автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Управление механическими свойствами стеклопластиков за счет предварительного электрофизического воздействия на полимерное связующее

Никишечкин Вячеслав Леонидович

УПРАВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ СТЕКЛОПЛАСТИКОВ ЗА СЧЕТ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОЛИМЕРНОЕ СВЯЗУЮЩЕЕ

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-I 2 АПР 2012

Комсомольск-на-Амуре - 2012

005019858

005019858

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тихоокеанский государственный университет» (г. Хабаровск)

Научный руководитель-

доктор технических наук, профессор Еренков Олег Юрьевич

Научный консультант -

доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ Ри Хосен

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Охлопкова Айталина Алексеевна (г. Якутск)

кандидат технических наук, доцент Башков Олег Викторович (г. Комсомольск-на-Амуре)

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Дальневосточный

государственный университет путей сообщения» (г. Хабаровск)

Защита состоится «11» мая 2012 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.092.01 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «КнАГТУ») по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27. Факс: 8(4217)53-61-50; e-mail: mdsov@knastu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.

Автореферат разослан «10» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент — Пронин А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Благодаря особым свойствам, присущим только пластическим массам, применение их в машиностроении открывает широкие конструктивно-технологические возможности для создания машин и аппаратов., на более высоком техническом уровне. Многие пластмассы, являясь самостоятельными конструкционными материалами, с большим успехом вытесняют как цветные, так и черные металлы и сплавы.

При этом особого внимания заслуживают стеклопластики, которые представляют собой термореактивную пластмассу, состоящую из синтетической смолы со стекловолокнистым наполнителем. Высокая удельная прочность в сочетании с хорошей химической стойкостью по отношению ко многим агрессивным средам открывает возможности использования стеклопластиков в различных отраслях промышленности и, в частности, в центробежных компрессорных машинах, обслуживающих различные химические производства.

Несмотря на многообразие способов получения деталей и изделий из стеклопластиков, применение их в качестве конструкционного материала часто ограничивается достигнутым уровнем их прочностных свойств, которые, в свою очередь, лимитируются несовершенством технологического процесса и нестабильностью свойств полимерных связующих. Очень часто имеют место механические повреждения деталей наиболее нагруженных узлов энергетических машин таких, как рабочие лопатки, диски и т.д.

Таким образом, задача повышения прочностных свойств стеклопластиков, в том числе за счет применения новых технологических решений, является актуальной.

Цель работы- -; исследование и установление связей между прочностными свойствами полимерного связующего и параметрами его предварительной - электрофизической обработки для повышения механических характеристик стеклопластика.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи исследований:

1. Выполнить анализ современных методов модификации полимерного связующего, предназначенных для повышения прочностных свойств изделий из стеклопластика.

2. Обосновать выбор методов исследования и провести экспериментальные исследования для установления взаимосвязи между параметрами предварительных электрофизических воздействий на полимерное связующее и механическими свойствами стеклопластика: пределом прочности при сжатии, пределом прочности при растяжении,

пределом прочности при статическом изгибе, твердостью, ударной вязкостью.

3. Разработать новый способ формования стеклопластиков с применением предварительного электровоздействия наносекундными электромагнитными импульсами и электрическим магнитным полем на полимерное связующее с целью повышения прочностных свойств стеклопластиков.

4. Разработать механическую модель и методику расчета напряженного состояния деталей, выполненных из стеклопластика, во время эксплуатации.

Научная новизна работы заключается в следующем:

¡.Впервые экспериментально установлены и научно обоснованы закономерности изменения физико-механических характеристик полимерного (эпоксидного) связующего от вида и параметров предварительных электрофизических воздействий; механические свойства (пределы прочности при сжатии асж, растяжении а„, статическом изгибе а„зг, твердость НВ и ударная вязкость ан) отвержденных образцов полимерного связующего после обработки НЭМИ незначительно повышаются, а после обработки ЭМП остаются без изменения или несколько снижаются; более характерное повышение механических свойств наблюдается при совместном воздействии НЭМИ и ЭМП, что обусловлено изменением надмолекулярной структуры полимерного связующего от сферолитной в фибриллярную:

- осж резко возрастает от 134 МПа до 142-143 МПа при 30 минутной обработке (асж = - 0,022т2 + 1,610т + 134), т.е. повышается предел прочности при сжатии на 11,2%;

