CC BY
17
05.02.11
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКА В МАШИНОСТРОЕНИИ
DOI: 10.33693/2313-223Х-2019-6-3-39-46
УДК 67.02
СИНТАКТИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ВЫСОКОНАПОЛНЕННЫЕ ГРАНУЛИРОВАННЫМ ПЕНОСТЕКЛОМ
Кетов Юрий Александрович, аспирант Пермского национального исследовательского политехнического университета. Пермь, Российская Федерация. E-mail: ketovl992@list.ru
Слови ков Станислав Васильевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Пермь, Российская Федерация. E-mail: sslovikov@ya.ru
Аннотация. В работе предложено использовать гранулированное пеностекло, как альтернативный заполнитель для получения синтактических композиционных материалов. Проведены исследования получения и физико-механических свойств композиционных материалов с заполнителем из гранулированного пеностекла и высокой степенью заполнения. Для создания композиций использованы связующие на основе полиэфирной и полиуретановой матриц. В ходе сжатия в цилиндре гранулированного пеностекла выявлен механизм разрушения гранул и установлены условия получения высоконаполненных композитов. Изучено влияние природы связки и давления прессования заготовки на кажущуюся плотность и прочность получаемых композиционных материалов.
Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, гранулирование пеностекло, полиэфирная и полиуретано-вая матрицы.
Введение
Наиболее существенными факторами, обуславливающими применение композиционных материалов вместо металлов в авиа- и судостроении являются долговечность эксплуатации, низкий удельный вес, устойчивость к коррозии и возможность многократного воспроизведения формы. Важным аргументом в пользу применения неорганических заполнителей является повышенная пожарная безопасность получаемого композиционного материала. Особенно ценным свойством полимерных композиционных материалов (ПКМ) с легкими заполнителями для материаловедения в области транспорта, аэрокосмической промышленности, потребительских товаров и конструкций подводных аппаратов является снижение веса [1].
Полые стеклянные или керамические микросферы, как заполнители полимерных материалов, привлекают особое внимание исследователей вследствие низкой плотности и высокой прочности. Комплекс уникальных потребительских свойств получаемых на основе полых микросфер ПКМ обуславливает высокую востребованность и широкое применение получаемых синтактических пен в морской, космической и гражданской технике. Известна высокая устойчивость синтактических пен к повреждениям и внешним воздействиям [2], что обуславливает их применение в экстремальных условиях.
Однако высокая стоимость микросфер не позволяет широко использовать их, как заполнитель в ПКМ. Одним из наиболее легких и одновременно прочных заполнителей помимо полых микросфер можно считать ячеистое стекло или пеностекло, которое может быть получено по экологически безопасной технологии в том числе и в гранулированном виде. Исходя из этого, представляется перспективным рассмотреть возможность применения гранулированного пеностекла в качестве наполнителя для решения задачи создания максимально облегченных композиционных материалов, аналогичных синтактическим пенам. Основной структурной отличительной особенностью пеностекла от микросфер является наличие полиячеистой внутренней структуры.
Традиционно при изготовлении композиционных материалов на основе полых микросфер содержание армирующего материала может составлять от 20 до 50 об.% [3], максимум до 60 об.%, что обусловлено предположением о недопустимости деформации частиц заполнителя. Однако пеностекло само по себе является газонаполненным материалом полиячеистой структуры и разрушение при сжатии поверхностных ячеек не приводит к разрушению гранулы и полиячеистой структуры, что открывает перспективы для получения высоконаполненных синтактических композиционных материалов с заполнителем из гранулированного пеностекла.
Исходя из изложенного задачей исследования необходимо рассмотреть возможность создания синтактических пен на основе пеностекла, как замены полых микросфер в синтактических ПКМ.
Экспериментальная часть
Композиционные материалы получали из гранулированного пеностекла со связками из полиэфирной и полиурета-ловой двухкомпонентных смол прессованием в металлической форме при контролируемом давлении.
В качестве материала матрицы использовали полиэфирную смолу (Ви1апохМ-50) и полиуретановую смолу (РОЬУБУБТЕМ 40).
Измерение коэффициента теплопроводности проводили на приборе ПИТ-2.1 при стационарном тепловом режиме по ГОСТ 7076.
