Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Экспериментальные методы исследования границы раздела фаз полимерных композиционных материалов

Диссертация: Экспериментальные методы исследования границы раздела фаз полимерных композиционных материалов
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Основной тенденцией в развитии промышленного комплекса последнего времени можно считать усовершенствование характеристик материалов. Как правило, стремятся к снижению веса, увеличению прочности и повышению их стойкости к агрессивным средам. В связи с этим возникает потребность в новых материалах, способных с наибольшей выгодой заменить традиционные. Таковыми являются полимерные композиционные… Читать ещё >

Экспериментальные методы исследования границы раздела фаз полимерных композиционных материалов (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
  • 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФАЗ В ПКМ НА ОСНОВЕ ОРЕАНИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
  • 1. Л Высокопрочные органические волокна
    • 1. 1. 1. Получение органических волокон
  • 1. Л .2 Особенности структуры волокон
  • 1. Л .3 Основные свойства волокон
    • 1. 2. ПКМ на основе органических волокон
    • 1. 2. Л Подбор связующего
      • 1. 2. 2. Получение органопластиков с высоким относительным содержанием волокон
    • 1. 3. Структура и свойства межфазного слоя
      • 1. 3. 1. Основные понятия
      • 1. 3. 2. Способы увеличения адгезионной прочности
    • 1. 4. Электрические свойства ПКМ
      • 1. 4. 1. Общие сведения о диэлектрической проницаемости полимеров
      • 1. 4. 2. Электрическая релаксация в полимерах
      • 1. 4. 3. Влияние различных факторов на диэлектрические потери полимеров
    • 1. 5. Релаксационные явления в ПКМ с учетом межфазного взаимодействия
    • 1. 6. Разрушающие методы исследования
      • 1. 6. 1. Механизмы и критерии разрушения композитов
      • 1. 6. 2. Основные методы определения адгезионной прочности
    • 1. 7. Неразрушающие методы исследования
      • 1. 7. 1. Методы определения диэлектрических характеристик ПКМ
    • 1. 8. Анализ зависимости диэлектрических характеристик ПКМ от температуры

Основной тенденцией в развитии промышленного комплекса последнего времени можно считать усовершенствование характеристик материалов. Как правило, стремятся к снижению веса, увеличению прочности и повышению их стойкости к агрессивным средам. В связи с этим возникает потребность в новых материалах, способных с наибольшей выгодой заменить традиционные. Таковыми являются полимерные композиционные материалы (ПКМ), чей широкий диапазон всевозможных свойств не сравним ни с одним из обычных материалов.

Особенностью производства изделий из ПКМ, армированных непрерывными волокнами, является то, что проектирование и формирование материала и конструкции происходит одновременно. В связи с этим, достижение высокого качества изделий невозможно без контроля структуры материала на всех этапах технологического процесса.

В процессе изготовления армированных непрерывными волокнами ПКМ, на границе раздела матрица-наполнитель возникает довольно тонкий межфазный слой (МФС), структура и свойства которого оказывают существенное влияние на формирование свойств и поведение материала в целом. В связи с этим возникает потребность в тщательном исследовании характеристик МФС без нарушения его структуры, что становится возможным при наличии эффективных методов исследования, не связанных с разрушением материала.

Исследование сложных многокомпонентных структур, каковыми являются ПКМ, на базе какого-либо одного универсального прибора или метода, является проблематичным, так как такие структуры имеют многопараметрическую природу, то есть характеризуются изменением многих параметров одновременно. Более перспективным видится использование комплексного подхода, основанного на сочетании возможностей нескольких методов исследования, чувствительных к различным параметрам контролируемого материала. Наибольшая эффективность при таком подходе достигается, если используются методы, каждый из которых характеризуется повышенной чувствительностью к изменениям какого-либо одного из параметров материала.