- ав увеличивается от 30 МПа до 38-39 МПа при 25-30 минутной обработке (ств = 0,049т2- 0,371т + 30), т.е. повышается на 30%;

- оизг возрастает от 132 МПа до 192-195 МПа при 25-30 минутной обработке (аизг = 2,229т + 132), т.е. повышается на 47%;

- а„ возрастает от 9,9 кДж/м2 до 13,5 кДж/м2 при 25-30 минутной обработке (а„ = 0,089т + 9,8), т.е. ударная вязкость повышается на 37,8%;

- НВ увеличивается от 245,4НВ до 262-279 НВ при 20-30 минутной обработке (НВ = 0,02т3 - 0,274 т2+ 245,4), т.е. твердость возрастает на 11%.

2. Установлены взаимосвязи между видом и параметрами предварительных электрофизических воздействий на полимерное связующее и комплексом прочностных свойств стеклопластика: механические свойства стеклопластика при предварительных электрофизических воздействиях НЭМИ или ЭМП незначительно повышаются по мере увеличения продолжительности обработки 25-30 минут; существенное повышение прочностных свойств наблюдается при совместном воздействии НЭМИ и ЭМП:

- асж повышается от 300 МПа до 415-419 МПа (асж = 3,874т + 305), т.е. предел прочности при сжатии возрастает на 38-40%;

- ст„ увеличивается от 406 МПа до 510 МПа (с„ = 3,916т + 406), т.е. предел прочности при растяжении возрастает на 25,6%;

- стизг возрастает от 650 МПа до 718-719 МПа (оизг = 4,519т + 650), т.е. предел прочности при статическом изгибе возрастает на 10,6%;

- а„ увеличивается от 260 кДж/м2 до 327-328 кДж/м2 (ан = 4,861т + 260), т.е. ударная вязкость возрастает на 26%;

- НВ возрастает от 300НВ до 345-349НВ (НВ = 1,611т + 300), т.е. твердость возрастает на 15-16%.

3. Установлена взаимосвязь между режимами вибрационной обработки жидкого связующего, его плотностью, вязкостью и механическими свойствами стеклопластиков:

- с увеличением продолжительности виброактивации жидкого связующего плотность отвержденных образцов повышается по экспоненциальной зависимости с максимумом при 10 минутной обработке; рациональным режимом виброактивации является: частота колебаний 100 Гц и амплитуда колебаний 60 мкм; повышение плотности полимерного связующего под действием механических колебаний связано с дегазацией массы связующего и более равномерным распределением отвердителя в объеме эпоксидного олигомера;

- предел прочности при статическом изгибе аизг изменяется по экстремальной зависимости с максимумом его значения при вибрационном воздействии в течение 5 минут; максимальное значение предела прочности при статическом изгибе (695 МПа) обеспечивается при частоте колебаний 100 Гц и амплитуде колебаний 60 мкм по сравнению с образцами без вибрационного воздействия (650 МПа), что обусловлено снижением угла смачивания, возрастанием степени пропитки наполнителя в виде стеклоткани, а также дегазацией и более равномерным распределением отвердителя в объеме композита;

- при этом ударная вязкость также изменятся в зависимости от времени виброактивации по экстремальной зависимости с максимумом ее значения (280 кДж/м2) при 5 минутной обработке и выбранном режиме виброобработки по сравнению с исходным образцом (260 кДж/м2).

4. Впервые методом растровой электронной микроскопии установлен характер изменения надмолекулярной структуры полимерного связующего от сферолитной к фибриллярной после его совместной обработки НЭМИ и ЭМП:

- структура образца, не подвергнутого воздействию НЭМИ и ЭМП, сферолитная размерами от 2 до 6 мкм по длине и от 2 до 5 мкм по ширине, сколы рельефные, что свидетельствует о хрупком разрушении образца;

- после электрофизической обработки НЭМИ и ЭМП в течение 25 минут надмолекулярная структура композитов переходит к

фибриллярной, что отражается на характере разрушения образца, которое происходит по пластическому механизму;

- при этом изменений химической структуры исследуемого материала не происходит, о чем свидетельствуют результаты ИК-спектроскопии образцов.

5. В связи с тем, что прочность полимерных материалов определяется напряженно-деформированным состоянием их структуры, на основе механической модели разработана методика расчета напряженного состояния деталей, выполненных из стеклопластика, получено математическое выражение, позволяющее оценить напряженно-деформированное состояние материала с учетом присущего полимерным материалам нелинейного характера зависимости напряжений от скорости деформации.

