки и отверждения связующего на упруго-прочностные характеристики ПКМ, внедренного в объем термопласта ABS после формирования образца методом 3D печати.
Установлено существенное повышение параметров, характеризующих механические свойства: нагрузки, соответствующей пределу упругости на 14,1 -18,6 %, модуля упругости - на 20 %.
Показано повышение равномерности прочностных характеристик в партии образцов, проявившееся в снижении размаха вариации значений исследованных параметров с 25-35 до 12 %, что может иметь большое значение для надежности изделий, изготавливаемых из термопластов с помощью аддитивных технологий.
Для уточнения механизмов полученных эффектов целесообразно исследование микроструктуры сформированного углепластика, включая области «связующее - волокно» и «углепластик - термопластичная основа» методами электронной микроскопии.
С целью оптимизации упругопластичных характеристик композиционных материалов, сформированных в условиях ультразвукового воздействия и разработки промышленной технологии, целесообразно проведение исследований по подбору частотного диапазона и интенсивности ультразвука с учетом волновых свойств материалов подложки и армирующих волокон, а также порога кавитации связующего.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. https://arm-plast.ru/o-zavode/novosti/mirovoj-ryinok-proizvodstva-kompozitov.html
2. Мирный М. Мировой рынок углепластиков достигнет отметки в $23 млрд к 2022 году [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://mplast.by/novosti/2016-04-29-mirovoy-ryinok-ugleplastikov-dostignet-otmetki-v-23-mlrd-k-2022-godu/, дата последнего обращения сентябрь 2016 г.
3. Каблов Е.Н. Материалы и химические технологии для авиационной техники // Вестник Российской академии наук. - 2012. - Т. 82. - № 6. - С. 520-530.
4. A Brief History of Additive Manufacturing and the 2009 Roadmap for Additive Manufacturing: Looking Back and Looking Ahead / D. L. Bourell, J.J. Beaman, Jr., M.C. Leu, and D.W. Rosen. - U.S. Turkey Workshop on Rapid Technologies, (2009).
5. Антонов Ф. Аддитивные технологии для композитных материалов // Аддитивные технологии. - 2019. - № 3 (https://additiv-tech.ru/publications/additivnye-tehnologii-dlya-kompozitnyh-materialov.html).
6. Розенберг Д. Физика и техника мощного ультразвука. Т. 3. Физические основы ультразвуковой технологии. - М.: Книга по Требованию, 2012. - 689 с.
7. Приходько В.М., Меделяев И.А., Фатюхин Д.С. Формирование эксплуатационных свойств деталей машин ультразвуковыми методами: монография. - М.: МАДИ, 2015. - 264 с.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Злобина Ирина Владимировна -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Техническая механика и мехатроника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Бекренев Николай Валерьевич -
доктор технических наук, профессор кафедры «Техническая механика и мехатроника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Irina V. Zlobina -
PhD (Technical Sciences), Associate Professor, Department of Engineering Mechanics and Mechatronics, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Nikolaj V. Bekrenev -
Dr. Sci. Tech., Professor, Department of Engineering Mechanics and Mechatronics, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Статья поступила в редакцию 20.02.20, принята к опубликованию 15.03.20
