CC BY
46
УДК 66.022.1:541-16:691.175.3
А. Р. Гарифуллин, И. Ш. Абдуллин, И. Х. Исрафилов, Р. Р. Мингалиев, Е. А. Скидченко
ПОВЫШЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АДГЕЗИОННЫХ СВОЙСТВ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ
УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ РАЗРЯДОМ ПРИ ПОНИЖЕННОМ ДАВЛЕНИИ
Ключевые слова: углеродное волокно, волокнистые полимерные композиционные материалы, плазма, высокочастотный емкостной разряд, межфазные свойства, модификация.
Исследованы адгезионные свойства пропитанных смолой углеродных волокон, модифицированных плазмой. Установлено, что плазменная обработка увеличивает сдвиговую прочность композитов на основе углеродного волокна.
Keywords: carbon fiber, reinforced polymer composites, plasma, radio-frequency capacitive discharge, interfacial properties, adhesion, modification.
Were studied the adhesion properties of composites carbon fiber/epoxy resin after radio-frequency capacitive discharge plasma treatment. It was found that the plasma treatment increases the shear strength of the composites.
Введение
Повышение механических свойств волокнистых углеродных композиционных материалов, широко применяемых в создании спортивных автомобилей, может достигаться активацией поверхности волокон перед заливкой в композит. Данное улучшение свойств углепластиков возможно за счет увеличения адгезии между компонентами композита. Одним из перспективных методов модификации является плазменная обработка в высокочастотном емкостном разряде (ВЧЕ) при пониженном давлении [1].
В процессе исследования влияния низкотемпературной плазмы на свойства углеродных волокон, выявленные тенденции к изменению показателей физико-механических свойств дали основание говорить о положительном влиянии на механические свойства самого композиционного материала [2].
Целью работы является изучение влияния НТП обработки на адгезионные свойства в углеродных композиционных материалах по изменению сдвиговой прочности.
Экспериментальная часть
Для проведения исследований выбрано волокно марки УМТ42 12K (Россия). Полимерная матрица изготавливалась из эпоксидной смолы ЭД-20 и полиэтиленполиамина (ПЭПА) в соотношении 10:1. В качестве разбавителя полимерной матрицы использовали РП (ТУ 6-10-1095-76). Для предотвращения хрупкого разрушения при увеличении нагрузки добавлялся в матрицу дибутилфталат (ГОСТ 8728-88).
Исследование адгезионных взаимодействий проводилось по методике испытания на сдвиг двух пропитанных смолой углеродных нитей, соединенных внахлест с контролируемой площадью контакта (рис. 1, а). Один из концов испытуемого образца закреплялся в статическом зажиме разрывной машины, а второй конец - в динамическом. Испытание на растяжение длилось до момента разрушения контакта (рис 1, б).
а
F
Л
]s
2
Рис. 1 - а) Схема испытуемого образца (вид сбоку): 1,2 - микропластики; F -прикладываемая нагрузка; S - площадь контакта между микропластиками; б) Общий вид образца после испытания в зажимах разрывной машины
Отверждение матрицы проводили после 24 часовой выдержки при комнатной температуре, далее образцы помещали в сушильный шкаф на 4 часа при 80 DC. Испытания проводили на универсальной испытательной машине Autograph AGS-X (Shimadzu, Япония). Исследование характера разрушения проводили на растровом электронном микроскопе OLS Lext 4000 (Olympus, Япония)
Модификацию углеродных волокон проводили на установке высокочастотного емкостного разряда пониженного давления [3]. Обработка проходила при следующих постоянных параметрах: давление Р = 50 Па, расход плазмообразующего газа G = 0,04 г/с, напряжение на аноде Ua =5 кВ. В качестве плазмообразующего газа использовали воздух. время обработки варьировали t = 20; 40 мин.
Сдвиговую прочность рассчитывали по формуле: т = F/S,
где т - сдвиговая прочность, Мпа; Б - прикладываемая максимальная нагрузка, Н; 8 - площадь контак-
2
та между микропластиками, мм .
Результаты исследования сдвиговой прочности представлены в таблице 1 и отражены на рисунке 2
Таблица 1 - Влияние плазменной обработки на сдвиговую прочность
Режим F, Н S, мм2 т, МПа
контроль 506,12 23,02 21,99
20 минут 618,15 23,92 25,85
40 минут 755,88 25,67 29,45
0,00
контроль 20
40 режим, мин
Рис. 2 - Зависимость сдвиговой прочности от режима плазменной обработки
На основании экспериментов установлено, что метод плазменной модификации в среде воздуха позволяет повысить сдвиговою прочность до 34%
Объяснять повышение адгезионных свойств после обработки в среде воздуха можно образованием на поверхности волокон функциональных групп, взаимодействующих с полимерным связующим [4].
Исследование характера разрушения (рис. 3) образцов указало на то, что при испытании немодифицированных волокон наблюдается отслаивание в месте контакта, когда в случае модифицированных волокон наблюдается частичный разрыв филаментов, что обусловлено, по всей видимости, хорошей адгезионной прочностью в углепластике.
Рис. 3 - Микрофотографии испытуемого образца после эксперимента (увеличение х107): а) контрольного, б) модифицированного
Выводы
Установлено, что с помощью плазменной модификации в среде воздуха можно достичь повышения сдвиговой прочности композиционных материалов на основе УВ, что, предположительно, позволит повысить физико-механические свойства углепластиков.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ, проект № 2196 от 01.02.2014 г.
Литература
1. 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.
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. 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.
4. 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.
б
а
© А. Р. Гарифуллин - аспирант, КНИТУ, [email protected]; И. Ш. Абдуллин - д.т.н., профессор, КНИТУ; И. Х. Исрафилов - д.т.н., профессор, Набережночелнинский институт КФУ, Р. Р. Мингалиев - ассистент, КНИТУ; Е. А. Скидченко - бакалавр, КНИТУ.
© A. R. Garifullin - PhD student KNRTU, [email protected]; I. Sh. Abdullin - Ph.D., professor, KNRTU; I H. Israfilov -Ph.D., professor KFU Naberezhnye Chelny Institute; R. R. Mingaliev - assistant, KNRTU; E. A. Skidchenko - bachelor, KNRTU.