05.02.11
Исследования прочностных характеристик полученных материалов проводили на оборудовании Центра коллективного пользования «Центр экспериментальной механики» Пермского Национального исследовательского политехнического университета. Для проведения испытаний была выбрана универсальная электромеханическая система 1пб1гоп 5982 имеющая высокоточный видеоэкстензометр (±2 мкм) для измерения перемещений и высокоточный независимый датчик нагрузки с уровнем +/-Ю0 кН (точность измерения нагрузки 0,4% от измеряемой величины в диапазоне от 1 до 100% номинальной мощности датчика нагрузки; 0,5% от измеряемой величины в диапазоне от 0,2 до 100% номинальной мощности датчика нагрузки) для измерения усилий при сжатии. Скорость сжатия составляла 20 мм/мин (скорость деформирования 0,009 с-1). Общий вид системы представлен на рис. 1.
Рис. 1. Общий вид универсальной электромеханической системы 1п51топ 5982 и испытываемого образца
Обсуждение результатов
Переработка отходов стекла во вспененные материалы является не только эффективным примером возобновляемых ресурсов, но и позволяет производить материалы, обладающие ценным комплексом свойств: высокой пористостью, низкой плотностью и теплопроводностью при относительно высокой прочности [4]. Ячеистое стекло может быть получено с использованием твердых отходов различного химического состава. В этом случае процесс обладает экономической эффективностью для решения проблем промышленных твердых отходов.
Традиционно в качестве реакции газообразования при производстве пеностекла выступает восстановление сульфат-иона углеродом с образованием токсичных сульфидов и сероводорода [5]. В результате получаемый материал не только обычно имеет черную окраску вследствие остаточного углерода, что снижает его потребительскую
привлекательность, но и не может быть признан экологичным вследствие наличия в составе токсичных соединений серы Б2"1". Однако альтернативным решением может быть применение в качестве газообразователя при производстве ячеистого стекла паров воды [6]. Это обстоятельство приводит к получению экологически безопасного мелкопористого материала.
В процессе термообработки и вспенивания исходной композиции материал может при определенных условиях кристаллизоваться [7].
Пеностекло может быть получено в виде гранул различного фракционного состава. В этом случае композиционные изделия из гранулированного материала формируются при использовании различных связок аналогично созданию композиционных материалов с иными заполнителями, содержащими оксид кремния в различных формах. Наиболее простым решением по созданию композитов из полимера
и оксида кремния является механическое смешение компонентов на стадии приготовления. Например, смешение кремниевого аэрогеля и вспенивающегося полиуретана приводит к получению вспененного нанокомпозита с теплоизоляционными свойствами [8]. Отмечено изменение механических, структурных, гидрофобных и термических свойств полученного композиционного материала.
Для получения композиционных высоконаполненных материалов исходили из предположения, что гранулированное пеностекло разрушается под нагрузкой постепенно. Сжатие гранул в замкнутом объеме приводит к разрушению ячеек в местах контакта гранул и преобразованию формы гранул из сферической в многогранную, близкую к пента-додекаэдру. Для подтверждения этого предположения был проведен эксперимент по определению объемной деформации от удельной нагрузки Р:
Р = Р/5, (1)
где Р-сила, прилагаемая к пуансону для сжатия гранул в цилиндре; 5 - сечение цилиндра.
Объемная деформация определялась:
8 = Д\//\/ = Д///, (2)
как отношение изменения объема материала в цилиндре Д\/ к первоначальному объему V, равное абсолютной продольной деформации сжимаемого в цилиндре материала ДI к его первоначальной длине /.
Рис. 2. Зависимости напряжения сжатия Р для гранул фракции 2,0-5,0 мм от объемной деформации £
Зависимости напряжения сжатия, равного по модулю удельной нагрузке Р для гранул фракции 2,0-5,0 мм от объемной деформации представлена на рис. 2.
На кривой можно выделить четыре участка, обозначенных на рис. 2 А, В, С и О. Участки А, В и О аппроксимируются прямыми линиями с величиной квадратичной достоверности аппроксимации более 0,95, представленными на рисунке. Участок С можно считать переходным. Наблюдаемый характер кривой можно объяснить различиями в механизме деформации гранул при росте нагрузки.
Первый этап А связан с упругой деформацией гранул пеностекла, как целых сферических изделий, плотно упакованных в замкнутом объеме цилиндра. При росте нагрузки на участке В происходит разрушение поверхностных ячеек гранул, центры гранул сближаются и свободное пространство между гранулами уменьшается, заполняясь обломками разрушенных поверхностных ячеек.
