Влияние плазменной обработки на механические свойства пропитанных смолой углеродных волокон при растяжении

Гарифуллин А.Р.; Абдуллин И.Ш.; Галямова К.Н.; Скидченко Е.А.

УДК 66.022.1:541-16:691.175.3

А. Р. Гарифуллин, И. Ш. Абдуллин, К. Н. Галямова, Е. А. Скидченко

ВЛИЯНИЕ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ПРОПИТАННЫХ СМОЛОЙ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН ПРИ РАСТЯЖЕНИИ

Ключевые слова: углеродное волокно, волокнистые полимерные композиционные материалы, плазма, высокочастотный емкостной разряд, межфазные свойства, прочность при растяжении, модификация.

Исследованы механические свойства пропитанных смолой углеродных волокон при растяжении модифицированных плазмой. Установлено, что плазменная обработка увеличивает прочность при растяжении композита на основе углеродного волокна.

Keywords: carbon fiber, carbon fiber reinforced polymer composites, plasma, radio-frequency capacitive discharge, interfacial properties, adhesion, tensile strength, modification.

Were studied the mechanical properties of composites carbon fiber/epoxy resin after radio-frequency capacitive discharge plasma treatment. It was found that the plasma treatment increases the tensile strength of the composites.

Введение

В предыдущих работах [1-3] установлена тенденция углеродных волокон (УВ) после активации плазмой при пониженном давлении к повышению адгезионной прочности в волокнистых полимерных композиционных материалах (ВПКМ), используемых в создании спортивного инвентаря и гоночных автомобилей. Высокое адгезионное взаимодействие между волокном и полимерной матрицей обеспечивает максимальные прочностные показатели ВПКМ.

Из работы [4] известно, что метод плазменной обработки УВ в высокочастотном емкостном (ВЧЕ) разряде при пониженном давлении является одним из самых перспективных.

Главной целью данной работы является изучение влияние плазменной обработки на механические свойства пропитанных смолой УВ при растяжении.

Экспериментальная часть

Для проведения исследований выбрано волокно марки UMT42 12K (Россия). Полимерная матрица изготавливалась из эпоксидной смолы ЭД-20 и полиэтиленполиамина (ПЭПА) в соотношении 10:1. В качестве разбавителя полимерной матрицы использовали растворитель РП (ТУ 6-10-1095-76).

Для пропитки образцов изготовлена оснастка, на которой крепились нити волокна. Полимерную матрицу наносили кистью, равномерно по всей длине материала. Далее специальным обжимным приспособлением удаляли остатки смолы. Затем после отверждения матрицы, волокна помещали в сушильный шкаф на 4 часа при 80 DC. Изготовленные образцы композита подвергали испытанию на универсальной испытательной машине Autograph AGS-X (Shimadzu, Япония). Чтобы не повредить материал в месте зажима использовали зажимные губы с резиновой прокладкой. Скорость испытания составляла 250 мм/мин. Испытание проводили с цифровым экс-тензометром. Расчет предела прочности при растяжении проводили по формуле:

А

где с - предел прочности при растяжении, МПа; F - максимальная сила растяжения, Н; A - площадь поперечного сечения образца, м2

Площадь поперечного сечения измеряли путем электронной микроскопии на РЭМ Lext OLS4000 (Olympus, Япония) (рис. 1).

Scanning mode:XYZ step scan Image size[pixels]:1024X1024 Image stze[pm]: 2572x2578 Objective len$:MPLFLN5 Zoom:1X

: : . 4-ФЩ ;

1Ш

шшш ■ " ■■.. -

t ' ' »*r

Рис. 1 - Микрофотография поперечного среза образца (увеличение х107)

Для повышения механических характеристик модифицировали УВ на плазменной установке ВЧЕ разряда при пониженном давлении [5]. Модификацию проводили при следующих постоянных параметрах: давление Р = 26,6 Па, расход плазмообра-зующего газа в = 0,04 г/с, напряжение на аноде иа = 5 кВ, время обработки варьировали 1 = 10; 20 мин. В качестве плазмообразующего газа использовали аргон и воздух. Таким образом, было использовано

четыре режима обработки: «1» - 10 минут, газ -воздух. «2» - 20 минут, газ - воздух. «3» - 10 минут, газ - аргон. «4» - 20 минут, газ - аргон.