Электрические методы исследования высоко информативны, предполагают безопасность и невысокую стоимость, быстроту и безвредность тестирования. Современные теории диэлектрической поляризации и диэлектрических потерь позволяют связывать значения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь и параметры, характеризующие их зависимость от температуры или частоты электрического поля со строением полимера.

Методы динамического механического анализа (ДМА) позволяют выделить вклад МФС в эффективные упругие характеристики материала. Методы обладают высокой разрешающей способностью и позволяют проводить исследование структуры композита в широком интервале температур.

Таким образом, актуальность темы связана не только с совершенствованием существующих методов исследования параметров композита, но и с разработкой комплексного подхода, основанного на сочетании диэлектрических методов исследования и методов ДМА. Это позволит через диэлектрические и упруго-сдвиговые характеристики МФС получить информацию о природе, составе и структуре композита в целом.

Целью работы являлась разработка экспериментальных методов исследования границы раздела фаз ПКМ, наполненных органическими волокнами, в широком интервале температур, включающем области а-релаксации отдельных полимерных компонентов композитов, через диэлектрические и сдвиговые упругие характеристики МФС для определения зависимости свойств композита от адгезионной прочности на границе раздела и установлении факторов, которыми эта зависимость определяется.

Таким образом, были сформулированы основные задачи работы:

1. Разработать методику изучения свойств ПКМ на основе органического наполнителя со степенью армирования, приближенной к предельной.

2. Разработать методы исследования МФС ПКМ на основе определения электрофизических параметров в широком интервале температур.

3. Оценить применимость разработанных методов исследования в зависимости от состояния поверхности армирующих волокон.

4. Разработать электрофизическую модель ПКМ для определения и контроля его макроскопических характеристик.

Предметом исследования являются ПКМ на основе органических волокон СВМ со степенью армирования, приближенной к предельной. Свойства межфазного слоя в таком материале можно изменять, модифицируя поверхность наполнителя в низкотемпературной плазме по методике, разработанной на кафедре «Физика и технология композиционных материалов» (ФиТКМ) АлтГТУ. Контроль структуры МФС неразрушающими методами позволит оценить эффективность плазмохимической обработки для проектирования ПКМ с заранее заданными свойствами.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена электрофизическая модель ПКМ, позволяющая через определение диэлектрических характеристик МФС оценивать свойства и микрои макроструктурные параметры композита.

2. Установлена связь между электрофизическими и упруго-сдвиговыми характеристиками ПКМ, позволяющая оценивать механические свойства композита через его диэлектрические характеристики.

3. Разработаны методы исследования ПКМ со степенью армирования, приближенной к предельной. 8.

4. Для определения упруго-сдвиговых параметров предельно армированного композита впервые применен метод свободных крутильных колебаний, реализованный на маятниковом приборе.

Практическая ценность результатов работы заключается в следующем:

1. Разработанный метод исследования упруго-сдвиговых характеристик ПКМ дает возможность оценивать и контролировать качество реальных КМ.

2. Разработанный метод исследования диэлектрических характеристик ПКМ позволяет по диэлектрическим характеристикам компонентов определять диэлектрические свойства композита в целом.

3. Разработанный метод применяется для исследования физико-механических характеристик на основе полиимидных связующих, что отражено в заявке на патент РФ № 2 000 106 876 от 20.03.2000 г.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка, 12 таблиц, список литературы из 103 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании проведенной работы получены следующие результаты:

1. Разработана методика изучения свойств ПКМ, наполненных непрерывными органическими волокнами со степенью армирования, приближенной к предельной.

2. Анализ связи качественных и количественных характеристик предельноармированного ПКМ со свойствами образующих его компонент показал, что значительная объемная доля материала находится в состоянии межфазного слоя и поэтому следует учитывать вклад межфазного слоя при контроле свойств композита.

3. Произведен переход от разрушающих методов исследования адгезионной прочности матрица-волокно к методам неразрушающим, позволяющим с помощью диэлектрических и сдвиговых упругих характеристик оценивать состояние межфазого слоя в ПКМ с большей степенью точности, нежели с помощью измерения адгезионной прочности.