В дальнейшем, на участке С в гранулах практически не остается неразрушенных ячеек и происходит хаотичное разрушение обломков материала, пока к началу участка О материал не представляет собой плотную упаковку из обломков стекла и не начинается упругая деформация этого слоя.
Можно считать, что в пределах участка В нагрузка на слой обеспечивает такое разрушение поверхностного слоя гранул, что объем заполнен гранулами, сохраняющими ячеистую структуру. Поэтому определение нижнего и верхнего предела удельной нагрузки участка В позволяет выявить условия изготовления композиционного материала с высокой долей заполнения объема ячеистым материалом.
Действительно, аналогичные кривые с описанными характерными участками наблюдаются для других фракций пеностекла. Зависимости напряжений сжатия для различных фракций пеностеклянных гранул от объемных деформаций представлены на рис. 3.
Рис. 3. Зависимости напряжений сжатия от объемных деформаций для фракций пеностеклянных гранул (мм): 2,0-5,0; 1,4-2,0 и 0,85-1,4
На всех трех графиках выделяются участки А, В, С и О, которые могут быть интерпретированы, как последовательно наступающие процессы упругой деформации гранул, разрушения поверхностных ячеек гранул без разрушения цельности гранул переходный участок и, наконец, полное разрушение первичной ячеистой структуры гранул.
Верхний и нижний пределы напряжений сжатия (участок В), при котором происходит разрушения поверхностных ячеек гранул без разрушения цельности гранул, для различных фракций могут быть определены из графиков и представлены в табл. 1.
Таблица 1
Верхний и нижний пределы напряжений сжатия
Фракция гранул, wim Нижний предел участка В, МПа Верхний предел участка В, МПа
2,0-5,0 0,7 1,6
1,4-2,0 1,7 3,0
0,85-1,4 3,1 6,7
В целом представленный вид кривых не характерен для сжатия гранул в цилиндре. Характерные зависимости «усилие - перемещение» при статическом сжатии гранул, представляют собой равномерно увеличивающееся напряжение с падениями, обусловленными началом потери сплошности гранулы [9]. Вероятно при сжатии пеностеклянная гранула ведет себя как упругое тело только на начальном этапе, а в дальнейшем деформируется за счет разрушения поверхностных ячеек без потери общей сплошности гранул. Гранула необратимо «сминается» окружающими ее гранулами.
Можно предположить, что для пеностеклянных гранул напряжения сжатия до 0,10-0,12 МПа сопровождается
05.02.11
упругой деформацией гранул без потери последними сферической формы, а при повышении напряжения сжатия сверх этого предела и примерно до напряжения сжатия 0,4-0,6 МПа происходит постепенная потеря сплошности гранул, выражающаяся в разрушении поверхностных ячеек, сближении центров гранул и исчезновении свободного объема между гранулами.
Предложенный механизм разрушения гранул под напряжением сжатия подтверждается фотографиями среза материала, полученного прессованием композиции из пеностеклянных гранул с нанесенным на их поверхность 30 масс.% полиэфирной смолы с добавкой белого пигмента (рис. 4).
Рис. 4. Срез композиционного материала из полиэфира с заполнителем из гранулированного пеностекла,
полученный прессованием при:
о-0,5 МПа; 6-0,25 МПа
В процессе изготовления композиционного материала очевидное влияние на свойства получаемого материала оказывает плотность упаковки заполнителя, регулируемая в описываемом случае давлением при формовании заготовки. В общем случае плотность упаковки сферических частиц в объеме хорошо изучена.
Задача получения композиционного материала с максимальной объемной долей заполнителя с математической точки зрения сводится к задаче плотной упаковки частиц заполнителя. В случае сферических частиц возможным решением является расчет доли сферических частиц в композиции с различными расчетными отношениями радиусов. Так, в статье [10] описаны результаты теоретических и экспериментальных исследований получения порошковых наполнителей методами с относительной плотностью более 0,5 путем корректировки фракционного состава. Для достижения указанной плотности был использован метод подбора фракционного состава порошка сферической формы корунда, основанный на известных теоретических моделях регулярной и случайной плотной упаковки полидисперсных сфер. Задача плотной упаковки монодисперсных регулярных частицна практике требует ЗР-механической вибрации для достижения приемлемых результатов [11].