Практическая значимость работы заключается в:

- разработке нового способа формования изделий из эпоксидной смолы, основанного на применении предварительного воздействия наносекундными электромагнитными импульсами и электромагнитным переменным полем на полимерное связующее в жидкой фазе; техническая сущность способа защищена патентом на изобретение (№2422273);

- разработке и изготовлении экспериментального стенда для осуществления индивидуального и комбинированного электрофизического воздействия на полимерное связующее;

- определении и отработке режимов электрофизического воздействия и вибрационной обработки эпоксидного связующего;

- в изготовлении и испытаниях в производственных условиях опытных конструкций рабочих колес центробежных нагнетателей воздуха, изготовленных из стеклопластика.

Практическая значимость подтверждается внедрением научно-обоснованных рекомендаций по повышению прочностных свойств стеклопластика путем предварительной электрофизической обработки полимерного связующего в производственную деятельность ФГУП «ММПП «Салют» (г. Москва) и ОАО «Дальэнергомаш» (г. Хабаровск).

Апробация результатов работы: Основные результаты работы были представлены на XI международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (г. Пенза, 2007 г.); на VI международной научно-технической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (г. Курск, 2008 г.); на VIII международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г. Брянск, 2009 г.); на международной научно-технической конференции «Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2009 г.); на I конференции «Производители и

потребители компрессорной техники» (г. Казань, 2010 г.); на совместном российско-китайском симпозиуме «2011 Joint China-Russia Symposium on Advanced Materials and Processing Technologies» (г. Харбин, 2011 г.)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендуемых ВАК, получен 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Диссертация изложена на 133 страницах, включает 37 рисунков и 37 таблиц. Библиографический список составлен из 115 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы научных исследований, сформулированы цель и задачи, изложены научные положения и новизна, отмечена практическая значимость работы исследования.

Основу содержания первой главы составляет аналитический обзор теоретических и экспериментальных исследований в области создания и модификации стеклопластиков, включающий в себя рассмотрение следующих вопросов: 1) общая характеристика стеклопластиков, назначение и области применения; показано, что стеклопластики широко используются при изготовлении узлов и деталей машин, во многих конструкциях они успешно заменяют металлы, улучшая эксплуатационные свойства машин и агрегатов, при этом особенностью стекловолокнистых материалов является то, что они, как правило, образуются одновременно с изготовлением изделий во время формования в формах, поэтому их свойства определяются не только характеристиками исходных компонентов, но и технологическим процессом; 2) исследования изменения физических свойств полимерных материалов при разных способах их модификации; представлены классификация и характеристика способов модификации эпоксидных олигомеров, выступающих в качестве связующего при изготовлении стеклопластиков, при этом для получения стеклопластика с высокими эксплуатационными характеристиками необходимо направленное регулирование технологических и физико-химических процессов, например, с помощью электровоздействия на связующее, его вибрационной обработки и т.д.; 3) современные представления о прочности полимерных материалов; представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований, доказывающие, что преодоление сил взаимодействия между атомами и молекулами твердого полимера могут происходить под влиянием тепловой энергии, механических воздействий, излучений и т.д.

Большой вклад в исследование процессов создания, модифицирования и формирования свойств полимерных материалов

внесли известные ученые Атовмян Е.Г., Ганиев М.М., Бадамшина Э.Р., Берлин А. Н., Брагинский В.А., Зеленев Ю.В., Иванов В.А., Кестельман В. Н., Охлопкова A.A. и другие.

Исследованию структуры, свойств и процессов разрушения полимерных материалов посвящены работы Аскадского A.A., Бартенева Г.Н., Журкова С.Н., Каргина В.А., Карташова Э.М., Огибалова П.М., Ратнера С.Б., Сломинского Г.Л., Френкеля Я.И.

На основании анализа вышеизложенного материала сформулированы цель и задачи настоящей диссертационной работы.

Во второй главе представлены обоснование выбора материала исследования, методики и аппаратура для экспериментальных исследований и производственных испытаний, описание экспериментальной установки для реализации электрофизического воздействия на полимерное связующее.

В качестве материала для изготовления экспериментальных образцов было использовано полимерное связующее Этап Т 210 и два вида наполнителя с общей основой - стеклотканью Т11, и разными замасливателями: 78 и ГВС9. Соответственно были изготовлены следующие образцы стеклопластика: Этап Т 210-Т11-78 и Этал Т 210-Т11-ГВС9. Образцы изготавливали с помощью установки вакуумно-компрессионной пропитки и печи сопротивления для термообработки материала, установленной на ОАО «Дальэнергомаш».

