CC BY
35
ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ ТЕКСТИЛЬНОЙ И ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
УДК 66.022.1:541-16:691.175.3
А. Р. Гарифуллин, И. И. Каримуллин, А. Е. Карноухов, М. Ф. Шаехов
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УГЛЕПЛАСТИКОВ НА ОСНОВЕ
УГЛЕРОДНЫХ ТКАНЕЙ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМОЙ
Ключевые слова: низкотемпературная плазма, высокочастотный емкостной (ВЧЕ) разряд, углеродное волокно (УВ), межфазные свойства, углепластик,механические свойства, модификация.
Исследовано влияние низкотемпературной плазменной обработки в высокочастотном емкостном разряде при пониженном давлении углеродных тканей на механические свойства углепластиков на их основе. Установлено повышение показателей механических свойств.
Keywords: low-temperature plasma, radio-frequency capacitivedischarge, carbon fiber, interfacial properties, reinforced polymer
composite, mechanical properties, modification.
Were studied the mechanical properties of carbon compositesafter low-temperature plasma treatmentin radio-frequency capacitivedischarge. It was found that the plasma treatment increases indicators of the mechanical properties.
Введение
Для производства изделий с низким весом и высокими показателями прочности в современном мире повсеместно используют различные композиты, в том числе волокнистые полимерные композиционные материалы (ВПКМ) на основе УВ (углепластик), которые зарекомендовали себя в таких сферах, как автомобилестроение, медицина: в производстве протезов и ортезов, в производстве спортивного инвентаря, в частности удилищ, лыж, велосипедов, хоккейных клюшек. Главным преимуществом углепластика является высокая удельная прочность, высочайший модуль упругости. Существует постоянная потребность производителей повышать показатели механических свойств, поэтому существует большое разнообразие методов модификации УВ, однако, предлагаемый метод низкотемпературной плазменной обработки в ВЧЕ разряде является одним из самых экологически безопасных и низкобюджетных методов обработки [1]. До этого этапа проводился комплекс исследований физических свойств УВ после плазменной модификации. Ранее установлено повышение смачиваемости данного материала без потери прочности [2,3]. Результаты экспериментов по определению адгезионной способности микрокомпозитов показали увеличение сдвиговой прочности, повышения межфазной адгезии на границе раздела «волокно-матрица» [4, 5]. Данная работа направлена на изучение механических свойств конструкционных ВПКМ.
Целью работы является исследование комплекса механических свойств углепластиков на основе углеродных тканей, модифицированных низкотемпературной плазмой
Экспериментальнаячасть
В качестве основного материала для обработки использовали технические ткани из УВ марки Saati ^ 245 саржевого переплетения и CC 201 полотня-
ного переплетения. В производстве данного продукта производитель использовал высокопрочное угле-волокно Т300 3К (200 текс) [6].
Модификацию технических тканей проводили на полупромышленной установке ВЧЕ разряда, работающей в диапазоне пониженного давления 13-100 Па (рис. 1).
Рис. 1 - Полупромышленная ВЧЕ плазменная установка емкостного разряда: 1 - клапан электрический; 2 - окно смотровое; 3 - вакуумная камера; 4 - трубка подачи газа; 5 - заземленный электрод; 6 - образец;7 - ВЧ электрод; 8 - держатель; 9 - ВЧ генератор; 10 - система водяного охлаждения;11 - вакуумный вентиль; 12 - двух-роторный вакуумный насос; 13 - пластинчато-роторный вакуумный насос; 14 - дверца камеры; 15 - регулятор расхода газа
Формование ВПКМ проводилось методом вакуумной инжекции на установке Isojet (Франция).
Для модификации углеродных тканей выбраны режимы плазменной обработки с постоянными параметрами: P=50 Па, Gb^^^ г/с, t=20 мин и
варьирующимся: напряжение на аноде Ua=3 кВ и Ua=5 кВ.
Испытания проводили на универсальной испытательной машине Instron 5882 (США).
В таблицах 1 и 2 приведены усредненные результаты испытаний на растяжение партии образцов углепластика до и после модификации.
Таблица 1 - Результаты определения модуля упругости и коэффициента Пуассона
Ткань Ua, КВ Изменение модуля (Хордовый модуль 0,1 - 0,2 %), % Коэффициент Пуассона (Хордовый модуль)
СС 245 Контроль 100 0.049
3 107 0.057
5 109 0.064
СС 201 контроль 100 0.044
3 113 0.051
5 115 0.058
Таблица 2 - Результаты определения разрушающего напряжения образцов
Ткань Ua, кВ Изменение предела прочности, %
контроль 100
СС 245 3 99
5 106
контроль 100
СС 201 3 101
5 98
Установлено, что плазменная обработка обеспечивает повышение модуля упругости на 9 % для СС 245 и на 15% соответственно для СС 201. Предел прочности при растяжении не изменяется.