Очевидно, что практическое рассмотрение адекватности модели на примере корунда сферической формы предполагает несжимаемость сфер. В рассматриваемом случае уплотнение слоя сфер достигается за счет разрушения наружных ячеек пеностеклянных сферических гранул. В результате каждая гранула по мере сжатия слоя приобретает форму
додекаэдра. Однако при отсутствии сжатия слоя гранул можно считать форму каждой гранулы сферической. Такой вариант рассматриваемого композиционного материала близок к материалам с заполнителям из микросфер.
Наиболее близким по эксплуатационным свойствам к гранулированному пеностеклу заполнителем композиционных материалов являются микросферы. Термостойкие синтетические пены с относительной высокой прочностью на сжатие, модулем упругости и низкой плотностью были успешно изготовлены путем связывания полой стеклянной микросферы фосфатным клеем [12]. Полученные легкие и прочные композиционные материалы могут быть с успехом применены в аэрокосмической, авиационной и нефтяной отраслях.
Такие композиционные пены, состоящие из полых микросфер и матрицы-связки называются синтактическими. Их свойствами можно управлять, изменяя характеристики заполнителя - стеклянных микросфер и матрицы [13]. Варьирование этих двух параметров независимо позволяет разрабатывать синтаксические пены с двумя или более свойствами, адаптированными одновременно. Такая возможность позволяет разрабатывать многофункциональные синтаксические пены и адаптировать их свойства для широкого спектра применений.
Однако ячеистая структура может быть создана не только за счет матрицы, но и путем введения заполнителя, уже имеющего пенистую или пузырьковую структуру. Так легкий материал, называемый синтаксической пеной, может быть получен путем диспергирования полых сфер низкой
плотности из стекла или углерода в матрице смолы [14]. Введение полых сферических наполнителей приводит к заметному снижению плотности материала до 0,6-1 г/см3 и повышению удельной прочности по сравнению с чистыми смолами до 40 МПа ■ г-1 ■ см3.
Применение различных поплотностей сферических заполнителей приводит к получению синтактических пен, отличающихся по свойствам. Полиметилметакрилатные синтетические пены были получены с тремя различными типами полых стеклянных микросфер низкой, средней и высокой плотности. Было отмечено, что плотность синтаксических пен находится в обратном отношении к прочностным свойствам синтаксических пен. Кроме того, синтактные пенома-териалы могут быть получены на основе полых углеродных микросфер [15]. В этом случае модификация поверхности углеродных микросфер приводит к изменению адгезионных свойств заполнителя и соответственно к изменению характеристик получаемого композиционного материала. Для повышения прочности на сжатие, изгиб и трещиностойкости синтактической пены полые углеродные микросферы окисляли в азотной кислоте с последующей обработкой связующим агентом из глутаровогодиальдегида.
Для получения легких композиционных материалов возможно удаление заполнителя из сформованной заготовки. В этом случае пространство между сферами заполняется полимерной смолой с последующей полимеризацией смолы и удалением заполнителя. Пористый шаблон был приготовлен из гранул карбамида и затем пропитан эпоксидной смолой. Способ обеспечивал получение пеноматериалов с низкой относительной плотностью 0,334-0,358 и открытой ячеистой структурой, состоящей из правильных сферических ячеек и круглых соединительных окон.
Замена полых микросфер на гранулы пеностекла, имеющие полиячеистую структуру, приводит к управляемому сжатию слоя сфер без критичного разрушения структуры материала. Очевидно «полка» в форме прямого участка на кривой сжатия слоя пеностеклянных гранул характеризует разрушение наружных ячеек гранулы без необратимого разрушения ячеистой структуры материала в целом. Этот процесс невозможен для полых микросфер, которые при возрастании разрушающей нагрузки необратимо и единовременно теряют структуру полой микросферы с единственной полостью внутри.
Условия приготовления и свойства по
Результатом такого уникального механизма разрушения слоя пеностекла является снижение кажущейся плотности слоя гранул при сжатии без разрушения ячеистой структуры основного объема материала. На границе между гранулами по мере сжатия слоя ячеистого материала уменьшается свободный объем, и пространство между гранулами заполняется обломками ячеек, разрушенных в местах контакта гранул. Поэтому, если изначально ячеистые гранулы покрыты слоем материала матрицы, то при сжатии слоя происходит уменьшение свободного пространства между гранулами и формирование трехмерной сетки матрицы с расположенными в ней зернами заполнителя, приобретающими форму додекаэдров. Обломки ячеек в местах контакта исходных сферических гранул входят при этом в структуру матрицы. В результате доля объема заполнителя может существенно превышать характерные для сферического заполнителя 60-70 об.%.