В табл.1 сведены значения прочностных свойств полученных образцов стеклопластика в зависимости от типа замасливателя.

Таблица 1.

Прочностные характеристики исследуемых стеклопластиков

Тип стеклопластика П рочностные характеристики

Предел прочности при сжатии, МПа Предел прочности при растяжении, МПа Предел прочности при изгибе, МПа Ударная вязкость, кДж/м2

Этал Т210-Т11-78 455 383 532 250

Этал Т 210-Т11-ГВС9 528 406 665 280

Анализ представленных в табл.1 экспериментальных данных позволяет сделать вывод о том, что стеклопластик с применением связующего Этал Т 210, стеклоткани Т11 и замасливателя ГВС9 обладает повышенной прочностью. Об этом свидетельствует более высокие значения предела всех установленных прочностных характеристик стеклопластика

Этап Т 210-Т11-ГВС9 по сравнению с материалом Этал Т 210-Т11-78. Таким образом, объектом дальнейших экспериментальных исследований был выбран стеклопластик Этал Т 210-Т11-ГВС9.

Полученные образцы связующего и стеклопластика в виде пластин и лопаток подвергались следующим исследованиям, согласно ГОСТ 4648-71 и ГОСТ 186-11262: испытания образцов связующего с целью определения напряжений сжатия, растяжения, изгибающих напряжений, прочности при межслойном сдвиге, ударной вязкости и твердости как после электрофизического воздействия, так и без него; испытания образцов стеклопластика с целью определения напряжений растяжения, изгибающих напряжений, прочности при межслойном сдвиге, ударной вязкости и твердости как после электрофизического воздействия, так и без него.

Измерение вязкости полимерного связующего Этал Т 210 проводили в соответствии с положениями ГОСТ 8420-74 при помощи вискозиметра ВЗ-4. Измерение твердости исследуемых образцов проводили по методу Бринелля в соответствии с положениями ГОСТ 4670-90. Механические свойства экспериментальных образцов определяли на испытательных машинах WDW-50E, МК-30А. Качество обработанной резанием поверхности деталей из исследуемого материала контролировали при помощи профилометра TR 200 производства США. Оценивались основные параметры шероховатости согласно ГОСТ 2789-73 и международного стандарта ISO 4288. Токарную обработку проводили на токарном патронно-центровом станке с ЧПУ модели РТ755Ф311, а разрезку -абразивным кругом. Контроль изменения плотности полимерного связующего производили при помощи пикнометра ПЖ-2-100 ГОСТ 22524-77 по ГОСТ 27845-73.

Для проведения экспериментальных исследований была изготовлена установка, схема которой представлена на рис.1.

В третьей главе представлено описание нового способа формования стекло пластиковых изделий из эпоксидного связующего, подвергнутого электрофизической обработке НЭМИ и ЭМП, изложены результаты экспериментального исследования изменения морфологии полимерного связующего.

Сущность предлагаемого способа (патент РФ №2422273) заключается в том, что в технологическом процессе изготовления изделий включена операция предварительной (до операций формования и отверждения) электрофизической обработки эпоксидного связующего. Электрофизическая обработка связующего состоит из одновременного воздействия на связующее в жидкой фазе наносекундными электромагнитными импульсами и электромагнитным переменным полем.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для совместного воздействия НЭМИ и ЭМП на полимерное связующее: 1 - аппарат управления установки ЭМП, 2 - катушка индуктивности, 3 - электропитание катушки индуктивности, 4 - генератор ГНИ-16, 5 - электропитание электродов излучения НЭМИ, 6 - полимерное связующее, 7 - диэлектрическая емкость, 8 - диэлектрические подставки, 9 - электроды излучения

В качестве источника НЭМИ применяли специальный генератор ГНИ-01-16, изготовленный в Южно-Уральском ГУ, и установку электромагнитного перемешивания для возбуждения

магнитогидродинамических сил, изготовленную при непосредственном участии автора.

При проведении экспериментов использовали следующие режимы электромагнитного воздействия:

- наносекундные электромагнитные импульсы (НЭМИ): длительность импульса 1 не; амплитуда импульсов 6 кВ; мощность в одном импульсе более 1 МВт; частота повторения импульсов 1000 Гц;

- электромагнитное поле (ЭМП): частота колебаний V = 0,5 Гц; длительность прямого импульса - 0,02 с, реверса - 1,8 с, обратного импульса - 0,02 с.

