автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Определение механических характеристик мембран машиностроительных конструкций

На правах рукописи

ЯКУПОВ САМАТ НУХОВИЧ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕМБРАН МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 8 ДЕК 2011

Казань -

2011

005005735

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте механики и машиностроения Казанского научного центра РАН

Научный руководитель: Галимов Наиль Курбанович, кандидат

физико-математических наук, старший научный сотрудник Института механики и машиностроения КазНЦ РАН

Официальные оппоненты: Коноплев Юрий Геннадьевич, доктор

физико-математических наук, профессор Казанского (Приволжского) федерального университета

Кузнецов Иван Леонидович, доктор технических наук, профессор Казанского государственного архитектурно-строительного университета

Ведущая организация: Учреждение Российской Академии Наук

Институт проблем машиноведения РАН (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится 23 декабря 2011г. в 16:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.11 при Казанском национальном исследовательском технологическом университете по адресу: 420015, г. Казань, ул. К.Маркса, 68 (зал заседаний Ученого совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского национального исследовательского технологического университета.

Автореферат разослан «22 » ноября 2011 г.

Ученый секретарь УХУ^

пигтрпт'нтипиипгп РППРТЯ

диссертационного совета А.В. Герасимов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Пленки, мембраны и покрытия находят широкое применение во всех отраслях производства и жизнедеятельности. Они получают широкое распространение в космической технике в качестве солнечных парусов и тепло светозащитных элементов. Большое применение находят пленки и мембраны в машиностроении: в качестве композиционных мембран в пневматических насосах и корректорах подачи топлива, в различных дыхательных клапанах и защитных устройствах резервуаров, в конвейерном и подъёмно-транспортном оборудовании; в качестве основных функциональных элементов в фильтрационных блоках и погружных мембранных модулях, в защитных кожухах и изоляционных устройствах. Широко используются пленки и мембраны сложной структуры в теплоотражающих экранах и навесах, при изготовлении спецодежды для пожарных и сталелитейщиков, скафандры для космонавтов и подводников и т.д. Воздушнопузырькововые пленки применяются для упаковки изделий, оборудования, запчастей и деталей. На базе создаваемых уникальных пленок и мембран активно развиваются мембранные технологии.

С развитием науки, техники и технологии перспективы использования пленок, мембран и покрытий постоянно растут. Появляются и получают распространение тонкие пленки и нанопленки, а также композиции, включающие «микро» и «нано» элементы. Исходя из функционального назначения и требуемого качества, разрабатываются композиции сложной структуры - так называемые материал - конструкции, имеющие плоскую и неплоскую исходную геометрию. Создание материал - конструкций с заданными свойствами - это одно из перспективных направлений развития. Сложность структуры возникает также при нанесении на поверхность пленок и мембран покрытий, при поверхностной обработке, из-за наличия инородных включений и пор, вследствие появления дефектов (царапин, трещин...) в результате физического, механического, биологического и химического воздействия.

Невозможно исследовать стандартным одноосным способом плоские и неплоские пленки и мембраны, имеющие сложную структуру и различные дефекты. Не всегда эффективны методы индентирования, позволяющие судить о свойствах материала в окрестности рассматриваемой точки. Трудно, а порой и невозможно, численно смоделировать поведение тонких материал,- конструкций, имеющих сложную структуру и дефекты. Возникают трудности при описании сложной структуры и на квантово-молекулярном уровне. Становится актуальной проблема определения механических характеристик тонких сложных структур с различными дефектами, а также исследование изменения их механических свойств от воздействия внешних факторов. Возникает необходимость создания инструмента для таких исследований.

Цель работы: развитие экспериментально - теоретического метода исследования механических характеристик плоских и сферических пленок и мембран со сложной структурой и с дефектами, а также покрытий в системе покрытие - подложка.

Научная новизна работы состоит в развитии экспериментально-теоретического метода исследования механических характеристик плоских и сферических пленок и мембран со сложной структурой и с дефектами; в развитии подхода исследования механических характеристик покрытий в системе покрытие - подложка; в результатах исследований механических характеристик пленок и мембран, а также покрытия в системе покрытие -полимерная пленка.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Метод определения механических характеристик плоских и сферических пленок и мембран со сложной структурой и установка ДМ-1 (деформация материала).

2. Расчетные зависимости для нелинейно упругих и пластических сферических мембран при больших перемещениях и деформациях.

3. Метод определения механических характеристик покрытия, не выделяя отдельно покрытие от системы покрытие - подложка.

4. Результаты исследования механических характеристик: плоских и сферических пленок и мембран; нанопокрытия из оксида титана в системе покрытие - полимерная пленка.

Практическая ценность: разработана методика исследования механических характеристик плоских и сферических пленок и мембран со сложной структурой и с дефектами; создана установка ДМ-1; получены важные для практики новые результаты, в частности, установлено влияние цвета подложки и толщины снежного покрова над пленкой на механические характеристики полимерных пленок под воздействием солнечного излучения; определены приведенные механические характеристики плоских и сферических пленок и мембран с распределенными отверстиями, а также поливинилхлоридных пленок с дисперсными наполнителями; определены изменения в жидкой среде механических характеристик композиционных пленок с гигроскопическим слоем; оценены механические характеристики нанопокрытия из оксида титана в системе покрытие - полимерная пленка.

Положения работы отмечены в Отчете о деятельности РАН за 2006 год и награждены на Международных выставках: Серебряная медаль на 35 Салоне изобретений «Женева-2007», г. Женева; Медаль на 6-ой выставке «Лаборатория Экспо-2008», г.Москва; Золотая медаль на 14-ом Салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед-2011», г. Москва.

Внедрение: Экспериментальная установка ДМ-1 внедрена в научно-исследовательскую практику в ИММ КазНЦ РАН и используется при

выполнении Программ фундаментальных исследований Президиума РАН и ОЭММПУ РАН, а также госбюджетной НИР.

Достоверность результатов обеспечивается обоснованностью подхода; проведением исследований, опирающихся на экспериментальные данные и точные теоретические соотношения, полученные из нелинейной теории оболочек; результатами тестирования для изотропных мембран; согласованием полученных результатов с известными данными.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на Итоговых конференциях ИММ КазНЦ РАН (2005 -2010); на Республиканских и Всероссийских научных конференциях: КазГАСУ (Казань 2007 -2011), Инженерные системы (РУДН, Москва 2008), Инновации РАН (Казань 2010); на Международных конференциях: по теории оболочек и пластин XXI (Саратов 2005), Пленки и покрытия (С.-Пб. 2007, 2009, 2011), на XVIII сессии по моделям механики сплошной среды (Саратов 2007); Инженерные системы (РУДН, Москва 2009 - 2011), Современные проблемы механики сплошной среды (Ростов/Дону, Азов 2010); на трех Международных форумах по нанотехнологиям (Москва 2008 - 2010).

В целом диссертация докладывалась на научном семинаре ИММ КазНЦ РАН, под руководством чл.-корр. РАН Губайдуллина Д.А., на расширенном заседании кафедры теоретической механики и сопротивления материалов ФГБО ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», на кафедре «Строительная механика» КГАСУ, на кафедре «Прочность материалов и конструкций» РУДН.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 18 статьях, из которых 7 входит в перечень ВАК и в 3 патентах РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации.

Работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложения; содержит 146 страниц, в том числе 37 таблиц, 94 рисунков. Список литературы включает 125 наименований.

Работа выполнена в ИММ КазНЦ РАН в рамках программ:

1. Программа фундаментальных исследований ОЭММПУ РАН «Развитие механики многомасштабного деформирования и разрушения как основы проектирования новых материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками», координатор академик РАН Н.Ф.Морозов, проект «Нелинейная механика пленок и мембран сложной структуры под воздействием внешних факторов», (2006 - 2008 гг.);

2. Программа Президиума РАН "Фундаментальные проблемы механики взаимодействий в технических и природных системах, материалах и

средах", координаторы академики РАН Горячева И.Г. и Н.Ф. Морозов, проект: "Механика пленок и мембран с покрытиями", (2009 - 2010 гг.); 3. Госбюджетная НИР по теме №01200955819 «Механика тонкослойных тел под воздействием физических полей и сред» (2009 - 2010 гг.).

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечается актуальность темы, сформулирована цель исследования, описана структура и объем диссертации.

В первой главе отмечается роль пленок и мембран, а также поверхностных покрытий в современном мире и в машиностроении, анализируется их структура, приводящих к ее неоднородности: сквозные и несквозные распределенные отверстия, дефекты, инородные включения и поры на нано, микро и макро уровнях; наличие различных слоев, волокон, покрытий. Неоднородность структуры пленок и мембран возникает также вследствие износа материала под воздействием окружающей среды и физических полей. Исходя из функционального назначения и требуемого качества, разрабатываются материал - конструкции, имеющие неплоскую исходную геометрию, которые наряду со сложной структурой могут иметь дефекты. Представляет интерес проблема определения механических характеристик материал - конструкции при воздействии внешних факторов, как на этапе их получения, так и при эксплуатации. Особенно остро встает этот вопрос для тонких структур. В связи с этим важно создание инструмента для исследования механических характеристик пленок и мембран со сложной структурой.

Отмечаются методы и подходы исследования механических характеристик пленок и мембран, а также способы определения свойств тонкостенных материалов. Стандартный метод одноосного растяжения имеет ограничения и не всегда применим для сложных структур. Метод индентирования позволяет судить о свойствах материала в окрестности рассматриваемой точки. Квантово - молекулярный подход позволяет исследовать механические характеристики определенных кластеров. Вычислительное моделирование тонких структур возможно при наличии информации о механических характеристиках и взаимовлиянии отдельных составных элементов рассматриваемой композиции. Упоминаются, в частности, работы Алексеева С.А., Андреевой Л.Е., БабешкоВ.А., Бидермана В.Л., Галимова Н.К., Гольдштейна Р.В., Голушко С.К., Городцова В.А., Гуткина М.Ю., Ереминой H.A., Ильгамова М.А., Карнет Ю.Н., Карпова М.И., Каюмова P.A., Коноплева Ю.Г., Копьева И.М., Крегера А.Ф., Куприянова В.Н., Луковского И.А., Лурье С.А., Морозова Н.Ф., Никитиной Е.А., Никитина С.М., Немировского Ю.В., Нобеля Р.Дж., Образцова И.Ф., Овидько И.А., Овчинского A.C., Огибалова П.М., Отто Ф., Панина A.B., Саченкова A.B., Сулейманова A.M., Тростеля Р., Троценко В.А., Устинова К.Б., Усюкина В.И., Феодосьева В.И.,

Ченцова A.B., Шугурова А.Р., Якупова Н.М., Яновского Ю.Г., Hall Е.О., Hardwick D.A., Oliver W., Pharr G.J., Petch N.J. и др. Приводятся результаты патентного поиска. Обращается внимание на необходимость развития экспериментально - теоретического подхода.