4. В процессе разработки диэлектрических методов исследования оценено влияние модификации поверхности наполнителя на характеристики межфазного слоя и температуры фазовых переходов компонент композита.

5. В процессе разработки неразрушающих методов исследования ПКМ по анализу упруго-сдвиговых характеристик установлено, что МФС является образованием со сложной структурой, которая формируется как в объеме связующего, непосредственно контактирующем с волокном, так и в приповерхностном объеме волокна.

6. Разработанная электрофизическая модель ПКМ позволяет контролировать диэлектрические свойства слоистого композита и вычислять его диэлектрические характеристики по параметрам компонентов.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Композиционные материалы / Под ред. Д. М. Карпиноса. Киев: Наукова думка, 1985. 574 с.
  2. Ю.А. Проблемы адгезионной прочности соединений полимеров с волокнами // ЖВХО им. Д. И. Менделеева, 1989, № 5, С. 553−559.
  3. Справочник по композиционным материалам / Под ред. Б. Геллера. М.: Машиностроение, 1988. -448 с.
  4. Армирующие химические волокна для композиционных материалов / Под ред. Г. И. Кудрявцева. М.: Химия, 1992. — 236 с.
  5. Г. И. Некоторые проблемы получения сверхпрочных и высокомодульных органических волокон // Химические волокна, 1990, № 2, С.34−35.
  6. Г. И., Носов М. П., Волохина А. В. Полиамидные волокна. М.: Химия, 1976. — 264 с.
  7. К. Е. Структура и свойства волокон. М.: Химия, 1992.-236 с.
  8. К. Н. Химические волокна. М.: Химия, 1973. — 192 с.
  9. А. Высокопрочные материалы. -М.: Мир, 1976. -260 с.
  10. С. П. Полимерные волокнистые материалы. М.: Химия, 1986.-224 с.
  11. Г. М. Структура и свойства полимерных волокнистых композиционных материалов. — М.: Химия, 1981. 232 с.
  12. К. Е. Основные структурные факторы, определяющие получение высокопрочных и высокомодульных волокон. // Теория формирования химических волокон. М.: Химия, 1975. — 385 с.
  13. Современные представления о взаимосвязи структура свойства химических волокон. Часть 1,2./ Перепелкин К. Е. // Текстильная химия, 1992. -№ 1, 2.
  14. Граничный слой в полимерном композите. Тростянская
  15. Е.Б., Шадчина З. М., Шибаков А. К. // Полимерные композиты 90. Материалы научно — практической конференции. — Л.: 1990. — С. 25−29.
  16. Формирование граничного слоя. Хазин В. Г. // Полимерные материалы в народном хозяйстве. Научно-техническая конференция. Сергиев посад, 1993. С.60−67.
  17. А.А., Басин В. Е. Основы адгезии полимеров. М.: Химия, 1969.-282 с.
  18. К. Проблемы прочности адгезии и влияния наполнителей на адгезионную прочность. 1972. 385 с.
  19. Н.Р., Абрамчук С. С., Лебедев А. А., Харченко Е. Ф. Особенности трансверсального деформирования намоточных органопластиков с учетом перепрофилирования волокон. // Механика композиционных материалов. 1989. — № 5. — С.782−787.
  20. Е.Ф. Предельное армирование органопластиков на основе высокоориентированных полиэтиленовых волокон. //Механика композиционных материалов. 1990. — № 6. — С.1014−1020.
  21. А.И., Кузуб Л. П., Иржак В. И. Влияние компонентов эпоксидного связующего на механические свойства органических волокон. // Механика композиционных материалов. 1990. -№ 4. — С.736−739.