Результаты исследования механических свойств при растяжении представлены в таблице 1 и отражены на рисунке 2.

Таблица 1 - Влияние плазменной обработки на механические свойства при растяжении

Имя Сила, Н Прочность, Мпа Деформация, %

контр 1187,36 920,43 0,93

1210,01 930,78 1,20

1136,47 887,87 0,94

1 1232,21 955,20 0,85

1245,22 957,86 0,81

1378,96 1052,64 0,94

2 1264,25 987,70 0,79

1332,56 1025,05 0,73

1402,48 1070,60 1,10

3 1340,44 1031,11 0,90

1372,35 1047,60 0,96

1414,99 1071,96 1,03

4 1249,94 961,49 0,86

1383,58 1056,17 0,94

1226,93 951,11 0,83

о. МПа 1100

contr 12 3 4

режим

Рис. 2 - Зависимость предела прочности композита от режима обработки

Для всех режимов характерно повышение прочности при растяжении. Представленные результаты говорят о положительном влиянии ВЧЕ плазмы на ВПКМ на основе УВ. Наивысшие значение предела прочности при растяжении среди данных режимов достигается после модификации в режиме № 3. Объяснять повышение адгезии между волокном и матрицей после обработки в среде воздуха можно

образованием на поверхности волокон функциональных групп, взаимодействующих с полимерным связующим [6, 7]. В среде аргона, предположительно, за счет частичного удаления апрета с поверхности происходит увеличение площади удельной поверхности УВ [2], что обеспечивает лучшую механическую адгезию. C увеличением времени обработки поверхность стравливается и это отражается на прочностных свойствах композита.

Выводы

Выявлена положительная тенденция улучшения механических свойств после плазменной обработки в среде, как воздуха, так и аргона.

Установлено, что плазменная обработка при пониженном давлении в ВЧЕ разряде обеспечивает повышение предела прочности при растяжении, что объясняется улучшением адгезионных взаимодействий между УВ и матрицей.

Литература

1. Гарифуллин А. Р., Абдуллин И. Ш. Плазменная гид-рофилизация углеродной ленты для создания композиционных материалов с повышенными прочностными характеристиками / А.Р. Гарифуллин, И.Ш.Абдуллин // Вестник Казанского технологического университета. 2014. № 17. С. 101-102.

2. Гарифуллин А.Р. Исследование свойств углеродных волокон, модифицированных высокочастотным емкостным разрядом / А.Р. Гарифуллин, И.Ш. Абдуллин // Вестник Казанского технологического университета. -2014. - №18. - С. 32 - 34.

3. Гарифуллин А.Р. Исследование плазменного воздействия на прочность соединения углеродного волокна с эпоксидной матрицей при получении композиционных материалов / А.Р. Гарифуллин, Е.А. Скидченко, И.Ш. Абдуллин // Вестник Казанского технологического университета. 2014. № 21. С. 69-70.

4. Гарифуллин А.Р. Современное состояние проблемы поверхностной обработки углеродных волокон для последующего их применения в полимерных композитах в качестве армирующего элемента / А.Р. Гарифуллин, И.Ш. Абдуллин // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - №7. - С. 80-85.

5. Абдуллин И. Ш., Желтухин В. С., Сагбиев И. Р., Шае-хов М.Ф. Модификация нанослоев в высокочастотной плазме пониженного давления. - Казань: Изд-во Казан. технол. ун-та, 2007. - 356 с.

6. A study of the effect of oxygen plasma treatment on the interfacial properties of carbon fiber/epoxy compo-sites/Keming Ma, Ping Chen, Baichen Wang, Guiling Cui, Xinmeng Xu // Journal of Applied Polymer Science. 2010. V. 118. P. - 1606-1614.

7. Effect of oxygen plasma-treated carbon fibers on the tribological behavior of oil-absorbed carbon/epoxy woven composites / K. Y. Rhee, S.J. Park, D. Hui, Y. Qiu..//Composites. B. 2012. 43, N 5, с. 2395-2399.

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Гарифуллин А. Р., Абдуллин И. Ш., Галямова К. Н., Скидченко Е. А.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Гарифуллин А. Р., Абдуллин И. Ш., Галямова К. Н., Скидченко Е. А.

Текст научной работы на тему «Влияние плазменной обработки на механические свойства пропитанных смолой углеродных волокон при растяжении»