3.1. ПРОБЛЕМЫ ВВЕДЕНИЯ НАНОАЛМАЗОВ В ЭПОКСИДНЫЕ СМОЛЫ

К основным недостаткам термореактивных полимеров, используемых в качестве связующего в волокнистых композиционных материалах, можно отнести хрупкость, низкую ударную прочность и невысокую теплостойкость. Наиболее эффективным методом устранения перечисленных недостатков является введение наночастиц в полимерные связующие.
Согласно исследованиям [17-19], применение углеродных наномодификаторов сопровождается повышением прочности эпоксиуглепластиков при сдвиге, ростом удельной ударной вязкости и теплостойкости. Данные эффекты обусловлены образованием дополнительных узлов сшивки, ограничением подвижности сегментов макромолекул, образованием на поверхности применяют органические растворители, смешивающиеся сэпоксидной основой [21, 22].


3.2. ПРЯМОЕ ВВЕДЕНИЕ НАНОАЛМАЗОВ В ЭПОКСИДНЫЕ СМОЛЫ

Порошки RUDDM были использованы в исследованиях, выполняемых в рамках проекта INTAS Ref. № 04-80-6791 с целью упрочнения и повышения вязкости разрушения эпоксидной матрицы при разработке волокнистого композиционного материала для применения в авиационных конструкциях [23]. Наноалмазы вводились в полимерные матрицы на основе эпоксидиановой смолы марки ЭД-22 (ГОСТ 10587-84) и на основе смеси смол Аралдит-М (Merk) и Эпон-812 (Serva). Массовое содержание порошка варьировалось от 0 до 5 масс.%. Для равномерного распределения частиц в связующем использовался ультразвуковой диспергатор. Установлено, что порошок RUDDM непосредственно вводится в эпоксидные смолы, что упрощает и удешевляет технологический процесс. Показана высокая устойчивость наноалмазов в эпоксидных смолах и отсутствие агрегирования в течение длительного времени. Наблюдается однородное распределение частиц в связующем на основе смолАралдит-М и Эпон-812 без оседания и образования агломератов в течение 7 месяцев при комнатной температуре и 1 месяца при температуре 60 0С.
Влияние массового содержания нанопорошка на трещиностойкость образцов можно проследить по величине критического коэффициента напряжений KIc (рис.9).
Значения KIc определяли на образцах размерами 60.6.4 мм с надрезами соответственно стандарту ASTM D5045-99 при 3-х точечном изгибе, скорость нагружающей траверсы - 1 мм/мин. Надрезы были изготовлены алмазным диском толщиной 0,2 мм, длина надреза составила 1,0.1,3 мм. Как видно из графика, оптимальным по исследуемому параметру является состав, содержащий 0,125 масс.% наночастиц, для которого трещиностойкость возрастает в 1,5 раза по сравнению с исходным связующим.
Механизм повышения трещиностойкости при введении наночастиц связан с эффектом увеличения поверхностной энергии разрушения за счет отклонения трещины и зарождения пластических деформаций в области контакта частиц и матрицы.
Однако дальнейшее увеличение содержания нанопорошка в смоле приводит к снижению значений KIc. Снижение физико-механических свойств при добавках нанопорошков выше некоторой пороговой величины наблюдали для различных по природе наполнителей [24, 25].
Этот факт может быть объяснен тем, что при внесении больших количеств порошков, имеющих развитую удельную поверхность, увеличивается уровень остаточных напряжений на границе раздела полимер-частица. Причиной остаточных напряжений являются различия в упругих постоянных и коэффициентах линейного термического расширения материалов наполнителя и матрицы. Перенапряжения на границе раздела фаз вызывают растрескивание. Протяженность таких границ из-за развитой удельной поверхности становится критической по отношению к объему материала. Увеличивается также и дефектность полимерной сетки - «пустотность», вызванная дефицитом связующего материала.
На рис. 10, 11 представлены поверхности излома образцов, которые при содержании наночастиц 0,25 масс.% уже имеют пониженные характеристики критического коэффициента интенсивности напряжений.
На стадии разработки для экспресс-оценки свойств материалов (степени отверждения и однородности) использовалась структурно­чувствительная характеристика - микротвердость (HV).
Измерения микротвердости проводились на приборе ПМТ-3 при нагрузке индентирования P = 100 г. Были использованы специальным образом приготовленные шлифы. Для каждого образца проводилось по 25 измерений, данные измерений обрабатывались статистически, определялась средняяпогрешность серии измерений.
Измеренные для различных температурных режимов значения микротвердости показали, что повышение температуры отверждения композиции Аралдит-М - Эпон-812 с 60 °С до 120 °С приводит к повышению значений HV от 10,5 до 17,8 при содержании нанопорошка 0,125 масс.%.
Максимальные значения микротвердости (HV = 20,6) были получены для смолы марки ЭД-22, содержащей 2,5 масс.% нанопорошка. Однако при таком количестве внесенного нанопорошка наблюдается снижение прочности на изгиб и трещиностойкостиматериала.
Таким образом, в настоящее время на основании экспериментальных результатов наилучший эффект повышения трещиностойкости достигнут при введении 0,125 масс.% наноалмазов марки RUDDM. без использования органических растворителей и дополнительных операций. Использование низких концентраций может иметь два практических значения. Снижение стоимости конечного изделия и улучшение его качества, т.к. при введении наноалмазов более 1 масс.% повышается вязкость связующего, что может затруднить пропитку волокон композиционного материала.
Рис.9. Зависимость критического коэффициента
интенсивности напряжений от массового
содержания нанопорошка (смола ЭД-22).
Рис.10. РЭМ изображение поверхности скола эпоксидной смолы ЭД-22, содержащей 0,25 масс.% наноалмазов. (Фотография любезно предоставлена Dr. Djar Oquab CIRIMAT, Toulouse, France).
Рис.11. РЭМ изображение поверхность скола эпоксидной смолы ЭД-22, содержащей 0,25 масс.% наноалмазов. (Фотография любезно предоставлена Dr. Djar Oquab CIRIMAT, Toulouse, France).
3. НАНОАЛМАЗЫ - КОМПОНЕНТЫ КОМПОЗИТОВ
Телефон: 904 895 3765
Эл. почта: nanodiamonds@mail.ru
РА «Август»

Назад