Можно утверждать, что сжатие гранул в замкнутом объеме приводит к разрушению ячеек в местах контакта гранул и преобразованию формы гранул из сферической в многогранную, близкую к пентадодекаэдру. Наличие связки на поверхности первичных гранул приводит к формированию нового типа композиционного материала, в котором газонаполненные гранулы с первичной ячеистой структурой изменили форму, плотно прилегают друг к другу, образуя вторичную ячеистую структуру. Пространственными границами гранул является связка матрицы.
В результате открывается возможность формировать прессованием высоконаполненные композиционные материалы с необычно высоким содержанием заполнителя в виде гранулированного пеностекла, что позволяет изготавливать материал с низкой кажущейся плотностью.
Для изготовления композиционных материалов из пеностеклянных гранул и полимерной матрицы были выбраны два типа полимеров - полиэфир и полиуретан. Образцы получали смешением пеностеклянных гранул фракции 0,85-1,4 с полимером и прессованием полученной композиции при заданном давлении объемного сжатия. Для сравнения были изготовлены контрольные образцы из чистых полимеровметодом заливки в формы: Ед из чистого полиэфира и ио из чистого полиуретана. Условия приготовления образцов и полученные характеристики представлены в табл. 2.
Таблица 2
1енных композиционных материалов
Образец Материал матрицы Массовая доля матрицы от массы заполнителя Нагрузка прессования, МПа Плотность готового материала, кг/м3 Объемная доля заполнителя, об.% Коэффициент теплопроводности, Вт/(м ■ К)
е02 Полиэфир 0,15 2,9 477 93,5 0,101
еОЗ Полиэфир 0,15 4,8 611 91,7 0,129
е04 Полиэфир 0,15 6,7 682 90,7 0,148
и02 Полиуретан 0,15 2,9 498 93,0 0,103
иОЗ Полиуретан 0,15 4,8 633 91,1 0,134
и 04 Полиуретан 0,15 6,7 734 89,6 0,159
ЕО Полиэфир Чистый полимер 1105 0
ио Полиуретан Чистый полимер 1061 0
05.02.11
Полученные композиционные материалы характеризуются низкой плотностью и высокими теплоизоляционными свойствами, что позволяет рекомендовать их для облегчения конструкций и для теплоизоляции, однако свойствами, определяющими области применения являются механические характеристики. Очевидно увеличение давления объемного сжатия при изготовлении образцов приводит к сближению центров гранул при одновременном разрушении периферийных ячеек, что сопровождается ростом кажущейся плотности при неизменном массовом соотношении
материалов матрицы и заполнителя. При этом объемная доля заполнителя может достигать величины порядка 90 об.%, что невозможно для моноячеистых сферических заполнителей.
В свою очередь рост кажущейся плотности ведет к увеличению предела прочности полученного композиционного материала, что можно наблюдать на рис. 5 и 6 для полиэфирной и полиуретановой матриц соответственно.
По результатам проведенных экспериментов для испытанных образцов получены основные механические параметры, представленные в табл. 3 и 4.
Р, МПа
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30
в
и02 иОЗ и04 U0
0,00 ОД
0,3 в
0,4
0,5 0,6
Рис. 5. Зависимости относительной нагрузки Р при сжатии от деформаций для композиционных материалов с полиэфирной матрицей
Рис. 6. Зависимости относительной нагрузки Р при сжатии от деформаций для композиционных материалов с полиеуретановой матрицей
Таблица 3
Механические параметры образцов ПКМ с полиэфирной матрицей
N° образца Максимальная нагрузка при сжатии, кН Максимальная относительная нагрузка при сжатии, МПа Модуль упругости при сжатии,МПа Деформация при разрушении
e02 3,74 1,83 263 0,02
E03 7,30 3,57 248 0,03
E04 10,06 5,20 384 0,04
E0 15,14 7,41 208 0,07
Таблица 3
Механические параметры образцов ПКМ с полиуретановой матрицей
N° образца Максимальная нагрузка при сжатии, кН Максимальная относительная нагрузка при сжатии, МПа Модуль упругости при сжатии,МПа Деформация при разрушении
и02 1,16 0,57 31 0,03
иОЗ 2,02 0,99 50 0,03
и04 2,81 1,38 30 0,06
U0 - - 1,1 -
Наблюдаемое разрушение ПКМ под воздействием нагрузки аналогично для синтактических пен с заполнителем из микросфер. Поэтому можно предположить, что замена заполнителя с моноячеистых микросфер на полиячеистые гранулы пеностекла не оказывает существенного влияния на свойства ПКМ.
