CC BY
29. Improving the wear and corrosion resistance of martensitic stainless steel by paste bonding treatment / M. Shi [et al.] // Materials Science and Technology. 2023. № 3 (39). P. 300-309. DOI 10.1080/02670836.2022.2110392
10. Microstructure and Wear Behavior of Tungsten Hot-Work Steel after Boriding and Boro-aluminizing / U. Mishigdorzhiyn [et al.] // Lubricants. 2020. № 3 (8). P. 26. DOI 10.3390/lubricants8030026
11. Модификация поверхностного слоя штамповых сталей созданием B-Al-слоев химико-термической обработкой / Н. С. Улаханов, У. Л. Мишигдоржийн, А. Г. Тихонов [и др.] // Упрочняющие технологии и покрытия. 2021. Т. 17, № 12(204). С. 557-564. DOI 10.36652/18131336-2021-17-12-557-564
DOI: 10.24412/cl-37269-2024-1 -234-238
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УГЛЕРОДНОГОКОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА, ДЕГРАДИРОВАННОГО УФ-ИЗЛУЧЕНИЕМ
Москвичев Е.В.1, Еремин Н.В2, Фесик С.А2 1 Федеральный исследовательский центр информационных
и вычислительных технологий, г. Красноярск 2 Сибирский государственный университет науки и технологий
имени академика М.Ф. Решетнева, г. Красноярск
В работе представлены результаты экспериментальных исследований по изучению влияния длительного УФ-излучения и температуры на механические свойства углеродного композиционного материала. Исследовалось влияние модификаторов связующего на механические свойства материала до и после деградации. Модифицированный композиционный материал с добавлением нанотрубок и каучука показал удовлетворительные результаты по стойкости к воздействию УФ-излучения и температуры.
При длительном воздействии УФ-излучения и температуры происходит деградация физико-механических свойства полимерных композиционных материалов (ПКМ) [1-4]. Это может ограничивать их широкое применение в ответственных конструкциях машиностроительной, авиационной и космической техники, работающих в неблагоприятных условиях окружающей среды. Для решения этой проблемы требуется создание новых модифицированных ПКМ, а также прогнозирование их деформирования путем определения достоверных физико-механических свойств в условиях близких к условиям эксплуатации.
Соответствующие экспериментальные исследования были проведены в данной работе на образцах однонаправленного композиционного материала на основе волокон IMS65 и эпоксидных связующих T26 и Т67. Был изучен характер изменения механических свойств материала с различной структурой армирования в зависимости от времени деградации. Также исследовалось влияние модификаторов на механические свойства ПКМ до и после деградации.
В настоящий момент существует множество методов деградации ПКМ [5]. В данном исследовании деградация образцов проводилась на разработанном в СибГУ им. М.Ф. Решетнева стенде, который включает в себя термокамеру и УФ-лампу (рис. 1). Данный стенд обеспечивает контролируемую стабильную среду, имитирующую комбинированное воздействие теплового и УФ-излучения на материал в течение длительного времени. Мощность применяемой УФ-лампы составляет 15 Вт, длина волны - 253,7 нм с выходом по ультрафиолету от 33 до 40%. Интенсивность УФ-излучения в ходе эксперимента составляла примерно 2281,25 Вт/м2, а температура 100 °C.
Рис. 1. Стенд для деградации образцов
Для оценки влияния деградации на механические свойства ПКМ были изготовлены плоские образцы с 3 схемами армирования: [0]s, [±45]s, [90]s- Образцы изготавливались методом прессования из однонаправленных композиционных лент и высокотемпературной эпоксидного связующего Т26. Средняя толщина образцов составила 0,33 мм, ширина - 20 мм, длина - 150 мм. Всего было изготовлено 60 образцов, которые подверглись деградации на стенде при различном времени выдержки.
Испытания образцов проводились в Инженерно-испытательном центре ФИЦ ИВТ на универсальной испытательной машине Tinius Olsen 100ST. Методика испытаний принималась на основе ГОСТ 32656-2017. Перед испытаниями на рабочую часть образцов приклеивались метки, по которым измерялась продольная деформация с помощью видеоэкстензометра. Образцы нагружались со скоростью 2 мм/мин до разрушения. Для образцов с поперечной схемой армирования [90]s применялся датчик малых усилий, работающий в диапазоне до 250 Н, поскольку жесткость и прочность таких образцов сравнительно малы. Скорость нагружения для таких образцов устанавливалась равной 0,2 мм/мин.