В таблицах 3 и 4 приведены усредненные результаты испытаний на сжатие партии образцов углепластика до и после модификации.
Таблица 3 - Результаты определения модуля упругости образцов углепластика на сжатие
Изменение
Ткань Ua, кВ модуля (Хордовый модуль 0,1 - 0,2 %), %
контроль 100
СС 245 3 108
5 111
контроль 100
СС 201 3 105
5 118
Установлено, что обработка обеспечивает повышение модуля упругости на 11 % для СС245 и на 18 % соответственно для СС 201 при этом изменение предела прочности при сжатии повышается на 16 и 19 % соответственно.
Таблица 4 - Результаты определения разрушающего напряжения образцов
Изменение
Ткань Ua, кВ предела прочности, %
СС 245 контроль 100
3 107
5 116
СС 201 контроль 100
3 107
5 119
В таблице 5 приведены усредненные результаты испытаний на изгиб партии образцов углепластика до и после модификации.
Таблица 5 - Результаты определения модуля упругости и предела прочности при изгибе образцов
Изменение Изменение
Ткань Ua, кВ модуля (Хордовый модуль 0,4 - 0,8 %), % предела прочности при изгибе, %
СС 245 контроль 100 100
3 102 103
5 101 105
СС 201 контроль 100 100
3 99 97
5 102 109
По итогам испытаний на трехточечный изгиб установлено, что данные режимы модификации не изменяют модуль упругости при сдвиге, однако, установлено повышение прочности для ткани СС 201 при обработке с напряцением на аноде иа=5кВ.
В таблице 6 приведены усредненные результаты испытаний на определение межслоевой прочности методом короткой балки образцов углепластика до и после модификации.
Таблица 6 - Результаты определения межслоевой прочности
Изменение
Ткань Ua, кВ межслоевой прочности, %
СС 245 контроль 100
3 116
5 116
СС 201 контроль 100
3 116
5 116
Выявлено, что модификация ВЧЕ плазмой при пониженном давлении позволяет повысить межслоевую прочность на 16 % для обоих материалов наполнителя ВПКМ.
Выводы
Установлено, что плазменный метод модификации, предложенный в данной работе, позволяет повышать механические свойства конструкционных углепластиков на основе технических тканей из УВ. Объяснить полученный эффект можно изменением количества функциональных групп на поверхности волокон, которые повышают адгезионное взаимодействие между наполнителем и связующим [7].
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ, проект № 2196 от 01.02.2014 г.
Литература
1. А.Р. Гарифуллин, И.Ш. Абдуллин // Вестник Казанского технологического университета, 17, 7, 80 - 85 (2014);
2. А.Р. Гарифуллин, И.Ш. Абдуллин // Вестник Казанского технологического университета, 17, 14, 101 -102 (2014)
3. А.Р. Гарифуллин, И.Ш. Абдуллин // Вестник Казанского технологического университета, 17, 18, 32 -33 (2014)
4. А. Р. Гарифуллин, И. Ш. Абдуллин, Е.А. Скидченко. Вестник технологического университета, 17, 21, 69 - 70 (2014);
5. А. Р. Гарифуллин, И. Ш. Абдуллин, И. Х. Исрафилов, Р.Р. Мингалиев, Е.А. Скидченко. Вестник технологического университета, 18, 17, 169 - 170 (2015);
6.Saati S.p.A. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.saati.com, свободный
7. А. Р. Гарифуллин А.Р., И. Х. Исрафилов, И. И. Каримул-лин, А. Е. Карноухов, Е.А. Скидченко Е.А. Вестник технологического университета, 19, 8, 81 - 83 (2016).
© А. Р. Гарифуллин - м.н.с., КНИТУ, [email protected]; И. И. Каримуллин - бакалавр, КНИТУ, А. Е. Карноухов -
бакалавр, КНИТУ; М. Ф. Шаехов - д.т.н., профессор, КНИТУ.
© A. R. Garifullin - junior researcher KNRTU, [email protected]; 1 I. Karimullin - bachelor, KNRTU; A E. Karnoukhov -bachelor, KNRTU; M. F. Shaekhov - Ph.D., professor KNRTU.
