CC BY
16
УДК 539.3
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-581-585
МИКРОМЕХАНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛИТЬЕВОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ФЕНОЛФОРМАЛЬДЕГИДНОЙ СМОЛЫ
А.А. Потапов, А.П. Малахо, В.М. Волгин, И.Н. Фомичева, П.Н. Осипов, П.Э. Калиш
В работе исследовались упругие свойства композиционного материала на основе фенолфор-мальдегидной смолы, армированного стекловолокном, с различной объемной долей. В результате численного микромеханического моделирования установлено, что модуль упругости и модуль сдвига увеличиваются, а коэффициент Пуассона уменьшается с увеличением объемной доли наполнителя.
Ключевые слова: микромеханическое моделирование, композиционный материал, армирование, фенолформальдегидная смола, стекловолокно.
Композиционные материалы в основном состоят из матриц и армирующих элементов. В последние годы композиционные материалы значительно прогрессируют и широко применяются в качестве потенциальной альтернативы традиционно используемым конструкционным материалам. Композиты находят широкое применение в различных технических приложениях благодаря надежному сочетанию свойств, которыми они обладают [1, 2].
Армирующие элементы являются важным компонентом композитов, поскольку они придают композитам основную прочность. Стекловолокно обычно получают из расплавленной смеси кварцевого песка, известняка, доломита и парафина, а также определенной фракции соды и борной кислоты. Стеклянные волокна негорючие и не разлагаются, они характеризуются хорошей химической стабильностью, термостойкостью, высокой прочностью на растяжение, высокой электрической изоляцией, низкой деформацией при растяжении, низким коэффициентом теплового расширения. Стеклянные волокна были первыми волокнами, которые использовались для получения композитов с полимерной матрицей [3, 4].
Механика композиционных материалов, армированных волокном, сложна из-за их анизотропных и гетерогенных характеристик. Оценка эффективных механических свойств композиционных материалов имеет первостепенное значение в инженерном проектировании и применении. Для получения свойств композитов существуют два подхода: макромеханический анализ и микромеханический анализ
[5, 6].
Целью данной работы является исследование упругих свойств литьевого композиционного материала на основе фенолформальдегидной смолы, армированного стекловолокном, с различной объемной долей.
В работе рассматривается упрощенная микромеханическая модель литьевого композиционного материала. Элементарная ячейка представлена в виде квадратного сечения со стороной 50 мкм, армированная стекловолокном круглого сечения радиусом 20 мкм и длиной 100 мкм. В качестве матричной фазы используется фенолформальдегидная смола. Схематичное изображение модели представлена на рис. 1. Свойства составляющих материалов показаны в табл. 1.
Микромеханическое моделирование осуществлялось в пакете прикладного программного обеспечения Comsol Multyphysics, который используется для решения задач методом конечных элементов. В данном анализе приняты следующие допущения: в композите отсутствуют пустоты; прямолинейные волокна равномерно распределены в матрице. При изучении микромеханики армированных волокном материалов удобно использовать ортогональную систему координат, в которой одна ось совпадает с направлением волокна.
h
Рис. 1. Схематичное изображение модели
Определяющие уравнения для композиционного материала задаются законом Гука (1):
581
СцС12 С13 С14 С15 с16
°2 °УУ С12С22С23С24С25С26 °УУ е2
^13 ^23 С33 С34 С35 С36 ез
а4 Т ^14 С24 С34 С44 С45С46 Уу* е4
^15 ^25^35 С45 С55С56 Угх £5
-С1бС26С36С46С56С66. УУху )
(1)
где Оу и ту — нормальная и сдвиговая составляющие напряжения; £у и у у — нормальная и сдвиговая составляющие деформации; Су — тензор жесткости [7,8].