Во второй главе упоминаются наиболее близкие способы исследования механических характеристик тонкослойных элементов конструкций на двумерной основе. Отмечаются трудности описания структуры материала и формы дефектов, а также невозможность исследования одноосным растяжением пленок и мембран, имеющих сложную структуру, различные дефекты и повреждения (рис.1). Упоминаются основные моменты экспериментально - теоретического метода исследования механических характеристик пленок и мембран. Описывается экспериментальная установка «ДМ-1» (схема на рис.2) и алгоритм работы на ней. Для подготовки образцов с идентичными дефектами разработаны и изготовлены специальные штампы (дефектообразователи). Приводятся основные соотношения (1) - (3), используемые на теоретическом этапе:

Модуль упругости Е или условный модуль упругости Ет/для гибких пленок

в случае среднего изгиба (для Н/ h < 5) при больших прогибах (для Н/а <0,15) при пластических деформациях (для Н/а < 0,5)

Npa К.Н ) 3 О) 3 ра Е = -f-r (2) 4 hp „ dA k k-\ Eus,=—si+Alcel (3) úfe,

Е- h

Здесь р - равномерно распределенное давление, v- коэффициент Пуассона материала, h - толщина мембраны, а - радиус мембраны, H - прогиб образца, N- коэффициент, зависящий от коэффициента v (тсс. табл.2.1); р*- параметр, зависящий от Н/а (дисс. табл.2.2); А и к - характерные переменные величины, определяемые для материала в каждый конкретный момент износа, г; - интенсивность деформаций.

4i

fe

Рис.1. Недопустимость схемы одноосного испытания для образцов со сложной структурой

Рис.2. Схема установки: 1 - испытуемый образец в виде круга, Г - деформированный образец, 2 - матрица; 3 - пуансон-емкость, 4 -источник сжатого воздуха, 5 - манометр

Описан алгоритм построения кривых деформирования и определения модулей упругости или условных модулей упругости. Приведены основные соотношения статистической обработки. На примере экспериментальных замеров, проведенных для полимерных пленок с толщиной 0,22 лш, описана методика обработки экспериментальных данных и способ отсева «выскакивающих» данных, обеспечивая доверительный интервал с надежностью 95%. При замере прогибов использовались цифровые индикаторы ИЦ-50 с точностью 0,001 мм, а давлений - цифровые манометры ДМ-5001 с точностью ± 1%. Приводятся также известные тестовые расчеты, отмечается, в частности, что при относительном прогибе Н/а < 0,45 максимальное расхождение по прогибам и напряжениям менее 1,5%.

Для исследования тонких пленок и нанопленок в схеме установки предусматривается перфорированное основание и специальное зажимное кольцо, что позволяет устранять провисание и сползание образцов при размещении их на установке, а также наблюдать за изменением деформирования пленки в процессе нагружения. При наличии сквозных дефектов под образец подкладывают подложку в виде пленки, имеющую, более высокую деформационную способность по сравнению с испытуемым материалом. Приводятся рекомендации по выбору толщины подложки.

Инструменты для определения механических характеристик тонких пленок и покрытий разработаны не достаточно полно. Разработан алгоритм определения механических характеристик покрытия в системе покрытие - подложка:

- на первом цикле работы вырезается из системы покрытие - подложка (пленка с покрытием) круглый образец, размещается в матрице и зажимается пуансоном установки ДМ-1, образец нагружается односторонним поверхностным давлением и производится мониторинг за формой деформирования образца, в частности, определяется зависимость «прогиб Н-давление р». Далее, в зависимости от характера деформирования, определяются механические характеристики материала образца - модуль Ес или условный модуль упругости Еус'с, картину деформирования;

- на втором цикле работы все работы, выполненные на первом цикле, повторяются отдельно только для подложки (пленки без покрытия) и определяются, в частности, модуль упругости Еподл или условный модуль

упругости£>с'^),;

- на третьем цикле, исходя из условия равенства жесткости на растяжение рассматриваемого пакета сумме жесткостей на растяжение пленки и подложки, оценивается модуль упругости Еткр или условный модуль упругости Е}'"поч> по формуле:

^поал К(

I ру

> ат

ЕГ{к0КР+КмУЕ,

•уа . подл поОл

"покр "°хр (4)

Здесь Ъпокр, Ъ„одл - толщины покрытия и подложки, соответственно.

Разработанный подход является наглядным и простым, не требуется дорогостоящее оборудование.

Приведены некоторые выводы по второй главе.

В третьей главе приведены результаты исследования механических характеристик конкретных пленок и мембран, используя экспериментально - теоретический метод. Ниже приведена часть этих результатов. В первом примере приводятся экспериментальные замеры для всех 12 рассмотренных образцов, с последующим усреднением данных по методике обработки экспериментальных данных, описанной во второй главе. Во всех других примерах приводятся только усредненные данные после обработки и отсева «выскакивающих» экспериментальных данных.

Исследованы 12 одинаковых образцов из полимерной пленки с толщиной 0,22 мм с 28 и 52 распределенными отверстиями диаметром 0,8 мм в рабочей части, а также без отверстий. Испытания образцов проведены с тонкой полимерной подложкой толщиной 0,08 мм. На рис.3 приведена зависимость прогиба Я от давления Р, а на рис.4 - зависимости «интенсивность напряжений сту - интенсивность деформаций е,» по усредненным данным. Прогибы образцов Н при одинаковых давлениях Р, как и следовало ожидать, с увеличением числа отверстий увеличиваются, а интенсивности напряжений при одинаковых интенсивностях деформаций уменьшаются. При этом наблюдается нелинейный характер изменения.

; Ша

Ж

а?

—*— образец без отверстий —*—образец с 28 отверстиями образец с 52 отверстиями

в МПа

С.ООО 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0.035

Рис.3. Зависимость И - Р

ода 0,08 0,07 0,06 0,05 0.04 0,03 0.02 0,01 о

*— образец без отверстий

образец с 25 огверсгиями с — образец с 52 отверстиями

00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0.06 0,07 0,08 0,09

Рис.4. Зависимость с, - е/

В качестве второго примера рассмотрена группа образцов в виде двухслойной пленки с воздушными полостями. На образцы были нанесены

19 распределенных отверстий. Построены зависимости Н-Р и а,- с,. Процесс деформирования пленки имеет сложный характер.

Проведены исследования влияния солнечного излучения на механические характеристики полимерных пленок с белой и черной подложкой. Рассмотрены группы образцов толщиной 0,1; 0,12 и 0,18 мм, подвергшиеся облучению в течение двух месяцев в летний период. Зависимости Н-Р и а,- е, для пленок толщиной 0,12лш с белыми и черными подложками представлены на рис.5 и рис.6. Из рисунков видно, что при одинаковых давлениях прогиб образца с белой подложкой несколько ниже, чем прогиб образца с черной подложкой, а при одинаковых деформациях значения интенсивностей напряжений для пленок с белой подложкой выше, чем значения интенсивностей напряжений для пленок с черной подложкой. То есть при белой подложке деструкция материала пленки несколько ниже, чем при черной подложке.

Рассмотрен вопрос о влиянии длительности солнечного облучения при минусовых температурах и цвета подложки на изменения механических характеристик полимерных пленок толщиной 30 мк с белой и с черной подложкой. Образцы подвергались солнечному облучению на морозе (февраль месяц) в течение 1, 2 и 3 недель. При одинаковых деформациях значения интенсивностей напряжений для пленок с белой подложкой выше, чем для пленок с черной подложкой. При этом с увеличением времени солнечного облучения на морозе для обоих случаев происходит существенное изменение механических характеристик пленки.

«-U.il 20-1

<>ера *11 с белой подложкой образце черной под?шжкой

Р, Ша

0,015 0.020 0.025 0.030 0.035 0,040 0,045

Рис.5. Зависимость Н-Р Рис.6. Зависимость а, - е,

Проведены также исследования влияния солнечного излучения в ранневесенний период на механические характеристики полимерных пленок с подложками снизу и снежным покровом сверху. На рис.7 и рис.8 приведены зависимости «прогиб Н- давление Р» в вершине купола образцов, соответственно с белой и черной подложкой, подверженных солнечному облучению в течение 9 дней.

Белая подложка, снежныГ) покров —•—2 с.«

Р.МПа

Рис.7. Зависимость Н • Р

Чгрнм подпожка. скежный покров

—•—4 им

ИЗЛуЧС«!«

ч дней

о.осз о.ооэ 0,012 0 015 0.01е 0.021

Рис.8. Зависимость Н - Р

Из рис.7 и рис.8 видно, что на изменения механических характеристик оказывают влияние цвет подложки под пленкой, а также толщина снежного покрова над пленкой. Применение белой подложки обеспечивает меньшую деструкцию материала пленки. При этом с уменьшением толщины снежного покрова над пленкой несущая способность пленки падает.

Исследованы также механические свойства поливинилхлоридных пленок (ПВХ), поверхность которых была обработана вспученным перлитовым песком и «бегхаузной пылью».

Проведены исследования композиционных пленок общей толщиной 0,25 мм, находящихся в жидкой среде. Композиция состоит из полимерной тонкой пленки и картонной основы. Рассмотрены изменения механических характеристик композиций, находившихся в контакте с водой в течение 1, 10 и 20 минут. Зависимость «прогиб Я - давление Р» приведена на рис.9, а зависимость «условные модули упругости Еуа, - интенсивность деформаций 81» - на рис. 10.

0.00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10

Рис.9. Зависимость Н-Р

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030

Рис.10. Зависимость Еусл "

Как видно из рис.9 и рис.10 взаимодействие пленочной композиции с жидкостью значительно снижает приведенный условный модуль упругости. При этом уже в течение первой минуты происходит существенное снижение механических характеристик.

Рассмотрен также пример оценки механических характеристик тонких покрытий в системе покрытие - подложка. Рассмотрена полимерная пленка толщиной I = 0,1 мм, на которую были нанесены ионно-плазменным методом покрытия из оксида титана ТЮ2 (образцы были подготовлены специалистами КГТехнолУ). Построены для подложки с покрытием и отдельно для подложки кривые деформирования: прогиб Я-давление Р и интенсивность напряжений <г, - интенсивность деформаций г; (рис.11). Далее были определены модули упругости покрытия Еу„р при упругой деформации образца и условные модули упругости покрытия Етас в зависимости от интенсивности деформации (рис.12).

В заключение главы отмечается эффективность экспериментально -теоретического метода при исследовании механических характеристик различных тонких пленок и композиций, имеющих неоднородную структуру и различные дефекты.

а,Ша 1 Ял

ад

0,8-м

НО.

/

— обц &1HIWCIIU

—*—OOfi с шаскнеы

од) <ци ода оде оде oí» ода о,го ърв

Рис. 11. Зависимость а, - е,

0.0015 одао 0,0025 0.0030 0,0035 0,0040

Рис.12. ЗависимостьЕуа-е,

В четвертой главе описан экспериментально - теоретический метод определения механических характеристик сферических пленок и мембран со сложной структурой. Пленки и мембраны, исходя из функционального назначения, иногда необходимо изготавливать неплоской формы - это так называемые оболочечные пленки и мембраны, которые могут иметь сложную структуру и различные дефекты. Невозможно исследовать механические характеристики оболочечных пленок и мембран стандартным способом одноосного растяжения, возникают также трудности при использовании метода индентора.