  22. Ю.В., Шленский О. Ф., Вержбицкий Ф. Р., Аристов В. М. Исследование кратковременных стадий релаксационных процессов в полимерных материалах. // Пластические массы. № 3. — 1995. — С.40−42.
  23. В.Е. Новый метод неразрушающего контроля полимерных изделий на основе кварцевого резонатора. // Дефектоскопия. -1990. -№!.- С.89−91.
  24. Арш Э. И. Автогенераторные методы и средства измерений.
  25. В.Е. Устройство для измерения эквивалентного активного сопротивления кварца. Авт. свидетельство № 202 320. Бюллетень изобретений, 1967, № 19.
  26. JI.К. Об использовании кварцевого диэлькометрадля исследования изделий из полимерных материалов. // Дефектоскопия. -1990.-№ 1.-С.92−93.
  27. Ф.Р. Высокочастотно-термический анализ. Иркутск.: Издательство Иркутского университета, 1986.
  28. Ю.В. Релаксационные явления в полимерах. Докт. дисс. -М.-МГПИ, 1971.
  29. Д.С., Бартенев Г. М. Физические свойства неупорядоченных систем. Новосибирск: Издательство Новосибирского университета, 1982.
  30. Г. В. Вода в полимерах. // Под ред. С. Роуленда. Пер. с англ. -ML: Мир, 1984.-414 с.
  31. В.И., Покровский Ю. А. Экспресс-метод измерения относительной диэлектрической проницаемости. / Радиотехника. 1986. -№ 3. — С.94.
  32. А.И., Иккер Ф. П. Неразрушающий контроль конструкций из композиционных материалов. Л.: Машиностроение, 1977. — 192 с.
  33. А.Б., Игнатов В. М., Славинский С. Г. Неразрушающие методы контроля композиционных материалов на основе волокнистых структур. М.: НИИТЭХИМ, — 1989, 40 С.
  34. А.В., Козинкина А. И. Особенности диагностики повреждений композитов и оценки прочности композитов. // Механика композиционных материалов и конструкций. 1999. — Т.5. — № 1. — С.99−120.
  35. X. Ясуда. Полимеризация в плазме: Пер. с англ. М.: Мир, 1988. -376 е., ил.
  36. Ю.А. Адгезионная прочность в системах полимер-волокно. М.: Химия, 1987. — 192 с.
  37. С.Ф., Писанов Е. В., Довгяло В. А. Фрагментация волокна при растяжении в матрице как метод определения адгезии // Механика композиционных материалов, 1992, № 3, С. 384.
  38. Narkis M., Chen E.J.H., Pipes R.B. Review of metods for characterisation of interfacial fiber-matrix interaction. // Polimer composites. -1988.-Vol.9, № 4.-P.254−261.
  39. Г. Д. Высокопрочные ориентированные стеклопластики. -М.: Наука, 1967, С. 100−120.
  40. Miller В., MuriP., Rebenfeld L. Microbond method for determination of the shear strength of a fiber-resin interface. // Composites Sci. Tech., 1987. -Vol.28, № 1. P. 17−32.
  41. Fraser W.A., Ancker F.H. A computer modeled single filament technique for measuring coupling and sizing agent effects in fiber reinforced composites. // Proc. Conf. on reinforced plastics, SPI, 1975. Sect. 22A. — p. 1 -4.
  42. Современные композиционные материалы / Под ред. А. Браутмана и Р.Крока. М.: Химия, 1970.
  43. Ю.С. Физикохимия наполненных полимеров. Киев.: Наукова думка, 1967. 234 с.
  44. М.П., Вагин Н. И. Пластические массы, 1992, № 3, С.22−24.
  45. К.Е., Баранова С. Я., Горова Е. Ю. Влияние термического старения на дефектность сверхпрочных параароматических нитей Армос и СВМ // Химические волокна, 1995, № 1, С. 34.
  46. Наполнители для полимерных композиционных материалов / Под ред. Г. С. Каца, Д. В. Милевски. М.: Химия, 1981. 736 с.
  47. Н.А., Родина С. П. Высокопрочные теплостойкие органопластики на основе высокофункциональных эпоксидных аминосмол // Химические волокна, 1996, № 2, С. 44