По своему поведению композиты в целом можно охарактеризовать как анизотропные, моноклинные, ортотропные и трансверсально-изотропные [9]. В данной работе рассматривается композиционный материал, эффективные свойства которого изотропны в одной из его плоскостей, а тензор жесткости представлен в следующем виде (2):
С12 0 0 0
С23 0 0 0
С22 0 0 0
0 (С22-С23)/2 0 0 0 0 С66 0
0 0 0 С66_,
с =
С12 С12 0 0 0
12 ^22 ^23 0 0 0
(2)
Таблица 1
Механические свойства составляющих материалов_
Характеристики Стекловолокно Фенолформальдегидная смола
Плотность, г/см3 2,5 1,25
Модуль упругости, ГПа 70 5
Коэффициент Пуассона 0,2 0,3
Модуль сдвига, ГПа 30 1,9
Зная компоненты тензора жесткости С, можно рассчитать упругие свойства материала, которые представлены в следующем виде (3,4,5,6):
Е1 = С11 ~(С212/(С22 + С23)) (3)
Е2 = (С22 + С23)((С22 -С23)/(С11С22 — С12)) (4)
и = С12/(С22 + С23) (5)
С± = 1/2 (С22 — С23) (6)
где: Е1 - продольный модуль Юнга; Е2 - поперечный модуль Юнга; и - коэффициент Пуассона; G - модуль сдвига.
Определение упругих характеристик осуществлялось численно, методом конечных элементов. Предварительно были проведены тестовые расчеты для определения параметров сетки. В первом случае сетка (рис. 2, а) разбивалась на 20 тысяч элементов, во втором (рис. 2, б) на 50 тысяч элементов, в третьем (рис. 3, в) на 290 тысяч элементов. При еще большем увеличении конечных элементов наибольшее изменение элементов матрицы жесткости составляет 0.02 %. Из тестовых результатов можно сделать вывод, что увеличение количество конечных элементов не требуется. Для обеспечения точности была использована сетка конечных элементов (рис. 2, в).
Рис. 2. Сетка конечных элементов 582
В результате численного решения были получены значения продольного и поперечного модуля Юнга, коэффициент Пуассона, а также значения модуля сдвига литьевого композиционного материала на основе фенолформальдегидной смолы при увеличении объемной доли наполнителя. Результаты микромеханического моделирования представлены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты микромеханического моделирования__
Объемная доля волокна,% Продольный модуль Юнга, ГПа Поперечный модуль Юнга, ГПа Коэффициент Пуассона Модуль сдвига, ГПа
10 7,28 5,64 0,29 2,16
15 8,50 6,00 0,29 2,30
20 9,68 6,38 0,28 2,47
25 10,77 6,81 0,27 2,66
30 11,73 7,27 0,27 2,88
35 12,77 7,70 0,26 3,09
40 13,38 8,21 0,25 3,35
45 14,34 8,81 0,24 3,65
50 14,47 9,37 0,23 3,94
По результатам микромеханического моделирования были построены графики зависимостей модуля сдвига, продольного и поперечного модуля Юнга от объемной доли наполнения стекловолокна.
20 30 40
Объемная доля наполнителя,%
Рис. 3. График зависимости упругих свойств композиционного материала на основе фенолформальдегидные смолы от объемной доли заполнения
На рис. 3 показано влияние содержания волокон на модуль сдвига, а также на продольный и поперечный модуль упругости композиционного материала на основе фенолформальдегидные смолы. Видно, что продольный и поперечный модуль Юнга увеличивается с увеличением объемной доли волокна. Это связано с тем, что жесткость композита увеличивается с увеличением объемной доли волокна. Также из рис. 3 видно, что модуль сдвига увеличивается с увеличением объемной доли волокна. Коэффициент Пуассона уменьшается с увеличением объемной доли волокна из-за увеличения сопротивления деформации и снижения эластичности материала. Таким образом, модуль Юнга, модуль сдвига и коэффициент Пуассона полностью характеризуют упругие свойства композиционного материала.
В данной работе изучен микромеханический подход к оценке упругих свойств композиционного материала на основе фенолформальдегидной смолы, армированных стекловолокном, с различной объемной долей до 50%. Содержание наполнителей в композитах обычно составляет ~50 % (в расчете на полимерную смолу), но в отдельных случаях может достигать ~ 90 %. Однако с увеличением содержания наполнителя затрудняется переработка вследствие уменьшения текучести. Необходимость переработки материалов методом литья под давлением, наоборот, требует повышение текучести материалов. Поэтому актуальной задачей является разработка рецептуры и параметров литьевой переработки материала для обеспечения бездефектного получения.