Описан экспериментально - теоретический метод определения интегральных (приведенных) механических характеристик оболочечных

пленок и мембран. Опираясь на экспериментальные данные и используя соотношения теории оболочек в упругой и пластической областях, определяются механические характеристики материала образца: модуль или условный модуль упругости, картина деформирования и т.д. При этом для образцов со сложной структурой, например, образцов с различными мелкими отверстиями, порами или дефектами, определяются приведенные характеристики. Приведен вывод соотношений для нелинейно упругих и пластических осесимметричных сферических мембран (рис.13) в случае больших перемещений и деформаций.

Рис.13. Сегмент сферической оболочки

Уравнения равновесия сферической мембраны, находящийся под действием внутреннего давления р имеют вид:

Ц1. г Т1к; + т2к; = Р, (5) йг аг

где Т\ и ?2 - радиальные и кольцевые усилия, соответственно; К ь К 2-кривизны деформированного купола в радиальном и окружном направлениях, соответственно; р - внутреннее давление; 0 < г < а\ А 2 -параметр Ляме деформированной мембраны.

Соотношения для компонент деформаций в радиальном £\ и ег окружном направлениях имеют вид:

1

с!и и»

и IV

сЛУ и

(6)

где и - радиальное перемещение; к> - прогиб. При этом А 2 = К1 + ег>-

Кривизны купола в случае больших перемещений и деформаций в радиальном и окружном направлениях записываются, согласно К.З. Галимова, следующим образом:

¿(1 + е,) 1

к; =

-(1 + е1)—+а

-+ —(1 + 2 £,) ¿г Я

(1 + 2е, У

(О 1 .. . _+ (1 + е,) г К

(1 + 2 е,)2 0 + е2)

Физические соотношения для резиноподобных (нелинейно упругих) материалов берутся в виде, предложенных Каппусом:

где 7'ь Т2 и £•[, f2 - радиальные и кольцевые усилия и деформации, соответственно; Е и v - модуль упругости и коэффициент Пуассона материала мембраны, h0 - первоначальная толщина мембраны.

Физические соотношения для пластических материалов берутся в виде, предложенным А.А.Ильюшиным:

а, = А-е,1 (9)

где о; и § интенсивность напряжения и интенсивность деформаций соответственно; А и к - некоторые постоянные, характерные для рассматриваемого материала (0 <к< 1).

Задача решается в перемещениях методом Бубнова - Галеркина, при этом перемещения задаются в виде:

w = a/(l-<f), f = wja, £ = (Ю)

где с - искомая величина, характеризующая радиальные перемещения в процессе деформации мембраны; w0 - прогиб в центре сферической мембраны, который определяется из эксперимента.

В результате уравнения равновесия преобразуются к виду:

о

iCMf + T^Oli = р J(i - )<frf<r , (12)

О 0

Из уравнения (11) при заданном w0 определяется постоянная с, а из уравнения (12) - модуль упругости Е (для линейно и нелинейно упругих материалов) или условный модуль упругости Еусх (для пластических материалов) doi/ds,. И, наоборот, при известной величине модуля упругости Е и давления р из уравнений (11) и (12) можно определить величины с и w0, а затем - вычислить усилия и Тг.

Рассмотрены примеры определения модулей упругости сферических оболочек, изготовленных из пластика и резины. Исследована, в частности, сферическая мембрана из резины с отверстиями со следующими параметрами: #= 10,2 мм, о = 36 мм, h = 0,591 мм, v=0,5. Рассмотрены варианты сферической мембраны: а - без отверстия, 6 - с 1 центральным отверстием, с - с 7 отверстиями, d- с 13 отверстиями. Диаметр отверстий d = 1 мм. При испытаниях всех образцов использовалась подкладка из мягкого материала с толщиной 0,008 мм. На рис.14 приведено

изображение образца с 7 отверстиями в процессе испытания. На рис.15 приведена зависимость давление Р - прогиб ч'0. Максимальная величина модуля упругости находится в районе от 5.42 МПа до 6 МПа в зависимости от количества отверстий (для бездефектной резины модуль упругости изменяется от 3 до 12 МПа в зависимости от типа резины).

Рис. 14. Образец с 7 отверстиями

Р. МПа

-1->-1-.—•—1---1---1---1

0.01 0,02 0.03 0.04 0.05 0,06

Рис.15. Зависимость давление Р - прогиб и'п

Исследован фрагмент сферической оболочки (рис.16), со следующими исходными параметрами: к =2,2 мм, а -36 мм, Н = 13,12 мм, V- 0,5; 0, 1, 2 - точки, взятые по радиусу от центра с шагом 10 мм. Для оценки точности задания прогибов и< по формуле (10), были вычислены и замерены величины (Н+н>) для точек Г», Т), и Т\ (рис.16) при рассмотренных давлениях нагружения. График изменения интенсивности напряжения сг, от интенсивности деформации £, представлены на рис.17. Там же изображена кривая, вычисленная по теории малых деформаций. Наблюдается хорошее согласование только до деформаций е< 0,1. При больших деформациях, как и следовало ожидать, теория малых деформаций не применима.

Рис. 16. Образец с маркировкой точек

о. ЫПб 2,5-,

0,0 0,1 0.2 0,3 0.4 0.5 0,6

Рис.17. Зависимость <т, - г,

Рассмотрена сферическая мембрана из пластического материала со следующими параметрами: Я = 25,6 мм, а = 36 мм, И = 1,373 мм, у= 0,5. Фрагмент сферической оболочки во время испытаний представлен на рис.18. На рис.19 приведена зависимость условный модуль упругости Еуа -деформация е,».

Из рис.19 видно, что уже до деформаций 0,01 наблюдается существенное падение Еуа. Величина условного модуля упругости находится в районе от 50 МПа до 250 МПа в зависимости от степени деформации и соответствует пределам изменения условного модуля упругости для пластиков.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Развит экспериментально - теоретический метод исследования механических характеристик плоских и сферических пленок и мембран со сложной структурой и с дефектами: получены зависимости для нелинейно упругих и пластических сферических оболочек при больших перемещениях и деформациях; создана установка ДМ-1 и отработан способ испытания образцов; разработан алгоритм построения кривых деформирования.

2. Исследованы полимерные пленки и мембраны с плоской исходной формой: установлено влияние дефектов, толщины пленки, цвета подложки под пленкой, толщины снежного покрова над пленкой, время воздействия солнечного облучения и температура окружающей среды на их механические характеристики; в частности, применение подложки белого цвета, уменьшает деструкцию материала пленки; с увеличением времени облучения, а также с уменьшением толщины снежного покрова несущая способность пленки падает; пропитка полимерных пленок ПВХ ультрадисперсными частицами изменяет характеристики пленок; с увеличением числа распределенных отверстий изменение приведенных механических характеристик имеет нелинейный характер.

3. Исследованы мембраны со сферической исходной формой: определены механические характеристики сферической резиновой мембраны без отверстия и с отверстиями в нелинейно упругой области деформирования; установлено, что для резиноподобных материалов необходимо использовать соотношения для больших перемещений и деформаций; рассмотрена сферическая оболочка из пластика; установлено, что при деформациях до 0,01 наблюдается существенное падение условного модуля упругости.

4. Разработан способ определения (оценки) механических характеристик покрытия, не выделяя (не расчленяя) отдельно покрытие от системы покрытие - подложка; определены механические характеристики нанопокрытия из оксида титана в системе покрытие - полимерная пленка.

5. Используемые соотношения нелинейной теории оболочек при больших перемещениях и деформациях обеспечивают высокую точность получаемых результатов теоретического этапа. Принятая аппроксимация прогиба дает достоверные результаты (расхождение с известными данными для относительных прогибов Н/а < 0,45 составляет менее 1%; максимальное расхождение теоретических и экспериментальных значений прогибов для резиновой сферической оболочки составляет 1,8%).

6. Экспериментально - теоретический метод позволяет исследовать тонкие структуры, улавливать изменения механических характеристик пленочных структур при воздействии внешних полей и сред. Метод является инструментом при создании новых материал - конструкций, а также оценке состояния пленочных элементов конструкции в процессе эксплуатации.

Основные положения и научные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

1. Якупов, С.Н. Экспериментально - теоретический метод определения механических характеристик сферических пленок и мембран со сложной структурой / Н.К. Галимов, Н.М. Якупов, С.Н. Якупов // МТТ - 2011 - №3 -С.58-66.

2. Якупов, С.Н. Механические характеристики тонких покрытий из оксида титана в системе покрытие - полимерная пленка / С.Н. Якупов // Механика композиционных материалов и конструкций - 2010 - т.16 - №3 - С.436-444.

3. Якупов, С.Н., Методология исследования механических характеристик тонких пленок и нанопленок / Н.М. Якупов, Р.Г. Нуруллин, С.Н. Якупов // Вестник Машиностроения - 2009 - №6 - С.44-47.

4. Якупов, С.Н. Методика испытания пленок и мембран в условиях равномерного распределенного поверхностного давления / Н.М. Якупов,

А.Р. Нургалиев, С.Н. Якупов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов - 2008 - Т.74 - №11 - С.54-56.

5. Якупов, С.Н. Пленки неоднородной структуры / Н.М. Якупов, С.Н. Якупов // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений - 2009 - №1 - С.60-70.

6. Якупов, С.Н. К определению модуля упругости сферических оболочек / Н.К. Галимов, С.Н. Якупов // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений - 2009 - №4 - С.13-18.

7. Якупов, С.Н. К исследованию механических характеристик пленок и пленочных структур / Н.М. Якупов, В.Н. Куприянов,С.Н. Якупов // Известия КГАСУ - 2008 -№1 (9) - С. 106-112.

Патенты

8. Пат. 2387973 Российская Федерация, МПК G01N 3/12. Способ определения прочностных свойств тончайших пленок и нанопленок и устройство для его осуществления /Якупов Н.М., Куприянов В.Н., Нуруллин Р.Г., Якупов С.Н. Заявл. 27.06.2009.

9. Пат. 2296976 Российская Федерация, МПК G01N 17/00. Способ испытаний образцов металлических мембран под напряжением и устройство для его осуществления / Якупов Н.М., Нуруллин Р.Г., Нургалиев А.Р., Якупов С.Н. Заявл. 10.11.2005.

10. Пат. 2310184 Российская Федерация, МПК G01N 3/12. Способ определения прочностных свойств тонкослойных материалов / Якупов Н.М., Нуруллин Р.Г., Нургалиев А.Р., Якупов С.Н. Заявл. 10.02.2007.