В ходе испытаний были построены диаграммы «напряжение-деформация», по которым определялись механические свойства ПКМ. На рисунке 2 представлены графики изменения механических свойств ПКМ в зависимости от времени деградации и их экспоненциальная аппроксимация согласно следующему уравнению:
к(t) = к0 ■ exp(-Х-1), (1)
где ko - механическая характеристика без учета деградации, Па; t - время, ч; X - экспериментальная константа, 1/ч.
Как видно из графиков для образцов со схемой армирования [0]s механические свойства после деградации снижаются на 2-9%. Для образцов со схемами армирования [45]s и [90]s механические свойства снижаются сильнее - от 30 до 70%. Это можно объяснить тем, что эпоксидная матрица вносит гораздо больший вклад в жесткость и прочность таких образцов. При воздействии УФ-излучения и температуры матрица деградирует, что приводит к образованию микротрещин, которые ухудшают связь и передачу нагрузки между волокнами.
О Эксперимент . 1 —Аппроксимация
L _1
Т Y v-у
¿0-]42 ГПа
1 = 3,37-10"' 1/ч
О 180 3« 540 720 900 1080 Время деградации материала, ч
I О Эксперимент —Аппроксимация
й„=1693 МПа 1. - 9,56 10^ 1/4
0 180 360 540 720 900 1080 Время деградации материала, ч
а) б) в)
Рис. 2. Зависимость механических свойств от времени деградации образцов со структурой армирования:
а - [0]8; б - [±45]8; в - [90]8
На следующем этапе исследования проводилась модификация ПКМ с помощью добавления компонентов в эпоксидную смолу с последующей оценкой их влияния на механические свойства до и после деградации. В качестве материала для образцов был выбран ПКМ на основе однонаправленной углеродной ленты IMS65 и эпоксидного связующего Т67 со схемой армирования [0]4. Модификаторами являлись: карбид кремния (SiC 1200), графен (АМГ-47), углеродные нанотрубки (Matrix 301) и уретановый каучук (ПЭФ-3А).
Результаты испытаний представлены на рисунке 3. Из них следует, что модуль упругости и предел прочности ПКМ модифицированного графеном и карбидом кремния значительно ниже исходного. Модификация каучуком также показала пониженные результаты. Однако ПКМ модифицированный нанотрубками имел более чем на 18% повышенные механические свойства.
Рис. 3. Механические свойства модицированного ПКМ без деградации
После анализа полученных данных ПКМ модифицированные наотрубками и каучуком были выбраны как наиболее перспективные для дальнейших исследований. Образцы из этих материалов были подвергнуты деградации с различным временем выдержки и с последующим определением механических свойств. Соответствующие результаты испытаний представлены на рисунке 4.
Е 1бо
Вне &120 £ 100
I80 60
kj ZA
I -о-Модуль упругости -0-Предел прочности
1,0
0,0
-1.0® с
-2,0
0 100 200 300 400 500 Время деградации, ч
а)
0 100 200 300 400 500 Время деградации, ч
б)
Рис. 4. Зависимость механических свойств ПКМ от времени деградации: а - исходный; б - модифицированный нанотрубками; в - модифицированный каучуком
т деградации.1
в)
Результаты показывают, что для исходного ПКМ модуль упругости и предел прочности значительно снижаются после длительной деградации. Это качественно соответствует представленным ранее результатам, полученных на образцах на основе связующего Т26. Однако образцы из модифицированного ПКМ демонстрируют другой характер влияния деградации на механические свойства.
После 300 часов деградации у ПКМ модифицированного нанотрубками значения модуля упругости и предела прочности сперва снижаются на 17%, но затем частично восстанавливаются. Предположительно это объясняется тем, что углеродные нанотрубки, обладающие высокой прочностью, могут способствовать поддержанию целостности частично разрушенной матрицы путем ограничения роста микротрещин и поглощения энергии деформирования. Таким образом, после начального периода деградации, структура материала может стабилизироваться за счет взаимодействия между нанотрубками и полимерной матрицей.
Модуль упругости и предел прочности ПКМ, модифицированного каучуком, увеличился на 20%. Однако предел прочности после 500 часов деградации вернулся к своему исходному значению. Такой характер изменения механических свойств может быть связано с тем, что фазовое состояние каучуковых частиц становится более жесткими под воздействием УФ-излучения, что способствует временному упрочнению материала.