Данная модель может быть дополнительно применена к различным композиционным материалам, армированных стекловолокном и углеродным волокном, чтобы получить представление о механическом поведении этих композитов с ограниченным количеством экспериментов. Таким образом, микромеханика композитов позволяет произвести качественный анализ упругих свойств композита, что необходимо при разработке новых материалов.
Работа была выполнена при финансовой поддержке Правительства Тульской области в рамках гранта № ДС/130 от 22.07.2022 «Разработка литьевого композиционного материала на основе фенолфор-мальдегидных смол для изготовления электрических разъемов».
Список литературы
1. Herakovich C.T. Mechanics of Fibrous Composites, JohnWiley & Sons, New York, NY, USA,
1998.
2. Barbero E.J. Finite Element Analysis of Composite Materials, CRC Press, Boca Raton, Fla, USA,
2011.
3. Wurkner M., Berger H., and Gabbert U. On numerical evaluation of effective material properties for composite structures with rhombic fiber arrangements // International Journal of Engineering Science, 2011. Vol. 49. No. 4. P. 322-332.
4. Трофимов Н.Н., Канович М.З., Карташов Э.М., Натрусов В.И., Пономаренко А.Т., Шевченко В.Г., Соколов В.И., Симонов-Емельянов И.Д. 2005. Физика композиционных материалов. Т. 2. М., Мир: 344 с.
5. Машков Ю.К., Овчар З.Н., Байбарацкая М.Ю., Мамаев О.А. 2004. Полимерные композиционные материалы в триботехнике. М., Недра: 262 с.
6. Гавариев Р.В. Анализ влияния теплового баланса на показатель эксплуатационной стойкости пресс-форм для литья под давлением / Р.В. Гавариев, И.О. Леушин, И.А. Савин // Заготовительные производства в машиностроении. 2016. № 1. С. 7-9.
7. Гавариев Р.В., Леушин И.О., Савин И.А. Проблема прогнозирования эксплуатационного ресурса пресс-форм литья под давлением цинковых сплавов и некоторые пути ее разрешения // Справочник. Инженерный журнал с приложением.2013. № 6 (195). С. 26-29
8. Шапарев А.В., Савин И.А. Расчет совместной пластической деформации, необходимой для образования соединения металлов в холодном состоянии // Заготовительные производства в машиностроении. 2016. № 10. С. 32-36.
9. Gavariev R.V., Savin I.A. Research of the Mechanism of Destruction of Compression Molds for Casting under Pressure of Color Alloys // Solid State Phenomena, 2018. 284. P. 326-331.
Потапов Андрей Алексеевич, аспирант, младший научный сотрудник, potapov-kristall@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Малахо Артем Петрович, канд. хим. наук, доцент, malakho@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет; Москва, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, УНИХИМТЕК,
Волгин Владимир Мирович, д-р техн. наук, профессор, ведущих научных сотрудник, volgin@tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Фомичева Ирина Николаевна, аспирант, младший научный сотрудник, eergeek@gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Осипов Павел Николаевич, магистр, младший научный сотрудник, pavel. osipov. 98@list. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Калиш Павел Эдуардович, магистрант, младший научный сотрудник, pavel.kalish13@gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет
MICROMECHANICAL MODELING OF MOLDED COMPOSITE MATERIAL BASED ON PHENOLFORMALDEHYDE RESIN
A.A. Potapov, A.P. Malakho, V.M. Volgin, I.N. Fomichev, P.N. Osipov, P.E. Kalish
In this work, the elastic properties of a composite material based on phenol-formaldehyde resin reinforced with glass fiber with different volume fractions were studied. As a result of numerical micromechanical modeling, it was found that the elastic modulus and shear modulus increase, and the Poisson's ratio decreases with an increase in the volume fraction of the filler.
Key words: micromechanical modeling, composite material, reinforcement, phenol-formaldehyde resin, glass fiber.
