Исследование вязкоупругих характеристик композита, наполненного непрерывными органическими волокнами, через диэлектрические характеристики межфазного слоя тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЯЗКОУПРУГИХ СВОЙСТВ ПКМ НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ВОЛОКОН.

2.1. ВЫСОКОПРОЧНЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА.

2.2. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АРМИРУЮЩИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВОЛОКОН.

2.3. ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ВОЛОКОН.

2.4. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУР НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ФАЗ В ПКМ.

2.4.1. МЕТОД ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА.

2.4.2. СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ.

2.4.3. СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ.

2.4.4. ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД.

3. АНАЛИЗ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

3.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ АНАЛИЗА ПОВЕРХНОСТИ.

3.2. МЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.2.1. ИССЛЕДОВАНИЕ АДГЕЗИИ.

3.2.2. МЕТОД ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ.

3.3. НЕРАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ПОЛИМЕРОВ.

3.4.1. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ.

3.4.2. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ТЕОРИЯ.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, ПРОХОДЯЩИХ НА ПОВЕРХНОСТИ, ЧЕРЕЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛА

4.1. ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК.

4.1.1. ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ

ПОСТОЯННОМ ТОКЕ.

4.1.2. ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ.

4.1.3. ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАСТИН, ФОЛЬГИ И ПЛЕНОК.

4.2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ СТРУКТУР, ЧЕРЕЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛА.

4.3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЯЗКОУПРУГИХ СВОЙСТВ ПКМ С УЧЕТОМ МФС.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЯЗКОУПРУГИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ ВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИТОВ.

5.1. СПОСОБЫ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ В ОРГАНОПЛАСТИКАХ (СВМ, АРМОС, ТЕРЛОН).

5.2. СРЕДСТВА ИЗУЧЕНИЯ ЗАВИСИМОСТИ ТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ.

5.3. РАСЧЕТ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОГРЕШНОСТИ МЕТОДА.

5.4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЯЗКОУПРУГИХ СВОЙСТВ ПКМ НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ВОЛОКОН С ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ.

5.4.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОУПРУГИХ СВОЙСТВ ПКМ С

ПОМОЩЬЮ ЗАВИСИМОСТИ tg£ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ.

5.4.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОУПРУГИХ СВОЙСТВ ПКМ С ПОМОЩЬЮ МЕХАНИЧЕСКОГО МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ АДГЕЗИИ.

Актуальность темы.

Композиционные материалы с полимерной матрицей обладают рядом преимуществ, определяющих их усиленное применение в передовых отраслях современного машиностроения - ракетно-космической технике и авиастроении. Это, прежде всего, их уникальные удельные характеристики (высокая удельная прочность и жесткость). Особенностью производства изделий из композиционных материалов, армированных непрерывными волокнами, является одновременность проектирования и формирования материала и конструкции. В связи с этим достижение высокого качества изделий невозможно без разработки методов контроля на всех этапах технологического процесса, схема которого представлена на рис. 1.1.

Наиболее важным можно считать контроль структуры формирующегося материала, который представляет собой двухфазную систему, реализующую уникальные свойства армирующих волокон. В соответствии с правилом смесей прочностные и вязкоупругие характеристики ПКМ выражаются исходя из аддитивного вклада компонент в свойства материала:

Л+ОмО-О (1.1)

Ек=ЕЛ+Ем(1-ун) (1.2) где ак,ан,ам . прочностные параметры композита, волокна и матрицы, ЕК,ЕН,ЕМ соответственно модуль упругости композита, волокна и матрицы объемное содержание волокна. При этом связь между волокном и матрицей по поверхности раздела считается идеальной. На практике получение идеальной связи невозможно, а, следовательно, степень реализация свойств компонент в композите определяется м

Волокнистые материалы (ВМ)

Обработка поверхности ВМ V

Контроль механических характеристик волокон и состояния поверхности (прочность волокна, контроль поверхности, контроль на совмещение с матрицей)

Создание технологического процесса и контроль технологических параметров , (температура, \ влажность, \ скорость отверждения и ^ У.и)

121

Совмещение компонент

Контроль технологических параметров

Контроль процессов совмещения компонент и полученного материала

Технологический процесс изготовления ПКМ (намотка, прессование)

Контроль степени реализации свойств компонент в ПКМ

Рис. 1.1. Алгоритм процесса создания изделий из полимерных композиционных материалов армированных непрерывными волокнами и методов контроля взаимодействием фаз на поверхности раздела. Контроль характера взаимодействия наполнителя и матрицы и разработка методов его оценки и анализа приобретают в настоящее время важное значение, способствуя созданию материалов с заранее заданным комплексом свойств.

За последнее десятилетие накоплено множество экспериментальных данных, свидетельствующих о необычайной сложности взаимообусловленности явлений, протекающих на поверхности. В связи с этим коренным образом изменяются наши представления об ее природе, составе и структуре, а также методах контроля, позволяющих осуществлять контроль поверхностных явлений.

