автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка полимерного композиционного материала с повышенной трещиностойкостью

Введение.

1. Анализ состава и свойств полимерных композиционных материалов.

1.1. Общие представления о композиционных материалах и их разновидности.

1.2. Полимерные композиционные материалы.■.

1.3. Основные виды связующих для изготовления ПКМ.

1.4. Основные типы конструкционных ПКМ и их свойства.

1.5. Выбор полимерного композиционного материала.

2. Разработка углепластика на основе эпоксидного связующего с повышенными эксплуатационными свойствами .$.

2.1. Критерии роста трещин и параметры трещиностойкости материалов.

2.2. Исследование влияния модифицирования каучуком на свойства эпоксидного углепластика.

2.2.1. Влияние модифицирования каучуком на свойства свМующего.

2.2.2. Методики проведения испытаний на трещиностойкость.

2.3. Экспериментальное определение физико-механических свойств материала в зависимости от степени модификации каучуком.

2.3.1. Определение межслоевой вязкости разрушения О^.

2.3.2. Определение межслоевой вязкости разрушения Оцс.

2.3.3. Определение прочности углепластика при изгибе ав.и и модуля упругости Е.

2.3.4. Определение прочности при растяжении <тв.

2.3.5. Определение сдвиговой прочности т.

3. Разработка технологии изготовления упругих элементов динамического протеза голени из ПКМ на основе углеродного наполнителя.

3.1. Выбор технологии изготовления упругих элементов динамического протеза голени.

3.2. Прочностной расчет упругих элементов динамического протеза голени.'.

3.2.1. Проектировочный расчет упругих элементов на изгиб.

3.2.2. Расчет области упругого элемента, ослабленной отверстием.

3.2.3. Проверочный расчет на касательные напряжения.

3.2.4. Результаты расчета.

3.3. Изготовление действующего образца динамического протеза голени. 109 4. Определение параметров ходьбы на динамическом протезе голени.

4.1. Элементы кинематики и динамики ходьбы человека.

4.2. Методика проведения биомеханических испытаний.

4.3. Анализ результатов испытаний.

Выводы.

В настоящее время в самых различных отраслях промышленности, таких как авиационная и ракетно-космическая, автомобилестроение, химическое машиностроение, металлургия и многие другие широко используются полимерные композиционные материалы (ПКМ), в частности, углепластики.Также в последнее время ПКМ находят применение и при изготовлении изделий медицинского назначения, в частности, в протезировании. Пластики на основе полимерных связующих характеризуются большой степенью реализации свойств волокон, и, соответственно, высокими прочностью при растяжении, сжатии, изгибе, усталостной прочностью и модулем упругости. В частности, углепластики имеют модули упругости, близкие к сталям и превосходящие их, а по удельной жесткости и прочности могут в несколько раз превосходить промышленные металлы. Во многих случаях, когда от изделия требуется высокая несущая способность при минимальном весе, высокопрочные и высокомодульные пластики оказываются эффективнее металлов.

В то же время, одним из заметных недостатков ПКМ (в частности, наиболее распространенных - на основе эпоксидных матриц) является невысокая трещи-ностойкость, обусловленная небольшой долей пластической деформации, что приводит к снижению эксплуатационных характеристик изделий из полимерных материалов.

Одним из способов повышения пластичности матрицы может являться ее модифицирование каучуками, которые способны в определенных количествах вступать в химическое взаимодействие с полимерами и эластифицировать их жесткую сетку. В то же время, известно, что введение каучуков снижает прочностные свойства материалов. Таким образом, весьма важной является задача повышения трещиностойкости ПКМ при минимально возможном уменьшении упруго-прочностных характеристик материала. 5

Таким образом, целью настоящего исследования является разработка полимерного композиционного материала (углепластика на эпоксидном связующем) с повышенной трещиностойкостью.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние модификации каучуком на пластичность выбранного связующего.

2. Исследовать изменение основных физико - механических свойств полимерного композиционного материала при его модифицировании каучуком.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработан ПКМ на основе углеродного армирующего элемента и эпоксидного связующего с повышенной на 25-30% трещиностойкостью при сравнительно небольшом уменьшении большинства прочностных свойств материала;

- исследовано влияние модифицирования каучуком СКН-30-КТР на физико-механические свойства связующего ЭДТ-10п и углепластика в целом. Установлено, что модифицирование каучуком связующего в пределах 5-15% приводит к значительному повышению трещиностойкости (12-35%). Рекомендовано оптимальное содержание модификатора - 5-10%.

Практическая ценность работы.

Разработанный материал может быть рекомендован для изготовления большой номенклатуры изделий (приведенных ранее) авиационно-космической техники, а также упругих элементов динамического протеза голени.