  48. Э.С., Кульков А. А., Куперман A.M. Технология намоточных пластиков // ЖВХО им. Д. И. Менделеева, 1989, № 5, С. 515−520
  49. Е.Ф., Кудрявцев Г. И. Термомеханические свойства предельноармированных и эпоксидных органоволокнитов // Химические волокна, 1996, № 2, С. 46−48.
  50. Ю. С. Физико-химические основы наполнения полимеров. М.: Химия, 1991.
  51. Э. Поверхности раздела в полимерных композиционных материалах. М.: Мир, 1978.
  52. Бровикова И. Н,. Абрамов B.JI. Пластические массы, 1993, № 3, С.3132
  53. .М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энергия, 1973.
  54. Эме Ф. Диэлектрические измерения. М.: Химия, 1967.
  55. P.M., Френкель С. Л. Физика полимеров. Л.: Химия, 1990. 432 с.
  56. Электрические свойства полимеров / Под. ред. Б. И. Сажина. Л.: Химия, 1986.-224 с.
  57. Г. А. Методы исследования электрических свойств полимеров. М.: Химия, 1988. 160 с.
  58. И.И. Акустические методы контроля полимеров. М.: Химия. 1973.-290 с.
  59. Д.В. Система регистрации параметров свободно затухающих крутильных колебаний. Барнаул: АГУ, 1997.
  60. Ли X., Невилл К. Справочное руководство по эпоксидным смолам / Под ред. Н. В. Александрова. М.: Энергия, 1973. 416 с.
  61. Л. Нильсен. Механические свойства полимеров и полимерных композиций. М.: Химия, 1978.
  62. В.П., Черепин В. Т. Физические методы исследования поверхности твердых тел. М.: Наука, 1983. — 296 с.
  63. В.И. Реитгеноэлектронная спектроскопия химических соединений. Справочник. М.: Химия, 1984. — 256 с.
  64. Электронная и ионная спектрометрия твердых тел. / Под ред. Л. Фарменса и др. М.: Мир, 1981, — 467 с.
  65. Д.Т. в кн. Структурные исследования макромолекул спектроскопическими методами. / Под ред. Бучаченко А. Л. М.: Химия, 1980. — С. 102−165.
  66. Р., Башара И. Эллипсометрия и поляризованный свет. М.: Мир, 1981, — 188 с.
  67. Г. А. Фотоэлектронная и Оже-спектроскопия. -Л.: Машиностроение, 1981.-431 с.
  68. Методы анализа поверхности. / Под ред. Заделин А. М.: Мир, 1979.- 582 с.
  69. В.Д. Неравновесная диэлектрическая спектрометрия. // Методы и средства диагностики несущей способности изделий из композитов. Рига: Зинатне, 1991. — С.42−66.
  70. А.Е., Липатов Ю. С. Обращенная газовая хроматография в термодинамике полимеров. Киев: Наукова думка, 1982. 128 с.
  71. V. Shtrauss. Structure evaluation of materials by electrical methods // Механика композиционных материалов, 1996. T.32, № 1. — на англ. яз-р. 124−134.
  72. A.M. Измерение диэлектрических проницаемости и потерь в сильных электрических полях. // Приборы и техника эксперимента, № 3, С. 151.
  73. В.Е. Теория кварцевого диэлькометра с последующим включением кварцевого резонатора и емкостного датчика. -Метрология. Приложение к журналу «Измерительная техника», 1985, № 2, С.45−78.
  74. В.Е., Грибова JI.K. Параметрический преобразователь неэлектрических величин в электрический сигнал по активной составляющей индуктивного датчика. Авт. свидетельство № 1193 591. Бюл.изобр., 1985, № 43.
  75. А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: ГИФМЛ, 1963. 404 с.
  76. А.А. Техника исследования анизотропии жесткости композиционных материалов авиационного назначения при воздействии факторов внешней структуры. / Дис. канд. техн. наук. Барнаул: 1999. — 152 с.