Решение этой актуальной проблемы невозможно без полного понятия и объяснения свойств и структуры поверхностного слоя и границы раздела фаз. Это осуществимо лишь при наличии методов и средств исследования физико-механических характеристик приповерхностных структур, полученных на поверхности твердых веществ с заданным составом, строением и необходимыми физико-химическими свойствами.

Используемые методы и средства для измерения необходимых характеристик полимерных композиционных материалов материало- и энергоемки, поэтому существует необходимость в разработке новых принципов контроля основных характеристик материала в процессе изготовления композиционного материала и готового изделия на его основе.

Такой подход к совершенствованию контроля качественных и количественных характеристик изделий из полимерных композитов, к снижению энерго- и материалоемкости исследования, привел к созданию нового поколения методов контроля наиболее важных характеристик наполненного полимерного материала (прочность, модуль упругости). Это позволило осуществить переход от разрушающих методов контроля взаимодействия на поверхности раздела фаз к структурно-чувствительным методам, связанными с зависимостью диэлектрических свойств материала с прочностью межфазного взаимодействия волокно - матрица. Анализ этой зависимости положен в основу методов контроля основных параметров напряженно - деформированного состояния конструкционных полимерных композитов, таких как модуль упругости и прочность межфазных слоя, определяющие эксплуатационные характеристики готового изделия. Следовательно актуальность темы исследований связана не только с совершенствованием контроля за входными и выходными параметрами полимерного композита, но и переходом методов контроля на более высокий методологический уровень.

Цель работы.

Разработка методов контроля свойств композиционных материалов с органическим наполнителем через диэлектрические характеристики межфазного слоя для оценки качества упруго-прочностной связи на поверхности раздела фаз.

Задачи:

- Исходя из строения органических волокон выбрать метод измерения диэлектрических характеристик (тангенс угла диэлектрических потерь и диэлектрическая проницаемость), на основании зависимости которых исследовать возможность получения информации о физико-механических характеристик межфазного слоя.

- Разработать методику и средства, позволяющие осуществить измерения зависимости тангенса угла диэлектрических потерь от температуры для материалов с малыми диэлектрическими потерями, каковыми являются композиционные материалы.

- Построить модель полимерного композиционного материала (ПКМ) и создать методику контроля физико-механических свойств межфазного слоя и упруго прочностных характеристик ПКМ на основе измеряемых электрофизических параметров.

Предмет исследования.

Предметом исследования является полимерный композиционный материал на основе органических волокон СВМ, Армос и Терлон, граничный слой в котором можно изменять с помощью обработки поверхности армирующего наполнителя методами, разработанными на кафедре ФиТКМ АлтГТУ и использующие радиционно-химические и плазмо-химмические процессы. Исследование электрофизических характеристик этого слоя позволит оценить неразрушающим методом и с малыми материальными затратами эффективность применяемых обработок для получения полимерных композиционных материалов с заданным комплексом свойств.

Научная новизна.

Предложена концептуальная модель межфазного взаимодействия в полимерных композиционных материалах наполненных непрерывными органическими волокнами с определенными физико-механическими характеристиками, что позволило использовать ее для разработки неразрушающих методов контроля.

Установлена связь между характером и физико-механическими характеристиками взаимодействия на поверхности раздела фаз в полимерных композитах и диэлектрическими свойствами межфазного слоя, на основании которой разработан метод контроля и анализа вязкоупругих характеристик полимерного композиционного материала с органическим наполнителем на основе зависимости диэлектрических свойств границы раздела фаз от температуры.

Установлена вариация упруго-прочностных характеристик органопластиков в зависимости от способа модификации поверхности волокнистого наполнителя, что дало возможность практическому материаловедению получить новые методы анализа и контроля качества адгезионного взаимодействия и количественных характеристик межфазного взаимодействия.

Практическая ценность.

Практическая ценность разработанного метода заключается в возможности осуществлять контроль межфазных структур в композиционных материалах, оценивать их модуль упругости (Е), толщину и др. характеристики межфазного слоя и переносить этот анализ на свойства ПКМ. Это позволит осуществить контроль качества полученных изделий, не применяя разрушающих методов контроля, что подтверждено патентом РФ.

Реализация и внедрение результатов исследования.

Материалы исследования используются в учебном процессе на кафедре ФиТКМ АлтГТУ, при выполнении НИР и НИОКР на ряде предприятий отрасли.

Апробация работы.

Материалы и результаты исследований по теме диссертационной работы обсуждались и докладывались на объединенных научно-технических семинарах кафедры «Физика и технология композиционных материалов» АлтГТУ, АГУ и БГПУ, на международных научно-технических конференции «Композиты в народное хозяйство России», Барнаул, 1995 г., 1997 г., научно технических конференциях студентов, аспирантов и сотрудников АлтГТУ 1997,1998 гг.