Давление, при котором формируется композиционный материал в описываемом случае, определяет степень разрушения ячеистых гранул в местах контакта и соответственно долю свободного объема вне ячеистой структуры заполнителя, приближаясь в пределе к отсутствию свободного объема между гранулами. Увеличение давления при формовании
композиционного материала приводит к увеличению кажущейся плотности композиционного материала и увеличению прочности.
Во всех случаях происходит хрупкое разрушение композиционного материала, даже если полиуретановая матрица обладает пластичными свойствами. Такой характер разрушения может быть объяснен незначительной долей материала матрицы в общем объеме композиционного материала. По сути, деформированные в процессе приготовления пено-стеклянные гранулы контактируют друг с другом не только в местах точечных контактов сфер, а по площадкам, образовавшимся при деформации гранул в процессе приготовления.
При этом материал матрицы существенно влияет на величину предельной объемной деформации композиционного материала. В приведенных примерах композиционные материалы с примерно одинаковой плотностью около 700 кг/м3 в случае полиэфирной матрицы имеет предельную объемную деформацию в 0,05, а для полиуретановой матрицы соответствующее значение почти в двадцать раз выше и находится около 0,9.
Исходя из вышеописанных свойств композиционных материалов с пеностеклянным гранулированным заполнителем можно предположить наиболее перспективное применение таких материалов для решения задач снижения массы конструкций и создания теплоизоляционных изделий. Конкретное решение для различных применений композиционных материалов может быть предложено в соответствии со свойствами различных матриц.
Таким образом, замена полых микросфер на гранулированное пеностекло открывает новые возможности по созданию синтактических КПМ не только при существенном снижении стоимости, но и с повышенным объемным содержанием заполнителя, достигающим 90 об.%, что невозможно для микросфер. Дополнительным преимуществом в пользу применения гранулированного пеностекла для создания синтактических ПКМ служит экологическая безопасность такого заполнителя.
Заключение
Синтактические композиционные материалы представляющие собой легкие и прочные заполнители в материале матрицы обладают комплексом уникальных свойств, однако их широкое применение сдерживается высокой стоимостью микросфер, используемых, как заполнитель в полимерной матрице. Пеностеклянные гранулы могут быть получены из отходов стекла и обладают сравнительно невысокой стоимостью, низкой плотностью и химической инертностью, что допускает их использование, как заполнителей в композиционных синтактических материалах вместо микросфер.
Установлено, что полиячеистая структура пеностекла допускает разрушение при объемном сжатии поверхностных ячеек без потери общей полиячеистой структуры. В результате объемная доля заполнителя в ПКМ может достигать 90 об.%, при плотности от 470 кг/м3, что невозможно в случае моноячеистых микросфер. Изменение условий приготовления композиционных материалов, а также выбор материала матрицы с различными характеристиками упругости и прочности позволяют в широких пределах варьировать эксплуатационные свойства получаемых композиционных материалов и рекомендовать полученные материалы для применения в конкретных условиях.
В зависимости от природы связки и условий получения, композиционные материалы могут приобретать весьма
разнообразные структурно-механические свойства, что, в свою очередь, допускает применение таких материалов в различных областях промышленности. В статье приводятся результаты механических испытаний различных композиционных материалов на основе заполнителя из пеностекла и связок из полимеров с различными прочностными характеристиками и кажущейся плотностью, аномально низкой для композиционных материалов. Эти обстоятельства предполагают широкие перспективы применения полученных материалов в машиностроении для решения задач теплоизоляции и облегчения конструкции.
Литература
1. Jayavardhan M.L., Mrityunjay D. Quasi-static compressive response of compression molded glass microballoon/HDPE syntactic foam // Composites. Part B: Engineering. Vol. 149. P. 165-177.
2. Porfiri M., Gupta N. Effect of V. fraction and wall thickness on the elastic properties of hollow particle filled composites // Composites. Part B: Engineering. Vol. 40. № 2. P. 166-173.
3. Буланое И.М., Воробей B.B. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998. 516 с.