Разработана и опробована на практике технология изготовления упругих элементов динамического протеза голени, заключающаяся в прессовании предварительно пропитанной эпоксидным связующим углеродной ленты в специальных пресс-формах при отверждении по выбранному режиму.

Установлено, что применение упругих элементов из углепластика обеспечивает снижение энергозатрат инвалида при ходьбе на 40% по сравнению с протезом традиционной конструкции. 6

132 Выводы

1. Базовым для разработки ПКМ с повышенной трещиностойкостъю выбран материал с армирующим элементом на основе углеродных волокон (однонаправленной лентой ЭЛУР-П) и эпоксидным связующим ЭДТ-Юп.

2. Исследовано влияние модифицирования каучуком СКН-30-КТР (в интервале концентраций 0-15% каучука) связующего ЭДТ-10п на его свойства. Показано, что модуль упругости связующего уменьшается по сравнению с исходным при введении 5% каучука на 14%, при 10% каучука - на 30%, а при введении 15% каучука - на 34% соответственно. Относительная деформация связующего (при введении 5, 10 и 15% каучука) увеличивается на 22, 31 и 35% соответственно.

3. Исследовано влияние модифицирования связующего ЭДТ-10п каучуком СКН-30-КТР на физико-механические свойства углепластика (параметры тре-щиностойкости Спс и Оцс, прочность на растяжение, изгиб и сдвиг, модуль упругости). В результате проведенных исследований установлено:

- значения параметра трещиностойкости полученные методом площадей, при введении 5, 10 и 15% каучука возрастают на 12%, 27% и 35% по сравнению с исходными, а значения Оцс (при растяжении образца с центральным отверстием) - на 6%, 8% и 10% соответственно, что объясняется взаимодействием растущих трещин с гетерофазными каучуковыми включениями в связующем;

- модифицирование каучуком практически не влияет на модуль упругости Е углепластика;

- изгибная прочность ав.и углепластика при невысоких концентрациях каучука (5-10%) уменьшается незначительно - на 2 и 7% соответственно; при 15%-ом содержании каучука падение более существенно и составляет 15% от исходной величины;

- прочность при растяжении св углепластика (полученная методом одноосного растяжения), модифицированного каучуком, также незначительно уменыпа

133 ется при 5- и 10%-ой его концентрации в связующем (на 3 и 6% соответственно); при введении 15% каучука происходит заметное падение сгв - на 17%.

- прочность при межслоевом сдвиге х углепластика, модифицированного каучуком в пределах 5-10%, уменьшается примерно на 20-30%;

Анализ результатов исследования влияния модифицирования каучуком на физико-механические свойства углепластика показал, что для улучшения эксплуатационных характеристик различных изделий из углепластиков целесообразно модифицировать связующее ЭДТ-10п каучуком СКН-30-КТР в интервале концентраций от 5 до 10%. Модифицирование связующего каучуком в таких пределах заметно повышает трещиностойкость углепластика при сравнительно небольшом уменьшении большинства прочностных свойств материала.

4. Разработана и опробована на практике технология изготовления упругих элементов динамического протеза голени, заключающаяся в прессовании предварительно пропитанной эпоксидным связующим углеродной ленты в специальных пресс-формах при отверждении по выбранному режиму.

5. Проведено исследование основных параметров ходьбы с использованием комплексной методики испытаний, включающей измерение временных, динамических, кинематических и энергетических характеристик ходьбы на динамическом протезе голени с упругими элементами, изготовленными из ПКМ на основе углеродного наполнителя. Выявлено значительное снижение энергозатрат при ходьбе инвалида на динамическом протезе голени - более чем на 40% по сравнению с традиционным протезом.

134

1. Технология протезно-ортопедических изделий / Под ред. А.П. Кужекина. М.: Легпромбытиздат, 1985. 312 с.

2. Рощин Г.И., Банкин В.А., Якобсон Я.С. Конструкции протезно-ортопедических изделий. М.: ЦНИИПП, 1961. 639 с.

3. Руководство по протезированию / Под ред. Н.И. Кондрашина. М.: Медицина, 1976. 431 с.

4. Отчет по НИР "Разработка элементов модульной системы протезов нижних конечностей, обеспечивающих повышенную устойчивость при ходьбе". М.: ЦНИИПП, 1995. 48 с.

5. Композиционные материалы / Под ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнополь-ского. М.: Машиностроение, 1990. 512 с.

6. Армированные пластики / Под ред. Г.С. Головкина, В.И. Семенова. М.: Изд-во МАИ, 1997. 404 с.

7. Берлин A.A., Пахомова Л.К. Высокомолекулярные соединения, т. (А) 32,1990, №7, с. 1347-1382.