Статьи в научных сборниках и материалах научных конференций

11. Якупов, С.Н. Исследование механических характеристик полимерных пленок, подверженных воздействию солнечного облучения и отрицательных температур / Н.М. Якупов, В.Н. Куприянов, С.Н. Якупов // РААСН: Вестник отделения строительных наук. Период, науч. издание. Вып. 12. Белгород - 2008 - С.301-310.

12. Якупов, С.Н. Исследование механических характеристик нелинейно деформируемых сферических мембран / Н.К. Галимов, С.Н. Якупов // Труды второй международной конференции «Проблемы нелинейной механики деформируемого твердого тела». Казань: КГУ- 2009 - С. 105-107.

13. Якупов, С.Н. К определению модуля упругости тонкостенных сферических оболочек из пластичных материалов / Н.К. Галимов, С.Н. Якупов // Труды Междун. науч.-практ. конф. «Инженерные системы-2009». М.: РУДН - 2009 - T.II. - С.362-366.

14. Якупов, С.Н. Экспериментально - теоретический подход определения механических характеристик плоских и неплоских пленок и мембран со сложной структурой / Н.М. Якупов, Н.К. Галимов, С.Н. Якупов // Пленки и

покрытия - 2009: Тр.9 Межд. конф. С.-Пб.: Изд-во Политехи, ун-та - 2009. -С.97-99.

15. Якупов, С.Н. К исследованию механических характеристик тонких пленок и нанопленок / Н.М. Якупов, В.Н. Куприянов, Р.Г. Нуруллин, С.Н. Якупов // Межд. форум по нанотехнологиям. Сб. докл. науч.-технол. секций - Т.1. М.: Роснано - 2008 - С.543-545.

16. Якупов, С.Н. Приведенные механические характеристики элементов конструкций со сложной структурой / Н.М. Якупов, А.Р. Нургалиев, С.Н. Якупов // Труды Межд. науч.-практ. конф. «Инженерные системы - 2010» -М.: РУДН - 2010 - С. 156-159.

17. Якупов, С.Н. Механика полимерных пленок, подверженных воздействию солнечного излучения и минусовых температур / Н.М. Якупов, С.Н. Якупов, Р.И. Шафигуллин // XVIII сессия Междун. школы по моделям механики сплошной среды. Саратов - 2007 - С.305-308.

18. Якупов, С.Н. О влиянии солнечного излучения на механические характеристики полимерных пленок / Н.М. Якупов, С.Н. Якупов, Р.И. Шафигуллин, JI.H. Шагидуллина // Пленки и покрытия - 2007. Тр.8 Межд. конф. С.-Пб.: Изд-во Политехи, ун-та - 2007 - С.108-110.

19. Якупов, С.Н. Устройство для испытания пленочных композиций и некоторые результаты исследования пленок с дефектами / С.Н. Якупов, Р.Г. Нуруллин, Р.И. Шафигуллин, Н.М. Якупов // Тр. XXI Межд. конф. по теории оболочек и пластин, СГТУ, Саратов - 2005 - С.249-251.

20. Yakupov, S.N. Definition of mechanical characteristics of films with the pores, nanoinclusions and nanocoatings / N.M. Yakupov, S.N. Yakupov // Abstracts. The second Nanotechnology International Forum. M.: Rusnanotech -2009 - P.344-346.

21. Yakupov, S.N. Way of definition of mechanical characteristics of thin coverings in system «the covering - the substrate» / S.N. Yakupov // Abstracts. The second International Competition of Scientific Papers in Nanotechnology for Young Researchers. M.: Rusnanotech - 2009 - P.439-440.

Отпечатано в ООО кПечатный двор», г. Казань,ул. Журналистов, 2А, оф.022

Тел: 295-30-36, 541-76-41, 541-76-51. Лицензия ПД №7-0215 от 01.11.2001 г. Выдана Поволжским межрегиональным территориальным управлением МПТРРФ. Подписано в печать 21.11.2011 г. Печл.1,1 Заказ № К-7083. Тираж 100 экз. Формат 60x841/16. Бумага офсетная. Печать - ризография.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПЛЕНКИ И МЕМБРАНЫ НЕОДНОРОДНОЙ СТРУКТУРЫ

1.1. Пленки и мембраны в современном мире.

1.2. О поверхностных покрытиях

1.3. Структура пленок и факторы, приводящие к ее неоднородности

1.4. Пленки со сложной исходной формой.

1.5. Актуальность проблемы.

1.6. Методы и подходы исследования механических характеристик тонких пленок.

1.6.1. Одномерный подход.

1.6.2. Двумерный подход.

ГЛАВА 2. МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОНКИХ ПЛЕНОК И МЕМБРАН СО СЛОЖНОЙ

СТРУКТУРОЙ.

2.1. Введение.

2.2. Экспериментально-теоретический метод исследования пленок и мембран.

2.2.1. Экспериментальная установка.

2.2.2. Методика проведения эксперимента.

2.2.3. Соотношения, используемые на теоретическом этапе.

2.3. Методика обработки экспериментальных результатов.

2.4. Тестирование результатов, получаемых экспериментально-теоретическим методом.

2.5. Развитие экспериментально-теоретического метода для исследования тонких пленок и нанопленок.

2.6. Развитие экспериментально-теоретического метода для исследования пленок и мембран со сквозными дефектами

2.7. Подход определения механических характеристик покрытия в системе покрытие-подложка.

2.8. Выводы

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ПЛЕНОК И МЕМБРАН СО СЛОЖНОЙ СТРУКТУРОЙ.

3.1. Введение.

3.2. Полимерные пленки с отверстиями.

3.3. Двухслойные пленки со сложной структурой.

3.4. Влияние солнечного излучения на механические характеристики полимерных пленок.

3.4.1. Пленки под воздействием солнечного излучения в летний период.

3.4.2. Пленки под воздействием солнечного излучения в зимний период.

3.4.3. Пленки под воздействием солнечного излучения под снежным покровом.

3.5. Влияние дисперсных наполнителей на механические свойства поливинилхлоридных пленок.

3.6. Исследование изменения механических характеристик тонких композиционных пленок в жидкой среде.

3.7. Определение (оценка) механических характеристик тонких покрытий в системе покрытие - подложка.

3.8. Выводы.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СФЕРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК И МЕМБРАН СО СЛОЖНОЙ

СТРУКТУРОЙ.

4.1. Введение.

4.2. Экспериментально-теоретический метод.

4.3. Соотношения для нелинейно упругих и пластических сферических оболочек.

4.4. Примеры . ИЗ

4.4.1. Резиновая сферическая мембрана с отверстиями в нелинейно упругой области деформирования.

4.4.2. Резиновая сферическая оболочка в нелинейно упругой области деформирования.

4.4.3. Пластиковая оболочка в пластической области деформирования.

4.5. Выводы.

Актуальность проблемы. Среди тонкостенных элементов конструкций, сочетающих легкость с высокой прочностью, выделяются пленки и мембраны, пленочные и мембранные элементы. Под мембраной понимается пластина или оболочка, у которой мала изгибная жесткость и учитывается только жесткость на растяжение. Пленки и мембраны находят широкое применение во всех отраслях производства и жизнедеятельности [94, 96]: элементы конструкций покрытий, павильонов, теплиц, экологических объектов, парашютов, парусов, надувных сооружений, дирижабли, мелиоративных систем и др. (рис.0.1-0.2).

Рис.0.1. Покрытия сложной Рис.0.2. Дирижабль из структуры многослойной пленки

Уже в настоящее время пленки и мембраны в качестве элементов конструкций находят широкое применение в машиностроении. С развитием науки, техники и технологии перспективы их использования постоянно растут. Для получения необходимых физико-механических характеристик пленочных и мембранных элементов конструкций их делают, как обычно, композиционными и на их поверхности наносятся специальные покрытия, представляющие собой тонкие пленки [25,40,52-54,58,61-64,66,105,106]. При создании композиций, включая покрытия, используются весь накопленный технологический арсенал, включая нанотехнологию.

Отметим некоторые примеры применения пленок и мембран. Интересным примером применения тонких пленок сложной структуры со специальным отражающим покрытием являются солнечные паруса (рис.0.3-0.4) (//ги. \vikipedia. org/wiki).

Рис.0.5. Разрывные мембраны: а) металлические, б) тканевые; в) испытание мембраны двигателя К-900М

Рис.0.3. Солнечный парус Рис.0.4. Солнечный парус

ЫзЫЗаП-1 над планетой на аппарате Космос 1

Для защиты объектов от перегрузок давлением широко применяются металлические, композиционные и тканевые мембраны с пропиткой (рис.0.5) {http://www. diffusor.spb. ru/membrana, http://martkot. h 1. ru/rocket/membrane). разрывная

Получают распространение силиконовые термостойкие мембраны для вакуумно-мембранного прессования и мембраны для топливных систем, в водородных элементах для получения электричества при соединении водорода с кислородом. Используемые при этом мембраны представляют собой композиционные пленки из полимера, которые обладают высокой механической прочностью и химической стойкостью. мембрана

Широкое применение находят композиционные мембраны со специальным покрытием в пневматических насосах (рис.0.6) для перекачки высоковязкой жидкости, химически агрессивной и коррозийной среды.

Рис.0.6. Пневматический мембранный насос

Мембраны сложной структуры получают широкое распространение в конвейерном и подъёмно-транспортном оборудовании (рис.0.7). Обычно транспортёры комплектуются различными композиционными лентами на основе резинотканевых и полимерных мембран (http://novosibirsk.olx.ru/iid).

Рис.0.7. Мембраны в транспортерах

Пленки и мембраны получают широкое применение в фильтрационных блоках и установках машиностроительных конструкций как основные функциональные элементы. На базе создаваемых уникальных пленок и мембран активно развиваются мембранные технологии [1,8,9] (www.guards.ru/, http://mirrti.com/7page, Реал-Пресс-Издательский doM.htm., www.chem.msu.su/, http://www.sibai.ru/content/view/). Получают распространение трековые мембраны (рис.0.8) - тонкие пленки толщиной 12-20мкм, поверхность которых предварительно подвергается бомбардировке ионами инертных газов с последующей обработкой для образования пор диаметром 0,2 или 0,3 мкм с плотностью до 400 млн. отверстий на 1 см2 (http://www.nerox.ru/?mod=articles). Сложная структура обеспечивает, в частности, низкое сопротивление течению фильтруемой среды, высокую селективность фильтрации, прозрачность и малый собственный вес, высокую прочность и эластичность [111,114].

Рис.0.8. Структура трековых мембран

Появляются ультрафильтрационные мембраны (рис.0.9) с отверстиями (порами) от 5 нм до 0,1 мкм, обеспечивающих фильтрацию жидкости под давлением через полупроницаемую пленку-мембрану.

- .г^-*' * ДУД

1 Яма ;

К * Чь О V".:. •

Чг . « > ^ ** ЯШШ^ШЯ в

Рис.0.9. Структура ультрафильтрационных мембран из: а) ацетат целлюлозы, б) полиэтерсульфона, в) поликарбоната

Такие мембраны имеют сложную структуру в виде тонкого селективного слоя и пористой подложки. Меняя параметры структуры, можно управлять их селективными характеристиками.