4. Bai С., Li Н., Bernardo f., Colombo P. Waste-to-resource preparation of glass-containing foams from geopolymers // Ceramics International. 2019. Vol. 45. № 6. P. 7196-7202. URL: https://doi. org/10.1016/j.ceramint. 2018.12.227
5. Демидоеич Б.К. Производство и применение пеностекла. Минск: Наука и техника, 1972. 301 с.
6. Vaisman /., KetovА., KetovI. Cellular glass obtained from non-powder preforms by foaming with steam // Ceramics International. 2016. Vol. 42. № 14. P. 15261-15268. URL: https://doi.Org/10.1016/j. ceramint.2016.06.165
7. König J., Petersen R.R., Iversen N., Yue Y. Suppressing the effect of cullet composition on the formation and properties of foamed glass //Ceramics International. 2018. Vol. 44. № 10. P. 11143-11150. URL: https://doi.Org/10.1016/j.ceramint.2018.03.130
8. Nazeran N., Moghaddas J. Synthesis and characterization of silica aerogel reinforced rigid polyurethane foam for thermal insulation application//J. Non-Crystalline Solids. 2017. Vol. 461. P. 1-11. URL: https://doi.Org/10.1016/j.jnoncrysol.2017.01.037
9. Гаериленко С.Л., Шилько C.B. Анализ прочности сферических гранул методами механик и контактного взаимодействия // Механика машин, механизмов и материалов. 2014. N° 2 (27). С. 56-59.
10.Smirnov A., Ponomarev S., Vasin A. Dense Packing of Poly-Fractional Powder of Ceramic Materials // International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment 2018: Materials Today Processing. 2019. Vol. 11. Part 1. P. 504-509. URL: https://doi.Org/10.1016/j.matpr.2019.01.021
11.Zhao В., An X., Wang Y., Qian Q., Yang X., Sun X. DEM dynamic simulation of tetrahedral particle packing under 3D mechanical vibration // Powder Technology. 2017. Vol. 317. P. 171-180. URL: https://doi.Org/10.1016/j.powtec.2017.04.048
12. Haitao Geng, Jiachen Liu, Anran Guo, Sue Ren, Xiqing Xu, Shan Liu. Fabrication of heat-resistant syntactic foams through binding hollow glass microspheres with phosphate adhesive // Materials & Design. 5 April 2016. V. 95. P. 32-38. URL: https://doi.Org/10.1016/j. matdes.2016.01.108
13.Pinisetty D., Shunmugasamy V.C., Gupta N. Hollow Glass Microspheres for Plastics, Elastomers, and Adhesives Compounds // Plastics Design Library. 2015. P. 147-174. URL: https://doi. org/10.1016/B978-1-4557-7443-2.00006-2
14. Ren S., Li X., Zhang X.,XuX., DongX., Liu J., Du H., Guo A. Mechanical properties and high-temperature resistance of the hollow glass microspheres/borosilicate glass composite with different particle size //J. Alloys and Compounds. 2017. Vol. 722. P. 321-329. URL: https://doi.Org/10.1016/j.jallcom.2017.06.092
15.Zhang L., Ma J. Effect of coupling agent on mechanical properties of hollow carbon microsphere/phenolic resin syntactic foam // CompositesScienceandTechnology.2010. Vol.70. №8. P. 1265-1271. URL: https://doi.Org/10.1016/j.compscitech.2010.03.016
СТАТЬЯ ПРОШЛА РЕЦЕНЗИРОВАНИЕ ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ 05.02.11 ЧЛЕНАМИ РЕДАКЦИОННОЙ КОЛЛЕГИИ ЖУРНАЛА «COMPUTATIONAL NANOTECHNOLOGY»
DOI: 10.33693/2313-223X-2019-6-3-39-46
SYNTACTIC POLY MERIC COMPOSITE MATERIALS HIGHLY COMPLETED WITH GRANULATED FOAM GLASS
Ketov lurii Alexandrovich, postgraduate of the Perm National Research Polytechnic University. Perm, Russian Federation. E-mail: ketovl992@list.ru
Slovikov Stanislav Vasilyevich, candidate of Engineering Sciences, senior research of the Perm National Research Polytechnic University. Perm, Russian Federation. E-mail: sslovikov@ya.ru
Abstract. It is proposed to use granular foam glass as an alternative aggregate for syntactic composite materials. Studies have been carried out on the preparation and physical-mechanical properties of composite materials with aggregate made of granular foam glass and a high degree of filling. To create compositions, binders based on polyester and polyurethane matrices were used. During compression in the cylinder of granular foam glass, a mechanism for the destruction of granules was revealed and the conditions for producing highly filled composites were established. The influence of the nature of the binder and the pressing pressure of the workpiece on the apparent density and strength of the resulting composite materials was studied.