  77. О.В., Коваленко А. А., Насонов А. Д. Анизотропия крутильной жесткости листовых полимерных КМ. / Механика композиционных материалов, 1999, № 3, С.291−308.
  78. Г. С., Кузуб Л. И., Никитина О. В., Распопова Е. Н., Иржак В. И. Сорбция компонентов эпоксидного связующего арамидными волокнами. // Механика композиционных материалов. 1987, № 6, С. 10 771 081.
  79. Н.П., Волокобинский Ю. М., Воробьев А. А., Тареев Б. М. Теория диэлектриков. М.-Л.: Энергия, 1965. 344 с.
  80. Ю.М. Механизмы старения углепластиков авиационного назначения в условиях теплого и влажного климата / Дис. канд. техн. наук / Всесоюзное ордена Ленина и ордена Октябрьской революции научно-производственное объединение ВИАМ. М.: 1989. — 208 с.
  81. И.Г. Спектрометрические методы исследования структуры композиционных материалов // Механика композиционных материалов, 1991.-№ 2 С.330−334.
  82. Получение ПАОП в лабораторных условиях. // Алтайский центр научно-технической информации. Информационный листок № 17−99. Составители: Т. В. Хамичева, В. Б. Маркин.
  83. В.Б., Хамичева Т. В. Метод контроля связи в ПАОП // Тезисы докладов межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Студент и научно-технический прогресс». Рубцовск: РИИ, 1999.-С.104.
  84. Т.В., Маркин В. Б. Метод контроля свойств ВАОП через их диэлектрические характеристики И Тезисы докладов к международной научно-технической конференции «Композиты в народное хозяйство России». — Барнаул, АлтГТУ, 1999. — С.7−9.
  85. В.Б., Хамичева Т. В. Анализ влияния модификации поверхности волокна на диэлектрические свойства ВАОП. // Тезисы докладов к международной научно-технической конференции «Композиты -в народное хозяйство России». Барнаул, АлтГТУ, 1999. — С.9−10.
  86. JT.H., Липатов Ю. С., Бабич В. Ф. Влияние толщины МФС на вязкоупругие характеристики наполненных полимеров // Механика композиционных материалов, 1991. № 4. — С.610−615.
  87. А.Д. Исследование влияния пространственнойсетки на вязкоупругие свойства аморфных полимеров низкочастотным акустическим способом: Дис. на соиск. уч. ст. к. физ-мат. наук. Калинин, 1979.-208 с.
  88. X., Гундлах Ф. Радиотехнический справочник. М. — JL: Госэнергоиздат, 1960, Т.1.-415 с.
  89. Измеритель CLR Е7−13. Техническое описание и инструкция по эксплуатации, 1989. 104 с.
  90. Справочник по электротехническим материалам: В Зт. Т.1 / Под ред. Ю. В. Корицкого и др. 3-е изд., перераб. — М.: Энергоатомиздат, 1986. -368С.: ил.
  91. А.Н. Погрешности измерений физических величин / Под. ред. Алферова Ж. И. Л.: Наука, 1985. — 112 с.
  92. Г. Д., Марков Б. Н. Основы метрологии. М.: Изд-во стандартов, 1972.-312 с.
  93. В.Б., Хамичева Т. В. Контроль структуры МФС органопластиков // В сб. Труды СОАИНРФ. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2000. -С.7−10.
  94. Theocaris P. S., Spathis G., Kefales В. The adhesion coefficient fiber-reinforced polymers evaluated by dynamic measurements. // Colloid a. Polymer Sci., 1982, V.260, № 9. p.837−841.
  95. T.B., Маркин В. Б., Жолнеров А. В., Коваленко А. А., Насонов А. Д. Исследование структуры межфазного слоя высокоармированных органопластиков. // Физика и образование: Сборник научных статей. Барнаул: Изд-во БГПУ, 2000. — С.97−103.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!