Мембраны являются основными функциональными элементами в погружных мембранных модулях (рис.0.10), в которых процесс фильтрации идет под действием вакуума.

Рис.0.10. Погружные мембранные модули: а) мембраны с половолоконными элементами, б) мембранные блоки

Мембраны используются в корректорах подачи топлива по наддуву (рис.0.11) {http://citroen-club.net.ua/models /, www.ammotors.ru/spares/p57/).

Рис.0.11. Корректор подачи топлива (позиция 27 - мембрана)

Пленки и мембраны находят применение также в различных дыхательных клапанах (рис.0.12) резервуаров низкого давления (http://mashteh.ru/tehpage). Мембранный дыхательный клапан, которым оборудуются резервуары с нефтью и нефтепродуктами, позволяет осуществлять герметичную эксплуатацию резервуаров.

Рис.0.12. Дыхательный клапан: позиция 4 -покрытие из фторопласта позиция 5 - тарелка-мембрана; позиции 6 и 10 -пленка из фторопласта

Пленки и мембраны находят широкое применение при изготовлении спецодежды для пожарных и сталелитейщиков, скафандры для космонавтов (рис.0.13) и подводников и т.д. {http://art.thelib.ru/science/inventions/moroz). Исходя из функционального назначения структура материала очень сложная.

Рис.0.13. Специальная одежда (Safe&Cool Project Consortium): а) космический скафандр, б) терморегулирующий слой ткани с трубками хладагента, в) слои костюма - водный гель, полупроницаемая мембрана, трёхмерная тканевая система, трубки системы охлаждения (стрелкой показано движение влаги от тела человека - наружу

Широко используются различные защитные текстильные и полиэтиленовые кожуха (рис.0.14), например, для фланцевых соединений, для трубопроводной арматуры (Реал-Пресс - Издательский Дом. htm).

Рис.0.14. Защитные кожуха

Широкое применение получают различные пленки и мембраны сложной структуры в качестве: изоляционного материала (от влаги и агрессивных сред, для защиты от механических повреждений), упаковки изделий, обеспечивая климатический режим для конструкций при их эксплуатации и хранении, а также их защиту от внешнего контакта при транспортировке и эксплуатации {Реал-Пресс - Издательский Дом. htm). Появляются профилированные мембраны, обеспечивающие отвод воды и необходимую степень вентиляции защищаемых поверхностей; композиционные, например, пластифицированные поливинилхлоридные многослойные мембраны, обеспечивающие стойкость материала к воздействию ультрафиолета.

Воздушнопузырькововые пленки (рис.0.15) широко применяются для упаковки изделий, оборудования, запчастей и деталей. Они изготавливаются двухслойными (одна сторона гладкая, а другая с пузырьками), трехслойными (пузырьки внутри между двумя слоями пленки).

Находят широкое применение различные теплоотражающие мембраны-экраны (http://www.sb43.ru/node/62), которые имеют сложную структуру (рис.0.16). Полимерные мембраны широко используются в уплотнительных устройствах, например, в вакуум - кранах; а также в качестве преобразователя изменения давления среды в изменение механического усилия, например, в исполнительных механизмах регуляторов (рис.0.17).

Области применения мембран в автомобильной и машиностроительной промышленности описано также в [115]. Путем добавления различных добавок в отдельные слои, а также нанося на поверхность различные покрытия, можно получать композиции с необходимыми функциональными качествами.

Для оценки прочностной эффективности плоских пленок используют показатель восприятия силы, которую определяют одноосным испытанием на

Рис.0.17. Схема регулятора: 1 -мембоана. 2 - шток

Рис.0.15. Воздушно-пузырьковая пленка

Рис.0.16. Теплоотражающая мембрана растяжение полос по методике DIN EN ISO 527, используя стандартные приборы. Так, например специалисты Дортмундского университета в рамках научно-исследовательского проекта «Разработка метода испытания для исследования прочности синтетических пленок с неодинаковой площадью поперечного сечения.» работают над решением проблемы определения качества перфорированных и армированных плёнок {Реал-Пресс Издательский Дом. htm). Для оценки качества различных типов пленок возникла необходимость разработки метода и устройства для испытания.

Мир пленок, мембран и покрытий постоянно расширяется. Появляются и получают распространение тонкие пленки и нанопленки, а также композиции, включающие «микро» и «нано» элементы [25,40,58,66]. Сама природа подсказывает эффективность использования пленок и мембран, достаточно изучить строение природных конструкций, строение флоры и фауны.

Применяя «бионический подход», в Хан-Майтнер-Институте, работая над проектом «Искусственное страусиное яйцо» {http://www.sibai.ru/conteni), пытаются воссоздать подобную структуру на современном техническом уровне. Еще 7000 лет до н.э. жители Северной Африки начали использовать в качестве сосудов для хранения воды скорлупу страусиных яиц, обладающую антибактериальными и стерилизующими свойствами.

Большим достижением являются полимерные трековые мембраны на основе лавсана, технология изготовления которых была разработана в институте ядерных исследований (г.Дубна). Мембраны имеют небольшую толщину подложки, высокую механическую прочность {//www.sibai.ru/content).

Создание новых пленок, мембран и покрытий с заданными свойствами — это одно из перспективных направлений развития. Необходимые качества обеспечиваются, обычно, путем составления различных композиций сложной структуры - это так называемые материал - конструкции. Сложность структуры возникает и вследствие наличия сквозных и несквозных распределенных отверстий, вследствие появления дефектов (царапин, трещин.) на нано-, микро- и макро- уровнях, обусловленных технологией производства, способа хранения и условий эксплуатаций. Неоднородность структуры появляется и вследствие наличия инородных включений и различных пор на нано, микро и макро уровнях, обусловленные заложенной технологией производства. Структура материала может меняться и в процессе эксплуатации конструкции -приобретаемая структура материала. Силовое, температурно-временное, физическое, механическое, биологическое и химическое воздействия раздельно или в комплексе могут вызвать разрушительные процессы в структуре материала. Неоднородность структуры материала пленки, мембраны и покрытий возникает и в процессе ее деформирования. Неоднородность структуры возникает и при нанесении на поверхность пленок и мембран каких-либо покрытий или при поверхностной обработке, например, ионно-плазменная обработка, ионная имплантация, наноструктурная обработка, пластическое деформирование и т. д. [25,40,52-54,58,61-64,66,105,106]. При этом чем тоньше пленка, мембрана или покрытие, тем существеннее изменение приведенных интегральных характеристик.

Исходная плоская форма тонких структур не охватывает весь спектр возможных пленок и мембран. Природные конструкции наглядно демонстрируют эффективность пленок, имеющих сложную исходную геометрию. Исходная срединная поверхность тонкослойных структур может иметь различные формы: сферические, тороидальные и другие формы поверхностей. Исходя из функционального назначения, на практике разрабатываются конструкции и элементы конструкций, а также материал-конструкции, имеющие неплоскую исходную геометрию.

Становится актуальной проблема определения физико-механических характеристик плоских и неплоских пленок и пленочных композиций со сложной структурой и с различными дефектами; изменения их механических свойств от воздействия внешних факторов на этапе их получения и при эксплуатации. Особенно актуален вопрос воздействия различных факторов на тонкие структуры, поскольку незначительные изменения свойств материала оказывают существенное влияние на работоспособность всей системы. Возникает необходимость создания инструмента для исследования механических характеристик плоских и неплоских пленок и пленочных композиций со сложной структурой.

При стандартном одноосном растяжении тонких пленочных и мембранных образцов, вырезанных из полотна в виде полосок, наблюдается разброс результатов испытаний [35]. Невозможно исследовать стандартным способом плоские образцы с пространственно-неоднородной структурой и образцы с неплоской исходной геометрией сложной структурой.

Для исследования сложных структур, включая образцы с дефектами или отверстиями, не всегда применимы физические методы, в частности, метод с применением индентора, предложенный Оливером - Фарром [116], или модификации метода [70]. Очевидно, что этот метод позволяет судить о свойствах материала в окрестности рассматриваемой точки, не эффективен для сложных структур, особенно при наличии нано- и микродефектов.

Известен способ определения прочности на разрыв латексных пленок, описанный Флинтом и Наунтоном [43], по которому пленку нагружают водой и измеряют объем вытесняемой воды в момент разрыва пленки и определяют прочность на разрыв и удлинение при разрыве. Получает распространение вычислительное моделирование [69], виртуальные исследования механических характеристик определенных кластеров на квантово - молекулярном уровне [42,103,104]. Однако порой невозможно описать сложную структуру и сложные формы дефектов. Сложная проблема возникает при моделировании взаимодействия составных элементов, например, как в работе [51]. На базе идей [42,103,104] трудно смоделировать поведение пленок и покрытий, имеющих одновременно дефекты, например, на нано- и микро уровнях [20].

Работы, посвященные построению кривых деформирования с использованием двумерного подхода, встречаются редко, а работы по исследованию пленок и мембран со сложной структурой и с различными дефектами в двумерной постановке практически отсутствуют.

Двумерный подход может осуществляться в двух вариантах: 1) исследование свойств отдельных компонентов с моделированием структуры с учетом взаимодействия отдельных компонентов [2,19,67]; 2) определение интегральных характеристик пленочных композиций в целом, рассматривая пленки и мембраны как материал - конструкцию со сложной структурой [10,1317,75-80,82-102].

Целью настоящей работы является:

1). Развитие экспериментально - теоретического метода исследования механических характеристик пленок и мембран со сложной структурой плоской и сферической исходной формой.

2). Определение приведенных механических характеристик различных пленок и мембран плоской и сферической исходной формой.

3). Развитие экспериментально - теоретического подхода для исследования механических характеристик покрытий, включая нанопокрытия в системе «покрытие - подложка».

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте механики и машиностроения Казанского научного центра РАН в рамках:

1). Программы фундаментальных исследований ОЭММПУ РАН «Развитие механики многомасштабного (от нано- к макромасштабам) деформирования и разрушения как основы проектирования новых материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками», координатор программы академик РАН Н.Ф. Морозов. Проект «Нелинейная механика пленок и мембран сложной структуры под воздействием внешних факторов» (2006-2008 гг.).

2). Программы Президиума РАН "Фундаментальные проблемы механики взаимодействий в технических и природных системах, материалах и средах", координаторы программы академики РАН Горячева И.Г. и Н.Ф. Морозов. Проект: "Механика пленок и мембран с покрытиями" (2009-2010 гг.).

3). Госбюджетная НИР по теме №01200955819 «Механика тонкослойных тел под воздействием физических полей и сред» (2009-2010 гг.).

Структура и объем работ. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения; содержит 145 страниц, в том числе 37 таблиц, 94 рисунков.