Key words: polymer composite materials, granulation foamglass, polyester and polyurethane matrices.
Reference list
1. Jayavardhan M.L., Mrityunjay D. Quasi-static compressive response of compression molded glass microballoon/HDPE syntactic foam. Composites. Part B: Engineering. Vol. 149. P. 165-177.
2. Porfiri M., Gupta N. Effect of V. fraction and wall thickness on the elastic properties of hollow particle filled composites. Composites. Part B: Engineering. Vol. 40. № 2. P. 166-173.
3. Bulanov I.M., Vorobey V.V. Technology of rocket and aerospace structures from composite materials. M.: MSTU. N.E. Bauman, 1998. 516 p.
4. Bai C., Li H., Bernardo E., Colombo P. Waste-to-resource preparation of glass-containing foams from geopolymers. Ceramics International. 2019. Vol. 45. № 6. P. 7196-7202. URL: https://doi.org/10.1016/ j.ceramint.2018.12.227
5. Demidovich B.K. Production and use of foam glass. Minsk: Science and technology, 1972. 301 p.
6. Vaisman I., Ketov A., Ketov I. Cellular glass obtained from non-powder preforms by foaming with steam. Ceramics International. 2016. Vol. 42. № 14. P. 15261-15268. URL: https://doi.org/10.1016/ j.ceramint.2016.06.165
7. König J., Petersen R.R., Iversen N., Yue Y. Suppressing the effect of cullet composition on the formation and properties of foamed glass. Ceramics International. 2018. Vol. 44. № 10. P. 11143-11150. URL: https://doi.Org/10.1016/j.ceramint.2018.03.130
8. Nazeran N., Moghaddas J. Synthesis and characterization of silica aerogel reinforced rigid polyurethane foam for thermal insulation application. J. Non-Crystalline Solids. 2017. Vol. 461. P. 1-11. URL: https://doi.Org/10.1016/j.jnoncrysol.2017.01.037
9. Gavrilenko S.L., Shilko S.V. Strength analysis of spherical granules by the methods of mechanics and contact interaction. Mechanics
of machines, mechanisms and materials. 2014. N° 2 (27). P. 56-59.
10. Smirnov A., Ponomarev S., Vasin A. Dense Packing of Poly-Fractional Powder of Ceramic Materials. International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment 2018: Materials Today Processing. 2019. Vol. 11. Part 1. P. 504-509. URL: https://doi.Org/10.1016/j.matpr.2019.01.021
11. Zhao B., An X., Wang Y., Qjan Q., Yang X., Sun X. DEM dynamic simulation of tetrahedral particle packing under 3D-mechanical vibration. Powder Technology. 2017. Vol. 317. P. 171-180. URL: https://doi.Org/10.1016/j.powtec.2017.04.048
12. Haitao Geng, Jiachen Liu, Anran Guo, Sue Ren, Xiqing Xu, Shan Liu. Fabrication of heat-resistant syntactic foams through binding hollow glass microspheres with phosphate adhesive. Materials & Design. 5 April 2016. V. 95. P. 32-38. URL: https://doi.org/10.1016/ j.matdes.2016.01.108
13. Pinisetty D.,Shunmugasamy V.C., Gupta N. HollowGlass Microspheres for Plastics, Elastomers, and Adhesives Compounds. Plastics Design Library. 2015. P. 147-174. URL: https://doi.org/10.1016/B978-l-4557-7443-2.00006-2
14. Ren S., Li X., Zhang X., Xu X., Dong X., Liu J., Du H., Guo A. Mechanical properties and high-temperature resistance of the hollow glass microspheres/borosilicate glass composite with different particle size. J. Alloys and Compounds. 2017. Vol. 722. P. 321-329. URL: https://doi.Org/10.1016/j.jallcom.2017.06.092
15. Zhang L., Ma J. Effect of coupling agent on mechanical properties of hollow carbon microsphere/phenolic resin syntactic foam. Composites Science and Technology. 2010. Vol. 70. № 8. P. 1265-1271. URL: https://doi.Org/10.1016/j.compscitech.2010.03.016