Обобщая результаты проведенного исследования, можно сделать вывод, что длительное воздействие УФ-излучения и температуры существенно влияет на механические свойства ПКМ. Характер этого влияния особенно зависит от структуры армирования. Для решения этой проблемы были предложены различные модификаторы эпоксидного связующего. В ходе экспериментов ПКМ модифицированные нанотрубками и каучуком показали удовлетворительные результаты по механической стойкости после длительной деградации. Это указывает на перспективность использования таких модификаторов для улучшения долговечности и эксплуатационных характеристик ПКМ, применяемых в неблагоприятных и экстремальных условиях.
Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России для Федерального исследовательского центра информационных и вычислительных технологий.
Литература
1. Тоискин Г. Н. Сравнительные испытания деградации механических свойств двух композиционных материалов в условиях повышенной влажности и температуры //Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва (Национального исследовательского университета). 2012. № . 5-2 (36). С. 282-287.
2. Галимулин А. Х., Тюменев Ю. Я., Мухамеджанов Г. К. Установление старения полипропиленовых укрывных материалов под действием ультрафиолетового излучения // Известия высших учебных заведений. Серия: Технология текстильной промышленности. 2006. № 6 (294). С. 23-25.
3. Влияние модификации на долговечность поливинилхлоридных древесно-полимер-ных композитов / А.Г. Хантимиров [и др.]. // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2023. № . 3(65). С. 26-35.
4. Bhavesh G. Kumar, Raman P. Singh, Toshio Nakamura. Degradation of Carbon Fiber-reinforced Epoxy Composites by Ultraviolet Radiation and Condensation // Journal of Composite Materials. - 2002. - Т.36. - № 24. - С. 2713-2733.
5. Проектирование ультрафиолетовой камеры для исследования деструкции полимерных композиционных материалов / И. Г. Лукачевская, Е. Д. Васильева, А. Н. Иванов, А. А. Кычкин // Южно-Сибирский научный вестник. 2023. № 6(52). С. 289-296. - DOI 10.25699/SSSB.2023.52.6.043.
DOI: 10.24412^-37269-2024-1 -238-241
ВЛИЯНИЕ НАТУРНОГО КЛИМАТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ФАКТОРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА КИНЕТИКУ НАКОПЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ В СТРУКТУРЕ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ЭПОКСИДНЫХ СВЯЗУЮЩИХ
Низина Т.А., Низин Д.Р., Спирин И.П., Чибулаев И.А., Пивкин Н.А. ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва», г. Саранск [email protected]
Приведены результаты расчета кинетики накопления повреждений в структуре полимера, получаемого на основе эпоксидной смолы Этал-247 и отвердителя Этал-45М, в зависимости от уровня напряжения и относительного удлинения при растяжении. Показано, что для оценки климатической стойкости полимерных материалов, в том числе экспонирующихся в различных климатических условиях, целесообразно к комплексу интегральных физико-механических показателей (модуль упругости, предел прочности и относительное удлинение при растяжении и разрыве) определять накопленное число повреждений и удельный показатель повреждений в момент разрушения.
Окружающая среда представляет собой самый распространенный вид агрессивного воздействия, которому подвержены практически все виды строительных изделий и конструкций. Как следствие, для обеспечения их длительной эксплуатации, строительные материалы и композиты на их основе должны обладать достаточной стабильностью свойств в условиях действия натурных климатических факторов [1-3]. Учитывая существенное изменение климата Российской Федерации в зависимости от климатической зоны, говорить о стойкости и достаточной долговечности того или иного материала без указания региона последующей эксплуатации не вполне корректно. Например, климатические условия арктических и субарктических зон России характеризуются значительными перепадами температур, достигающими 100 оС, а также повышенной солнечной радиацией. Кроме того, натурное климатическое воздействие представляет собой комплексное влияние различных факторов (температура, относительная и абсолютная влажность, скорость и направление ветра, вид и количество осадков, актинометрические показатели и др.), различные комбинации которых могут приводить к существенно меняющемуся отклику материалов.
Ранее в научных исследованиях, в том числе авторских [2-4], было показано, что в зависимости от концентрации влаги наблюдается существенное изменение свойств полимерных материалов, причем не только для полимеров после натурного климатического старения, а и для контрольных серий образцов. Следовательно, концентрация влаги в окружающем воздухе, в свою очередь существенно варьирующаяся в зависимости от времени суток, сезона, года, климатического района и др. также будет оказывать значительное воздействие на весь комплекс эксплуатационных показателей. Кроме того, учитывая, что многие климатические факторы взаимосвязаны друг с другом (например, солнечная радиация и температура; солнечная радиация