В первой главе отмечается роль пленок и мембран, а также поверхностных покрытий в современном мире. Анализируется структура пленок и мембран, а также факторы, приводящие к ее неоднородности [94,96]. Отмечается, что материал - конструкции могут иметь неплоскую исходную срединную поверхность. Такие элементы часто имеют и сложную структуру материала, и различные дефекты. Акцентируется внимание на актуальность проблемы определения механических характеристик пленок, мембран и композиций с неоднородной структурой при воздействии внешних факторов, как на этапе их получения, так и при эксплуатации. Особенно остро встает этот вопрос для тонких и очень тонких структур. Говорится о важности создания инструмента для исследования механических характеристик пленок и мембран со сложной структурой и неплоской исходной геометрией. Отмечаются некоторые методы и подходы исследования механических характеристик тонких пленок и мембран, а также способы определения свойств тонкостенных материалов. Упоминается невозможность исследования способом одноосного растяжения пленочных композиций, имеющих пространственно-неоднородную структуру, различные дефекты и повреждения. Отмечается два варианта двумерного подхода, из которых предпочтение отдается экспериментально-теоретическому методу исследования.

Во второй главе, приводя некоторые известные разработки, отмечаются наиболее близкие способы исследования механических характеристик тонкослойных элементов конструкций на двумерной основе. Отмечаются основные моменты экспериментально-теоретического метода исследования механических характеристик пленок и мембран. Описывается экспериментальная установка ДМ-1 [44,82,102], разработанная диссертантом. Для подготовки образцов с идентичными дефектами разработаны и изготовлены специальные штампы (дефектообразователи). Приводится алгоритм работы на установке ДМ-1, а также основные соотношения, используемые на теоретическом этапе [13,79,86-88,93]: для упругой пленки при относительно небольших перемещениях и в случае среднего изгиба, а также для гибких упругих пленок при больших прогибах; для гибких пленок при пластических деформациях. Описывается алгоритм построения кривых деформирования и определения модулей упругости или условных модулей упругости [88,89,93]. Изложена методика обработки экспериментальных результатов. Приведены некоторые тестовые расчеты, рассмотренные в работах [75,77]. Отмечается достоверность результатов.

Приводится описание развития экспериментально-теоретического метода для исследования тонких пленок и нанопленок, а также для исследования пленок и мембран со сквозными дефектами [84,85,92]. Отмечается, что инструментарии для определения механических характеристик тонких пленок и покрытий разработаны недостаточно полно. Описывается алгоритм определения механических характеристик покрытия в системе «покрытие-подложка» [99-101]. Отмечается наглядность и простота подхода. Приводятся некоторые выводы по главе.

В третьей главе приведены результаты исследования механических характеристик конкретных пленок и мембран [10,79,82,84-87,91,95-101,124125], используя экспериментально-теоретический метод, описанный во второй главе. В качестве примеров были рассмотрены полимерные пленки с отверстиями, для которых определены приведенные (интегральные) механические характеристики (зависимости прогиб от давления, интенсивности напряжений от интенсивности деформаций, условные модули от деформаций). Рассмотрены, в частности, простые полимерные пленки с отверстиями и двухслойные пленки с воздушными полостями [79,86,92,96]. Приведены результаты исследований влияния солнечного излучения на механические характеристики полимерных пленок с белой и черной подложкой [79,85-87,9798]. Рассмотрены образцы, подвергшиеся облучению в летний и зимний периоды времени года. Приведены также результаты исследования влияния солнечного излучения в ранневесенний период на механические характеристики полимерных пленок с подложками снизу и снежным покровом сверху [96-98]. Отмечены факторы, влияющие на механические характеристики полимерных пленок.

В третьей главе представлены также результаты исследования влияния дисперсных наполнителей на механические свойства поливинилхлоридных пленок, поверхность которых была обработана вспученным перлитовым песком и «бегхаузной пылью» [10,96]. Приведены результаты исследования изменения механических характеристик тонких композиционных пленок, находящихся в жидкой среде. Рассмотрен также пример определения механических характеристик тонких покрытий в системе «покрытие - подложка» [99-101,124125], исследуя раздельно свойства подложки и пакета «подложка-покрытие». Отмечается простота подхода и достоверность получаемых результатов.

В заключение главы отмечается эффективность экспериментально-теоретического метода при исследовании механических характеристик различных тонких пленок и композиций, имеющих неоднородную структуру и различные дефекты.

В четвертой главе описан экспериментально-теоретический метод определения механических характеристик сферических пленок и мембран со сложной структурой [14-17,79,80,96]. В введении главы отмечается, что плоские образцы не охватывают весь спектр возможных форм пленок и мембран, из функционального назначения целесообразно иногда изготавливать их неплоской формы. Это так называемые материал - конструкции или оболочечные пленки и мембраны [14,94,96], которые наряду с неплоской исходной геометрией, могут иметь различную сложную структуру. Отмечается, что сложная структура в виде различных механических дефектов типа трещин, царапин, отверстий, дефектов от воздействия облучения, излучения и др. могут возникнуть в процессе изготовления и эксплуатации пленок и мембран.

Отмечается невозможность исследования механических характеристик оболочечных пленок и мембран стандартным способом одноосного растяжения, а также трудность исследования сложных структур, включая образцы с дефектами или отверстиями, физическими методами, в частности методом индентора, предложенного Оливером-Фарром [116], модификация метода [70]. Излагается экспериментально-теоретический метод определения интегральных (приведенных) механических характеристик оболочечных пленок и мембран. Опираясь на экспериментальные данные и используя соотношения теории оболочек в упругой и пластической областях, определяются механические характеристики материала образца: модуль или условный модуль упругости, картина деформирования и т.д. При этом для образцов со сложной структурой, например, образцов с различными мелкими отверстиями, порами или дефектами, определяются приведенные механические характеристики. Приводится вывод соотношений для нелинейно упругих и пластических осесимметричных сферических мембран [14] в случае больших перемещений и деформаций. Физические соотношения для резиноподобных (нелинейно упругих) материалов берутся в виде, предложенном Каппусом [48], а физические соотношения для пластических материалов берутся, как и в работе [76,90], в виде, предложенным Ильюшиным A.A. [30]. Задача по аналогии, как и для плоской мембраны, решается в перемещениях методом Бубнова - Галеркина. Рассмотрены примеры определения модулей упругости сферических оболочек, изготовленных из пластика и резины.

В выводах отмечается эффективность экспериментально-теоретического метода определения интегральных механических характеристик оболочечных образцов. Сочетание экспериментального подхода с точными соотношениями нелинейной теории тонких оболочек позволяет получать достоверные результаты для сложных задач. Приводятся выводы по главе.

Научную новизну работы составляют следующие результаты:

1) Развитие экспериментально-теоретического метода исследования механических характеристик плоских и сферических пленок и мембран со сложной структурой и с дефектами.

2) Развитие экспериментально-теоретического подхода исследования механических характеристик покрытий, включая нанопокрытия в системе покрытие - подложка.

3) Результаты исследования различных полимерных пленок и мембран, а также покрытия в системе покрытие - полимерная пленка.

Практическая ценность работы.

1) Создана экспериментальная установка ДМ-1 для исследования механических характеристик плоских и сферических пленок и мембран со сложной структурой и с дефектами.

2) Отработан способ экспериментального исследования плоских и сферических пленок и мембран со сложной структурой и с дефектами.

3) Получены новые результаты, в частности, определены: изменения под воздействием солнечного излучения механических характеристик полимерных пленок с подложками белого и черного цвета с учетом снежного покрова над пленкой;

- механические характеристики плоских и сферических пленок и мембран с распределенными отверстиями;

- изменения в жидкой среде механических характеристик композиционных пленок с гигроскопическим слоем;

- механические характеристики поливинилхлоридных пленок с дисперсными наполнителями;

- механические характеристики нанопокрытия из оксида титана в системе «покрытие - полимерная пленка».

Внедрение.

1. Экспериментальная установка ДМ-1 внедрена в научно-исследовательскую практику в Учреждении Российской академии наук Институт механики и машиностроения КазНЦ РАН и используется при выполнении Программ фундаментальных исследований Президиума РАН и ОЭММПУ РАН, а также госбюджетной НИР (копия Акта приведена в приложении).

2. Результаты диссертационной работы включены в учебное пособие [96]) и используются при чтении курса лекции для магистров Казанского государственного архитектурно - строительного университета.

На защиту выносятся:

1. Экспериментальная установка ДМ-1 и методика определения механических характеристик плоских и сферических пленок и мембран со сложной структурой.

2. Расчетные зависимости для нелинейно упругих и пластических сферических мембран при больших перемещениях и деформациях.

3. Результаты исследования механических характеристик плоских и сферических пленок и мембран.

4. Методика определения механических характеристик покрытия, не выделяя отдельно покрытие от системы «покрытие-подложка».

5. Результаты исследования по определению (оценке) механических характеристик нанопокрытия из оксида титана в системе «покрытие -полимерная пленка».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации были представлены на Итоговых конференциях Института механики и машиностроения КазНЦ РАН, 2005-2011 гг.; на Республиканских научных конференциях, Казань, 2007-2011 г.г.; на 21 Международной конференции по теории оболочек и пластин, Саратов, 2005г.; на 8-10 Международных конференциях Пленки и покрытия, С.-Петербург 2007-2011 гг.; на 18 сессии Международной школы по моделям механики сплошной среды, Саратов,

2007 г.; на Всероссийской научно-практической конференции «Инженерные системы», Москва, 2008 г.; на Международных форумах по нанотехнологиям. Москва, 2008-20 Юг.г.; на Международных научно-практических конференциях «Инженерные системы», Москва, 2009-2011г.г.; на 14 Международной конференции «Современные проблемы механики сплошной среды», Ростов-на-Дону, Азов: 2010 г.; на конференции «Инновации РАН-2010», Казань: 2010 г.

В целом диссертация докладывалась на научном семинаре ИММ КазНЦ РАН, под руководством чл.-корр. РАН Губайдуллина Д.А., на кафедре «Строительная механика» Казанского государственного архитектурно -строительного университета (присутствовали: чл.-корр. АНТ, проф. Сулейманов A.M., проф. Куприянов В.Н., проф. Сучков В.Н. и сотрудники кафедры), на кафедре «Прочность материалов и конструкций» Российского университета дружбы народов (зав. кафедрой профессор С.Н. Кривошапко).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 18-ти научных работах, из которых 7 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ; в 3-х патентах на изобретения и в 1 учебном пособии. Перечень публикаций приведены в списке литературы, а также отдельно в конце автореферата.

Положения диссертации отмечены в Отчете о деятельности РАН за 2006 год [49] и награждены Медалями и Дипломами на Международных Салонах и Выставках: «Женева-2007» [113], «Лаборатория Экспо-2008», «Архимед-2011» (копии Дипломов и Медалей приведены в приложении).

Вклад соавторов в совместно выполненных работах:

Галимов Н.К. - научное руководство при выводе теоретических соотношений, обсуждение результатов; Куприянов В.Н., Нуруллин Р.Г., Нургалиев А.Р., Шафигуллин Р.И. - обсуждение результатов; Якупов Н.М. -консультация по постановке задач и обсуждение результатов.