8. Карпинос Д.М., Тучинский Л.И., Вишняков Л.Р. Новые композиционные материалы. Киев, Вища школа, 1977. 312 с.

9. Лаппо В.Г., Ланина С.Я., Тимохина В.И. Токсиколого-гигиенический контроль полимеров и изделий медицинского назначения. ЖВХО, 1985, т. 30, с. 461-464.

10. В.Г. Лаппо и др. В сб.: Методологические и методические вопросы гигиены и токсикологии полимерных материалов и изделий медицинского назначения. Научный обзор. М.: ВНИИМТИ, 1982, с. 25.

11. Шефтель В.О. Вредные вещества в пластмассах: Справ, изд. М.: Химия,1991. 544 с.

12. Шефтель В.О., Катаева С.Е. Миграция вредных химических веществ из полимерных материалов. М.: Химия, 1978. 168 с.135

13. Севастьянов В.И. Биосовместимые материалы медицинского назначения.- Перспективные материалы, 1995, №5, с.41 55.

14. Севастьянов В.И. Новое поколение материалов медицинского назначения.- Перспективные материалы, 1997, №4, с. 56 60.

15. Махортов Н.С. Использование полимерных материалов и химических веществ предприятиями химической промышленности РСФСР. В кн.: Обзорная информация, вып. 3, серия "Протезирование и протезостроение". - М.: ЦБЕГГИ Минсобеса РСФСР, 1986. 11 с.

16. Композиционные материалы. Т. 7, ч. 1. М., 1976.

17. Ильченко A.A. Эпоксидные связующие для композиционных материалов // Авиационные материалы на рубеже XX-XXI веков. М., ВИАМ, 1994.

18. Аврасин Я.Д., Алексеева В.А. Высокопрочный стеклотекстолит ВПС-20 // Авиационные материалы (стеклопластики). М., ВИАМ,

19. Тюкаев В.Н. Стеклопластики // Армированные пластики. М., МАИ, 1997. с. 194-201.

20. Кацнельсон М.Ю., Балаев Г.А. Полимерные материалы. Свойства и применение. Л., Химия, 1982. с. 290-291.

21. Кравченко Л.И., Ковалева Н.Ю. Трудносгорающий текстолит ВПС-21 холодного отверждения // Авиационные материалы (стеклопластики). М., ВИАМ,

22. Румянцев А.Ф. Углепластики // Армированные пластики. М., МАИ, 1997. с. 254.

23. Гуняев Г.М. Структура и свойства полимерных волокнистых композитов. М., 1981.

24. Коврига В.В., Рачинская Л.М., Сутырина Г.А. Наполненные полимеры. Свойства и применение // ЖВХО, 1989, т. 34, №5, с. 501-506.

25. Головкин Г.С. Армирование термостойких термопластов // Теплостойкие полимерные материалы и особенности производства изделий на их основе. М.: МДНТП, 1991, с. 52-57.136

26. Авиационные материалы: композиционные материалы (органопластики). М., ВИАМ, 1984. с. 46-47

27. Амелина М.А., Топунова Т.Э., Стасюк Г.Т., Машинская Г .П., Друян И.С., Чубарова Г.В. Органопластики электро- и радиотехнического назначения // Авиационные, материалы: композиционные материалы (органопластики). М., ВИАМ, 1984. с.76-77

28. Машинская Г.П. Органопластики // Армированные пластики. М., МАЙ, 1997. с. 274.

29. Куриленко А.И., Ширяева Г.В. Адгезия термопластичных и термореактивных полимеров к синтетическим высокоориентированным волокнам // Докл. АН СССР, 1965,165, №2, с. 383-386.

30. Авиационные материалы: композиционные материалы (органопластики). М, ВИАМ, 1984. с. 54-55.

31. Буянов Г.И., Финогенов Г.Н., Ханин А.Г. Ресурсные характеристики механических свойств полимерных композитных материалов // Авиационные материалы на рубеже XX-XXI веков. М., ВИАМ, 1994.

32. Эндопротезы. ЖВХО, 1985, т. 30

33. ГОСТ 28-6-88. Лента углеродная конструкционная.

34. Бабаевский П.Г., Кулик С.Г. Трещиностойкость отвержденных полимерных композиций. М.: Химия, 1991. 336 с.

35. Филлипс Д., Харрис Б. //Промышленные полимерные композиционные материалы. /Под ред. М. Ричардсона. Пер. с англ. под ред. П.Г. Бабаевского. -М.: Химия, 1980. 472 с.

36. Кауш Г. Разрушение полимеров. /Пер. с англ. под ред. С.Б. Ратнера. М.: Мир, 1981. 440 с.

