CC BY
29
Секция ««ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ»
УДК 539.21
Н. С. Наумкин, А. Б. Шестаков, А. А. Иваненко, А. А. Пшеничная Научный руководитель - Н. П. Шестаков Сибирский федеральный университет, Институт инженерной физики и радиоэлектроники, Институт физики имени Л. В. Киренского СО РАН, Красноярск
УСТАНОВКА ДЛЯ НАПРАВЛЕННОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ЭПОКСИДНОГО ПОЛИМЕРА
Описана установка и метод направленной полимеризации. Метод полимеризации основан на передвижении контейнера, содержащего смесь исходных компонентов (эпокси-диановая смола ЭД-22, ГОСТ 10587-84; отвердитель - изометилтетрогидрофталевый ангидрид (Изо-МТГФА), ТУ 38.103149-85; ускоритель -УП-606/2), через градиентное температурное поле, создаваемое нагревателем. Выращивание полимера производится в результате направленной химической реакции на границе, между жидкой смесью исходных компонентов и твердеющим полимером.
Эпоксидные полимеры - это наиболее прочные полимерные материалы, которые твердеют в результате химической реакции. Отличительной особенностью данных материалов является высокая удельная прочность, что способствует их широкому применению в самолетостроении, ракетостроении и других отраслях промышленности.
Большое влияние на свойства полимера оказывает метод полимеризации, поэтому существует задача по поиску методов полимеризации, которые позволят улучшить структуру полимера и его свойства.
Установка для направленного выращивания химически связанных полимеров представлена на рис. 1а. В герметичный цилиндрический стеклянный контейнер 1, помещен тефлоновый сосуд, содержащий смесь исходных компонентов 2. Оптимальное соотношение исходных компонентов в смеси составляет 100/81/0,3 (ЭД-22/отвердитель/ускоритель). Выращивание полимера производится путем перемещения контейнера сверху вниз с помощью часового механизма 4, через температурные зоны, которые расположены вдоль оси 2. Распределение температуры, создаваемое нагревателем 3, вдоль оси 2 предварительно измерено и представлено на рис. 1, б. Максимум кривой распре-
деления температуры вдоль оси нагревателя контролируется термопарой, которая крепится к нагревателю и соединена с цифровым термометрическим устройством. Рост полимера происходит на диффузной границе раздела (жидкость - твердый полимер). Вязкость исходной полимерной смеси невелика, поэтому молекулы могут свободно передвигаться таким образом, чтобы реакционно-способные группы могли сталкиваться друг с другом. В любой момент времени в контейнере существует граница раздела между твердой и жидкой фазами, и по мере продвижения контейнера вдоль оси нагревателя она плавно передвигается в направлении от твердого полимера к жидкости. Полимеризация осуществляется направленно снизу вверх.
Полимер, получаемый методом направленной полимеризации [1], исследован методами ИК спектроскопии, динамического механического анализа и методом абсорбции. Сравнение проводилось с эпоксидным полимером, полученном в изотропном температурном поле. Выращенный полимер имеет отличающийся спектр ИК поглощения, повышенную термостойкость, меньшую абсорбцию растворителя.
Схема экспериментальной установки для направленного выращивания полимеров (а): 1 - герметичный контейнер, содержащий тефлоновый сосуд; 2 - жидкая смесь исходных компонентов полимера, помещенная в тефлоновый сосуд; 3 - трубчатый керамический нагреватель; 4 - устройство для передвижения контейнера; 5 - термопара; 6 - диффузная граница раздела жидкость - твердый полимер; 7 - растущий полимер. Распределение температуры вдоль оси нагревателя 2 (б)
Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки
Если выращивание эпоксидного полимера методом направленной полимеризации происходит из не-стехиометрической смеси компонент, то наблюдается эффект выдавливания, химически несвязанных молекул, из твердеющего объема в жидкий. Установка для направленного выращивания полимеров является близким аналогом установки для выращивания кристаллов по методу Стокбаргера-Бриджмена [2], а наблюдаемый эффект выдавливания дефектов структуры, вероятно, имеет такую же природу.