Диссертант выражает благодарность научному руководителю, а также заведующему лабораторией и сотрудникам лаборатории нелинейной механики оболочек, за помощь и внимание при выполнении работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Развит экспериментально-теоретический метод исследования механических характеристик плоских и сферических пленок и мембран со сложной структурой и с дефектами: получены расчетные зависимости для нелинейно упругих и пластических сферических оболочек при больших перемещениях и деформациях; создана экспериментальная установка ДМ-1 и отработан способ определения механических характеристик; разработан алгоритм построения кривых деформирования и определения условных модулей упругости для случая изменения свойств материала в процессе эксперимента.

2. Исследованы полимерные пленки и мембраны с плоской исходной формой: установлено влияние дефектов, толщины пленки, цвета подложки под пленкой, толщины снежного покрова над пленкой, время воздействия солнечного облучения и температура окружающей среды на их механические характеристики; в частности, применение подложки белого цвета уменьшает деструкцию материала пленки; с увеличением времени облучения, а также с уменьшением толщины снежного покрова несущая способность пленки падает; пропитка полимерных пленок ПВХ ультрадисперсными частицами изменяет характеристики пленок; с увеличением числа распределенных отверстий изменение приведенных механических характеристик имеет нелинейный характер.

3. Исследованы мембраны со сферической исходной формой: определены механические характеристики сферической резиновой мембраны без отверстия и с отверстиями в нелинейно упругой области деформирования; установлено, что для резиноподобных материалов необходимо использовать соотношения для больших перемещений и деформаций; рассмотрена сферическая оболочка из пластика; установлено, что при деформациях до 0,01 наблюдается существенное падение условного модуля упругости, а при деформациях выше 0,01 падение не столь значительно.

4. Разработан способ определения (оценки) механических характеристик покрытия, не выделяя (не расчленяя) отдельно покрытие от системы «покрытие-подложка»; определены механические характеристики нанопокрытия из оксида титана в системе «покрытие - полимерная пленка».

5. Экспериментально-теоретический метод позволяет исследовать тонкие структуры, улавливать изменения механических характеристик пленочных структур при воздействии внешних полей и сред. Метод является инструментом при создании новых материал - конструкций, а также оценке состояния пленочных элементов конструкции в процессе эксплуатации.

6. Точность получаемых результатов зависит от точности измерений экспериментальных данных и точности используемых теоретических соотношений. При этом точность метода должна быть согласована с поставленными целями: необходимость качественной оценки влияния того или иного фактора на изменение тех или иных характеристик исследуемого объекта, либо необходимость количественной оценки, когда значения точности получаемых результатов значительно возрастает.

7. Используемые соотношения нелинейной теории оболочек при больших перемещениях и деформациях обеспечивают высокую точность получаемых результатов теоретического этапа. Принятая аппроксимация прогиба даже в первом приближении дает достоверные результаты, о чем свидетельствуют: хорошее согласование теоретических кривых по предложенному методу с известным в литературе экспериментальными кривыми для исходно плоской медной и стальной мембран (при относительном прогибе Н/а < 0,45 расхождение составляет менее 1,5%); хорошее согласование для резиновой сферической оболочки теоретических значений прогибов в точках, близких к максимальным прогибам, с экспериментальными замерами (максимальное расхождение составляет 1,8%). При этом для упругой исходно - плоской мембраны при увеличении порядка аппроксимации погрешность существенно падает с 3,1% (первое приближение), до 0,6% (второе приближение) и до 0,009% (третье приближение).

8. О точности измерений экспериментальных данных: замеры прогибов в начале производились с использованием индикаторов часового типа ИЧ - 50 с ценой деления 0.01 мм с пределом допускаемой погрешности ± 0,004 мм, а для измерения давления - манометр с ценой деления 0,005 МПа; впоследствии перешли к цифровым индикаторам ИЦ - 50 с точностью 0.001 мм (ГОСТ 577 -68) и цифровым манометрам ДМ - 5001 с погрешностью ± 1% (ТУ 4212 - 039 - 00225590 - 2003). При этом, используя аппарат статистической обработки, производится двухэтапная фильтрация экспериментальных данных, обеспечивая доверительный интервал с надежностью 95%.

9. Величина модуля упругости для сферической резиновой мембраны в зависимости от количества отверстий лежит в диапазоне 5,42 - 6,0 МПа (для бездефектной резины в зависимости от типа резины от 3 до 12 МПа), а для пластиковой оболочки находится в диапазоне 50 - 250 МПа в зависимости от степени деформации (соответствует пределам изменения условного модуля упругости для пластиков), т.е. полученные результаты согласуются с известными данными [73].

10. На разработку получены патенты на изобретения. Разработанный метод используется в научно-исследовательской практике в ИММ КазНЦ РАН при выполнении Программ фундаментальных исследований Президиума РАН и ОЭММПУ РАН.

1.Авдеев, В. В. и др. Обеспечение герметичности сальниковых узлов насосов с использованием уплотнительных материалов нового поколения / В.В. Авдеев и др. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2003. - №10. - С.37-38.

2. Алексеев, К.П. Структура определяющих соотношений для компонент пленочно-тканевого композита / К.П. Алексеев, Р.А. Каюмов, A.M. Сулейманов, И.З. Мухамедова // Математическое моделирование и краевые задачи: Тр. межвуз. конф. Самара, 2003. - С.68-72.

3. Алексеев, С.А. Основы общей теории мягких оболочек / С.А. Алексеев // Расчет пространственных конструкций. Вып.ХЬМ.: Стройиздат.- 1967.-С.31-52.

4. А.С. 1742671 СССР, М. Кл. G 01 N 3/12, опубл. 23.06.92 г.

5. А.С. 1458766 СССР по М. Кл. G 01 N 3/12, опубл. 15.02.89 г.

6. Андреева, Л.Е. Упругие элементы приборов. / Л.Е. Андреева // М.: Машгиз. -1962. 456 с.

7. Бидерман, В.Л. Механика тонкостенных конструкций. / В.Л. Бидерман // М.: Машиностроение. 1977. - 488 с.

8. Биргер, И.А. Круглые пластинки и оболочки вращения. / И.А. Биргер // М.: Оборонгиз. 1959. - 368 с.

9. Биргер, И.А. Расчет на прочность деталей машин. / И.А. Биргер // Справочник. М.: Машиностроение. 1979. - 702 с.

10. Галимов, К.З. Основы нелинейной теории тонких оболочек. / К.З. Галимов // Казань: Издательство казанского университета. 1975. - 328 с.

11. Галимов, К.З. К общей теории пластин и оболочек при конечных перемещениях и деформациях / К.З. Галимов // ПММ. 1951. Т. XV. Вып. 6. -С.723-742.

12. Галимов, Н.К. Об упругом равновесии защемленных круглых мембран под действием равномерного давления / Н.К. Галимов, Р.Г. Нуруллин, A.A. Леонтьев // Актуальные проблемы механики сплошной среды. ИММ КазНЦ РАН. Казань: Изд-во КГУ, 2004. С. 129-139.

13. Галимов, Н.К. Экспериментально-теоретический метод определения механических характеристик сферических пленок и мембран со сложной структурой/Н.К. Галимов, Н.М. Якупов, С.Н. Якупов//МТТ №3.- 2011.- С.58-66.

14. Галимов, Н.К. К определению модуля упругости сферических оболочек / Н.К. Галимов, С.Н. Якупов // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. №4. - 2009. - С. 13-18.

15. Галимов, Н.К. К определению модуля упругости тонкостенных сферических оболочек из пластичных материалов / Н.К. Галимов, С.Н. Якупов // Труды Междун. Науч.-практ. конф. «Инженерные системы-2009». М.:РУДН, -2009.T.II. С.362-366.

16. Гмурман, В.Е. Введение в теорию вероятностей и математическую статистику / В.Е. Гмурман // Изд-во «Высшая школа», Москва. 1966.

17. Голушко, С.К., Обзор и анализ подходов к проблеме рационального проектирования армированных оболочек / С.К. Голушко, Ю.В. Немировский // Препринт ВЦ СО АН СССР. Красноярск. 1988. - №16. - 31 с.

18. Гольдштейн, P.B. Масштабный эффект в механике нанообразований / Р.В. Гольдштейн, В.А. Городцов, Н.Ф. Морозов // Сборник тезисов докладов участников Второго Международ, форума по нанотехнологиям. М.: РОСНАНО.- 2009г.-С.111-113.

19. Гольдштейн, Р.В. Модель развития водородных трещин в металле / Р.В. Гольдштейн, В.М. Ентов, Б.Р. Павловский // Доклады АН СССР. 1977, т.237, -№4. - С.828-831.

20. Гурский, Д. MATHCAD для студентов и школьников. / Д. Гурский, Е. Турбина //С.-Пб.: ПИТЕР. 2005. - 395с.

21. Гусев, А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. / А.И. Гусев // М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 416 с.

22. Гуткин, М.Ю., Овидько И.А. Физическая механика деформируемых наноструктур. / М.Ю. Гуткин, И.А. Овидько // Том 1. Нанокристаллические материалы. Изд-во «Янус», СПб, 2003. - 194 с.

23. Демокрит в его фрагментах и свидетельствах древности / Под ред. и с комм. Г.К. Баммеля. М.: ОГИЗ, 1935. - 382 с.

24. Еремина, H.A. Упругопластическое деформирование многослойного композита / H.A. Еремина, A.A. Барях // Механика композиционных материалов. 1994. Т.30. - №6. - С.723-729.

25. Ильгамов, М.А. Статические задачи гидроупругости. / М.А. Ильгамов // Казань: ИММ КНЦ РАН. 1994. - 208 с.

26. О.Ильюшин, A.A. Пластичность. / A.A. Ильюшин // М. Гостехиздат, 1948. -376 с.

27. Карпов, М.И. Механические свойства наноструктурных сверхпроводниковых материалов / М.И. Карпов // Сборник тез. докладов участников Второго Международного форума по нанотехнологиям. М.: РОСНАНО. 2009. - С.116.

28. Коноплев, Ю.Г. Экспериментальное исследование устойчивости цилиндрической оболочки, ослабленной круговым отверстием / Ю.Г. Коноплев // Исследования по теории пластин и оболочек. Изд-во КГУ. №5. - 1968. -С.500-503.

29. Коноблевский, С.Т. Действие облучения на материалы. / С.Т. Коноблевский // М.: Атомиздат, 1967. - 401 с.

30. Куприянов, В.Н. Долговечность тентовых материалов: диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. / В.Н. Куприянов // Казань, 1986. - 440 с.

31. Куприянов, В.Н. Пленочно-тканевые материалы для строительных конструкций. / В.Н. Куприянов // Казань: КИСИ, 1989. - 94 с.