37. Тамуж В.П., Куксенко B.C. Микромеханика разрушения полимерных материалов. Рига: Зинатне, 1976. 294 с.137

38. Броек Д. Основы механики разрушения. /Пер. с англ. под ред. Г.П. Зайцева. М.: Высшая школа, 1980. 368 с.

39. Нотт Дж.Ф. Основы механики разрушения. /Пер. с англ. под ред. В.Г. Кудряшова. М.: Металлургия, 1978. 256 с.

40. Партон В.З., Морозов Е.М. Механика упругопластичного разрушения. М.: Наука, 1985. 504 с.

41. Миллер К. Ползучесть и разрушение. /Пер. с англ. М.: Металлургия, 1986, с. 7.

42. Sih G.C. //Mechanics of fracture. V. 6. Cracks in composite materials. /Ed. G.C. Sih. The Hague etc.: Martinus NijhofF Publishers, 1981. P. XV.

43. Sih G.C. //Mechanics of fracture. V. 1. Methods of analysis and solutions of crack problems. /Ed. G.C. Sih. Leyden.: Noordhoff International Publishing, 1973. P. XXI.

44. Sih G.C. //Mechanics of fracture. V. 2. Three-dimensional crack problems. /Ed. G.C. Sih. Leyden.: Noordhoff International Publishing, 1975. P. XV.

45. Черепанов Г.П. //ПММ, 1967. T. 31, вып. 3, с. 476.

46. Райе Дж. //Труды АОИМ. Сер. Е. Прикладная механика, 1968. Т. 35, с. 340.

47. Панасюк В.В. Предельное равновесие хрупких тел с трещинами. Киев: Наукова думка, 1968. 246 с.

48. Сиратори М., Миеси Т., Мацусита X. Вычислительная механика разрушения. /Пер. с японск. под ред. Е.М. Морозова. М.: Мир, 1986. 334 с.

49. Панасюк В.В. //Физ.- хим. механика материалов. 1986. Т. 22, №1, с. 7.

50. Многокомпонентные полимерные системы / Под ред. Р.Ф. Голда. М.: Химия, 1974, с. 141,259.

51. Бакнелл Х.Б. Ударопрочные пластики. JL: Химия, 1981, с. 37, 80,172.

52. Полимерные смеси / Под ред. Д. Пола, С.М. Ньюмена. М.: Мир, 1981, т. 2, с. 70.138

53. Волков В.П., Алексанян Г.Г., Берлин А.А., Розенберг Б.А. Особенности квазихрупкого разрушения густосетчатых эпоксидных полимеров, модифицированных каучуками // Высокомолекулярные соединения, т. (А) 27, 1985, №4, с. 756-762.

54. Зеленский Э.С., Куперман А.М., Лебедева О.В. Межотраслевой НТ сборник "Технология". Серия: конструкции из композиционных материалов. М.: 1991, №1, с. 10-21.

55. Bazhenov S. Interlaminar and intralaminar fracture modes in 0/90 cross-ply glass-epoxy laminate. Composites, 1995, 26, p. 125-133.

56. Wu E.M. Strength and fracture of fiber-reinforced composites. Fracture and Fatigue, ed. L.J. Broutman. Academic press, New York, 1974, p. 254.

57. Lotter R.E., Santare M.H. Analysis of mode I and mode П interlaminar fracture specimens by a comparative finite element method. Composites Science and Technology., -1991, 40, p. 87-107.

58. Bazhenov S. Longitudinal splitting in unidirectional fibre-reinforced composites with an open hole. Composites Science and Technology, 1998, 58, p. 83-89.

59. Kies J.A. Naval Research Laboratory, Washington, DC. Report No. 5736, 1962.

60. Corten H.T. Fracture mechanics of composites. Fracture, vol. 7, ed. H. Liebo-witz. Academic press, New York, 1972, p. 675-769.139

61. Тарнопольский Ю.М., Кинцис Т.Я. Методы статических испытаний армированных пластиков. М.: Химия, 1975. 264 с.

62. Карпинос Д.М. Композиционные материалы в технике. Киев, Технша, 1985.152 с.

63. Карпинос Д.М., Олейник В.И. Полимеры и композиционные материалы на их основе в технике. Киев, Наукова думка, 1981.180 с.

64. Гриценко Г.П., Витензон A.C., Славуцкий Я.JL, Сутченков И.А. Биомеханический комплекс для оценки ходьбы в норме и при нарушениях опорно двигательного аппарата.

65. Белецкий В.В. Двуногая ходьба. М., Наука, 1984.

66. Гриценко Г.П. Методы исследования энерготрат при ходьбе человека в норме и на протезе бедра. Автореф. канд. дис. М., 1975.