В известном методе фронтальной полимеризации [3] образец изначально находится в изотропном температурном поле, а градиент температуры образуется за счет экзотермической реакции. В результате происходит распространение фронта полимеризации.
В предлагаемом методе направленной полимеризации образец постепенно нагревается, посредством прохождения через градиентное температурное поле, которое изначально создается нагревателем, а выделение тепла в пограничном слое при полимеризации может только лишь усиливать температурный градиент. В данных условиях выделение тепла при химической реакции в пограничном слое недостаточно для самораспространения фронта полимеризации. Это
подтверждается контрольными вскрытиями контейнеров в процессе полимеризации и определением положения границы между полимером и смесью. Скорость движения пограничного слоя совпадает со скоростью движения контейнера. Представленный метод направленной полимеризации позволяет выращивать полимеры, в которых тепловая энергия, выделяемая за счет протекания реакции недостаточна для самораспространения фронта полимеризации.
Библиографические ссылки
1. Пат. 2444529 Российская Федерация, МПК С08Б2/01, Устройство для направленной полимеризации /Шестаков Н. П., Иваненко А. А., Шабанов В. Ф., Наумкин Н. С., Бурова О. В., Шестаков А. Б. № 2010129139/04; 13.07.2010; утв. 10.03.2012, Бюл. № 7.
2. Чернов А. А. и др. Современная кристаллография. Т. 3. Образование кристаллов. М. : Наука, 1980.
3. Чечило Н. М., Хвиливицкий Р. Я., Ениколопян Н. С. ДАН. Т. 204. 1180 (1972).
© Наумкин Н. С., Шестаков А. Б., Иваненко А. А.,
Пшеничная А. А., 2012
УДК 669.189
Ю. А. Панченкова Научный руководитель - С. Ф. Тлустенко Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет), Самара
ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ДИСПЕРСНОСТЬ ДЕНДРИТНЫХ СТРУКТУР СТАЛЕЙ
Степень дисперсности в структуре дендритных кристаллов конструкционных сталей зависит от воздействия двух основных факторов: кинетического (режимов охлаждения) и термодинамического (условий формирования дендритов). С целью исследования влияния указанных факторов на параметры кристаллизации, определяющие дисперсность дендритных структур сталей, проведем исследование влияния количественных показателей двух составляющих с целью получения эмпирических и аналитических выражений для оценки состояния структуры.
Установлено, что зависимость дисперсности дендритных кристаллов от скорости охлаждения уохл при кристаллизации большинства сплавов выражается с помощью формализованного уравнения
X = а/упохл, (1)
где X - расстояние между ветвями второго порядка (дендритный параметр); а и п - коэффициенты, определяющие параметры дендритов при кристаллизации, где п = 1/2 - 1/3, а - характерный показатель дендритного строения в зависимости от вида сплава.
В уравнении (1) дендритный параметр 1 представляет собой аддитивную величину, отражающую воздействие двух переменных: кинетической (скорость охлаждения) и термодинамической (степень огрубления дендритов). Выделение в зависимости (1) кинетической и термодинамической составляющих проведем для выявления и реализации новых возможностей воздействия на структуру железоуглеродистых спла-
вов в рамках известной триады состав - структура -свойства.
Для выявления степени огрубления дендритов в углеродистых сталях и чугуне эффективен метод, основанный на сопоставлении в литых образцах дендритных параметров кристаллов в зонах прерванной (Х1) и штатной (Х2) кристаллизации. При этом отношение Х2А,1 определяется величиной степени огрубления дендритов
Согруб =Х 2/ V (2)
Для получения реальной структуры зоны разрушения и оценки влияния на процесс разрушения дендритной структуры темплеты надрезали в радиальном направлении и доламывали так, чтобы поверхность разрушения пересекала зону усадочных дефектов. Исследование одной половины темплета по вырезанному из него образцу проводилось по анализу параметров дендритов в усадочных полостях на сканирующем