Potapov Andrey Alekseevich, postgraduate, junior researcher, potapov-kristall@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Malakho Artem Petrovich, candidate of chemical sciences, docent, malakho@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University; Moscow, Lomonosov Moscow State University, UNICHIMTEK,
Volgin Vladimir Mirovich, doctor of technical sciences, professor, leading researcher, volgin@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Fomicheva Irina Nikolaevna, postgraduate, junior researcher, eergeek@gmail.com, Russia, Tula, Tula State University,
Osipov Pavel Nikolaevich, master, junior researcher, pavel.osipov. 98@list. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Kalish Pavel Eduardovich, student, junior researcher, pavel.kalishl3@gmail.com, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.763; 621.715.4
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-585-589
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОСНАСТКИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЛЕНТОЧНЫХ ПРЕПРЕГОВ НА ОСНОВЕ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ПОЛИМЕРОВ
П.Э. Калиш, И.Н. Фомичева, В.П. Красильников
Проведен обзор методики изготовления препрегов на основе термопластичных полимеров, а также анализ оснастки, применяемой для её изготовления. В работе представлено автоматизированное проектирование пултрузионной головки, являющейся оснасткой пултрузионной линии. В работе были созданы предпосылки для дальнейшего производства разработанной оснастки и создании полноценной линии для изготовления ленточных препрегов.
Ключевые слова: препреги с полимерной матрицей, ленточные препреги, автоматизированное проектирование, пултрузионная головка, пропитывающее устройство.
Композиционные материалы (КМ) представляют собой многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, керамической или иной матрицы (связующего), армированной наполнителями такими, как волокно (короткое, длинное, непрерывное), нитевидные кристаллы, тонкодисперсные частицы и т. п. Путем подбора материалов наполнителя и матрицы, их соотношения и ориентации наполнителя можно получать материалы с различными эксплуатационными свойствами.
Среди методов производства композитных материалах с полимерной матрицей, можно выделить методы, основанные на выкладке заранее подготовленных композиций - препрегов. Препрег - это композиционный полуфабрикат, представляющий собой полотно из ткани или волокна, предварительно пропитанные предкатализированной смолой при определённой температуре и давлении или термопластичным полимером (в зависимости от материала связующего). В процессе выкладке производится нагрев композиции, направленный на окончательную кристаллизацию смолы или расплавление термопластичного связующего. Препреги имеют высокое соотношение модуля упругости и прочности в направлении волокна, могут быть использованы для плоской и сложнопрофильной автоматизированной выкладки по технологиям AFP и ATL [1, 2].
Основой для изготовления волокнистых препрегов является ровинг, представляющий собой ленту непрерывного волокна [3]. Ровинг состоит из филаментов (единичных нитей). Ровинг классифицируется по материалу (углеволокно, стекловолокно, бороволокно, кремнезёмное волокно и т. п.), толщине и количеству филаментов. В зависимости от ширины изготавливаемого препрега в него могут входить от одной до десятков лент ровинга.
В качестве основного метода изготовления препрегов применяют пултрузию [4]. Пултрузия -это процесс изготовления длинномерных профилированных изделий путем протягивания композиции матричного полимера с непрерывными волокнами через пултрузионную головку. В отличие от экструзии, где основным рабочим воздействием служит давление расплава экструдируемого полимера, при пултрузии таковым является тянущее усилие протягивающего устройства. В зависимости от типа связующего различают пултрузию с использованием реактопластичных и термопластичных полимеров. В связи с этим определяют, как принципиальную схему оборудования, применяемого при производстве пре-прега, так и методику нанесения связующего.
Одним из существенных недостатков пултрузии, использующей в качестве связующего реак-топласты (полиэфирные, эпоксидные, полиимидные, бисмалеимидные и винилэфирные смолы), является высокая стоимость получаемых изделий. Кроме того, получаемые «классическим» методом пултрузии изделия не подлежат вторичной переработке, имеют достаточно низкую ударопочность и малый срок годности в связи с малым сроком хранения предкатализированного реактопласта. В связи с этим получил распространение метод пултрузии, ориентированный на применение термопластичных полимеров.