32. Локощенко, A.M. Методы моделирования влияния окружающей среды на ползучесть и длительную прочность металлов / A.M. Локощенко // Успехи механики. №4, - 2002. - С.90-120.

33. Луковский, И.А. Взаимодействие упругих тонкостенных элементов с жидкостью в подвижных полостях. / И.А. Луковский, В.А. Троценко, В.И. Усюкин // Киев: Наукова думка, 1989. - 240 с.

34. Лурье, С.А. К теории тонких пленок / С.А. Лурье, Ю.Г. Янковский, В.А. Бабешко, И.Ф. Образцов // Механика композиционных материалов и конструкций, т.5, №2, - 1999.

35. Муштари, Х.М. Нелинейная теория упругих оболочек. / Х.М. Муштари, К.З. Галимов // Казань: Таткнигоиздат. 1957. - 431 с.

36. Нанотехология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований / Под ред. М.К.Рока и др. Пер. с англ. А.В.Хачояна под ред. Р.А.Андриевского, М.: Мир, 2002. - 292с.

37. Низамов, Х.Н. Прогнозирование и предупреждение коррозионного разрушения конструкций. / Х.Н. Низамов, С.Н. Сидоренко, Н.М. Якупов // М.: Изд-во РУДН, 2006. - 355 с.

38. Пленки и покрытия 2005: Труды 7-й Международной конференции. СПб: Изд-во Политехнического ун-та, - 2005. - С. 282.

39. Пленки и покрытия 2007: Труды 8-й Международной конференции. СПб: Изд-во Политехнического ун-та, - 2007. - 305 с.

40. Пленки и покрытия 2009: Труды 9-й Международной конференции. 26-29 мая 2009 г. СПб: Изд-во Политехнического ун-та, - 2009. - 346 с.

41. ГОСТ 14236-81. Пленки полимерные. Метод испытания на растяжение.

42. Пономарев, С.Д. Расчеты на прочность в машиностроении. / С.Д. Пономарев и др.// Т.2. М.: Машгиз, 1958. - 974 с.

43. Прикладная механика композитов. Сб.статей. Пер. с англ. М.:Мир, 1989. -358с.

44. Пул, Ч. Нанотехнологии. / Ч. Пул, Ф. Оуэне // М.: ТЕХНОСФЕРА, 2004. -328с.

45. Саченков, A.B. Теоретико-экспериментальный метод исследования устойчивости пластин и оболочек / A.B. Саченков // Исследования по теории пластин и оболочек. Изд-во КГУ. №7. 1970. - С.391-433.

46. Сборник тезисов докладов участников научно-технических секций Международного форума по нанотехнологиям. Т.2. М.: РОСНАНО, 2008. -536 с.

47. Сборник тезисов докладов участников научно-технических секций Международного форума по нанотехнологиям.Т.1.М.:РОСНАНО, 2008. -848 с.

48. Сборник тезисов докладов участников Второго Международного форума по нанотехнологиям. М.: РОСНАНО, 2009. - 728 с.

49. Сборник тезисов докладов участников Второго Международного конкурса научных работ молодых ученых в области нанотехнологий. М.: РОСНАНО, -2009. 989 с.

50. Сидоренко, С.Н. Коррозия союзник аварий и катастроф: монография. / С.Н. Сидоренко, Н.М. Якупов // М.: Изд-во РУДН, - 2002. - 93 с.

51. Сидоров, JI.H. Фуллерены. / JI.H. Сидоров, М.А. Юровская, А.Я. Борщевский, И.В. Трушков, И.Н. Иоффе // М.: изд-во ЭКЗАМЕН, 2004. - 688с.

52. Тимошенко, С.П. Пластинки и оболочки. / С.П. Тимошенко, С. Войновский-Кригер // М.: Физматгиз, 1963. - 636 с.

53. Устинов, К.Б. Континуальное и дискретно-континуальное моделирование слоистых наноматериалов и систем с покрытиями / К.Б. Устинов, A.B. Ченцов // Сб. тез. докл. участ. Второго Междун. форума по нанотехнологиям. М.: РОСНАНО, 2009. - С.208-209.

54. Шугуров, А.Р. Особенности определения механических характеристик тонких пленок методом наноиндентирования / А.Р. Шугуров, A.B. Панин, К.В. Оскомов // Физика твердого тела. 2008. Т.50, вып.6. С.1007-1012.

55. Феодосьев, В.И. Упругие элементы точного приборостроения. / В.И. Феодосьев // М.: Государственное издательство оборонной промышленности, -1949. 343 с.

56. Чернина, B.C. Статика тонкостенных оболочек вращения. / B.C. Чернина // Гл. ред. физ.-мат. Литературы, М., Наука, 1968. - 456 с.73 .Энциклопедия полимеров. Том 3. Изд-во «Советская энциклопедия». М. -1972.-С. 310-333.

57. Якупов, Н.М. Строительные конструкции: этапы и перспективы развития. / Н.М. Якупов //Учебное пособие. Казань, КГАСУ, ИММ КазНЦ РАН, 2006. -154 с.

58. Якупов, Н.М. Об одной методике экспериментально теоретического исследования прочности полимерных пленок. / Н.М. Якупов, Н.К. Галимов, Ш.К. Галимов // Актуальные проблемы механики сплошной среды. Казань: ИММ КазНЦ РАН, 2001. - С. 456-461.

59. Якупов, Н.М. Экспериментально-теоретический метод исследования прочности полимерных пленок / Н.М. Якупов, Н.К. Галимов, A.A. Леонтьев // Механика композиционных материалов и конструкций. 2000. Т.6, - №2. -С.23 8-243.

60. Якупов, Н.М. Экспериментально-теоретический метод исследования полимерных пленок / Н.М. Якупов, Н.К. Галимов, A.A. Леонтьев, А.Р. Нургалиев // Актуальные проблемы механики сплошной среды. Казань: ИММ КазНЦ РАН, 2001. - С.137-146.

61. Якупов, Н.М. Прочность тонких пленок с дефектами / Н.М. Якупов, Н.К. Галимов, А.Р. Нургалиев, Э.Н. Салихов // Проблемы прочности и пластичности. Межвуз. сборник. Изд. Нижегородского ун-та. Н.Новгород, 2002. - С.131-134.

62. Якупов, Н.М. От каменных глыб к тонкостенным конструкциям. / Н.М. Якупов, Ш.К. Галимов, Н.И. Хисматуллин // Казань: Изд-во SOS, 2001. - 96 с.

63. Якупов, Н.М. Состояние конструкций градирен и предотвращение их разрушения / Н.М. Якупов, Ш.Ш. Галявиев, А.Р. Нургалиев, С.Н. Якупов // Проблемы энергетики. 2006, - № 7-8. - С.36-42.

64. Якупов, Н.М., Куприянов В.Н., Нуруллин Р.Г., Якупов С.Н. Способ определения прочностных свойств тончайших пленок и нанопленок и устройство для его осуществления: Патент РФ на изобретение №2387973 .

65. Якупов, Н. М. К исследованию механических характеристик пленок и пленочных структур / Н. М. Якупов, В.Н. Куприянов, С.Н. Якупов // Известия КГ АСУ. №1 (9) / 2008. - С.106-112.

66. Якупов, Н.М. Методика испытания пленок и мембран в условиях равномерного распределенного поверхностного давления / Н.М. Якупов, А.Р. Нургалиев, С.Н. Якупов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов.2008. Т.74. - №11. - С.54-56.

67. Якупов, Н.М. Приведенные механические характеристики элементов конструкций со сложной структурой / Н.М. Якупов, А.Р. Нургалиев, С.Н. Якупов // Труды Международной научно-практической конференции «Инженерные системы -2010», М.: РУДН, 2010. - С.156-159.

68. Якупов, Н.М., Нуруллин Р.Г., Галимов Н.К., Галявиев Ш.Ш. Способ определения прочностных свойств пленочных материалов: Патент на изобретение РФ № 2184361.

69. Якупов, Н.М., Нуруллин Р.Г., Нургалиев А.Р., Якупов С.Н. Способ испытаний образцов металлических мембран под напряжением и устройство для его осуществления: Патент РФ на изобретение № 2296976.

70. Якупов, Н.М. Пленки неоднородной структуры / Н.М. Якупов, С.Н. Якупов // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. №1.2009. С.60-70.

71. Якупов, Н.М. Определение механических характеристик пленок с порами, нановключениями и нанопокрытиями / Н.М. Якупов, С.Н. Якупов // Сборник тез. докл. участ. Второго Межд. форума по нанотехнологиям. М.: РОСНАНО, -2009. С.427-429.

72. Якупов, Н.М. Методы расчета пленочных элементов конструкций. / Н.М. Якупов, С.Н. Якупов // Учебное пособие. Казань, КГАСУ, 2007. - 117 с.

73. Якупов, С.Н. К определению механических характеристик нанопокрытий / С.Н.Якупов // Инновации РАН 2010: материалы ежегодной научно-практической конференции. Казань: Изд-во «Слово», - 2010. - С.352-355.

74. Якупов, С.Н. Механические характеристики тонких покрытий из оксида титана в системе «покрытие полимерная пленка / С.Н. Якупов // Механика композиционных материалов и конструкций, - 2010. - Т.16, - N3. - С.436-444.

75. Яновский, Ю.Г. Квантово-механические исследования механизма деформации углеродных нанотрубок / Ю.Г. Яновский, Е.А. Никитина, С.М. Никитин, Ю.Н. Карнет // Механика композиционных материалов и конструкций. 2009. - Т.15. - №3. - С.345-368.

76. Abstracts. The second International Competition of Scientific Papers in Nanotechnology for Young Researchers. M.: Rusnanotech, 2009. - 880 p.

77. Abstracts. The second Nanotechnology International Forum. M.: Rusnanotech, -2009. 600 p.107. ASTMD 412-41.

78. Gao, H., Huang Y., Nix W.D. //Naturwissenshaflen. 1999. V.86. P.507.

79. Jakupov, Nuch et alea RUSSIE Determination des caractéristiques mécaniques des membranes et des films défectueux et leur utilisation // 35 SALON INTERNATIONAL DES INVENTIONS, DES TECHNIQUES ET PRODUITS NOUVEAUX DE GENEVE, - 2007. - P. 99, 101.

80. Kosvintsev, S. Modelling of dead-end microfiltration with pore blocking and cake formation./ S. Kosvintsev, R.G. Holdich, I.W. Cumming, V.M. Starov // J. Membrane Science. 2002. - V. 208, - p. 181-192.

81. The second International Competition of Scientific Papers in Nanotechnology for Young Researchers. Abstracts. M.: Rusnanotech, 2009. - 880 p.123 .The second Nanotechnology International Forum. Abstracts. M.: Rusnanotech, -2009. 596 p.

82. Yakupov, N.M. Definition of mechanical characteristics of films with the pores, nanoinclusions and nanocoatings / N.M. Yakupov, S.N. Yakupov // Abstracts. The second Nanotechnology International Forum. M.: Rusnanotech, 2009. - P.344-346.