В работе проводились сравнительные исследования, (рис.2), которые позволили проследить изменение морфологии полимерного связующего при обработке НЭМИ и ЭМП. Данные исследования проводилось с помощью растрового электронного микроскопа марки ,18М-6480 (фирма ШОЬ, Япония).

На рис.2, а представлена микроструктура необработанного образца полимерного связующего.

Рис.2. Морфология полимерного связующего: а - до электрофизической обработки; б - НЭМИ+ЭМП 25 минут

Видно, что структура образца сферолитная, размеры которых от 2-6 мкм по длине и от 2-5 мкм по ширине, сколы рельефные, что свидетельствует о хрупком разрушении образцов. После электрофизической обработки НЭМИ и ЭМП в течение 25 минут надмолекулярная структура композитов, рис.2, б, значительно меняется. В первую очередь это отражается на механизме разрушения образцов, которое происходит по пластическому механизму, так как сколы отличаются сглаженными границами разрушения.

Волновое число, см"1

Рис.3. Результаты инфракрасной спектроскопии: 1 - до электрофизической обработки; 2 - НЭМИ и ЭМП 5 минут; 3 - НЭМИ и ЭМП 10 минут; 4 - НЭМИ и ЭМП 15 минут; 5 - НЭМИ и ЭМП 20 минут; 6 - НЭМИ и ЭМП 25 минут

Во-вторых, наблюдается еще более выраженная анизотропия роста надмолекулярных образований, которые представляют собой больше фибриллярную структуру, чем сферолитную, несмотря на наличие центров кристаллизации по сферолитному типу.

Таким образом, электрофизическая обработка НЭМИ и ЭМП привела к тому, что в образцах происходит переориентация сферолитных образований в фибриллярные. При этом следует отметить, что изменения химической структуры исследуемого материала находятся в пределах погрешности эксперимента, о чем свидетельствуют результаты ИК-спектроскопии образцов, рис.3.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию изменения плотности, вязкости и механических свойств связующего и стеклопластика в зависимости от параметров и вида электрофизического воздействия на полимерное связующее, режимов и продолжительности его виброобработки.

Экспериментальные исследования проводились в несколько этапов. На первом этапе был выполнены эксперименты по исследованию плотности и вязкости полимерного связующего.

О 5 10 15 20 25 30 Время электровоздействия, мин

1Д ■ .....I.........)- --------->-......! -I .......:

0123456789 10 Время виброобработки, мин

Рис. 4. Плотность полимерного связующего: а - после электровоздействия:

1 - НЭМИ; 2 - ЭМП; 3 - совместное воздействие НЭМИ и ЭМП; б - после вибрационной обработки: 1 - Г = 100 Гц, А = 60 мкм;

2 - Г = 100 Гц, А = 20 мкм; 3 - f = 50 Гц, А = 60 мкм; 4 - Г = 50 Гц, А = 20 мкм

На рис.4, а приведены результаты измерения плотности полимерного связующего при электровоздействии НЭМИ, ЭМП и НЭМИ-ЭМП. При раздельном воздействии НЭМИ и ЭМП плотность полимерного связующего возрастает от времени обработки незначительно (кривые 1 и 2). Существенное повышение плотности наблюдается при совместном воздействии НЭМИ и ЭМП (кривая 3) на полимерное связующее в течение 30 минут.

Аналогичная картина наблюдается при вибрационном воздействии на полимерное связующее (рис.4, б). При чем наибольшая плотность наблюдается при значении параметров вибрационной обработки 1=100 Гц и А=60 мкм. Вибрационная обработка более эффективно повышает плотность полимерного связующего, чем совместная обработка НЭМИ и ЭМП. Повышение плотности полимерного связующего после вибрационной обработки, а так же совместного воздействия НЭМИ и ЭМП, по-видимому, происходит вследствие изменения надмолекулярной структуры, дегазации массы связующего и более равномерного распределения отвердителя в объеме эпоксидного олигомера.

На рисунке 5, а представлены данные по влиянию вида и времени электрофизической обработки полимерного связующего на его вязкость. Установлено, что при раздельном воздействии НЭМИ и ЭМП вязкость практически не изменяется, а при комбинированной обработке НЭМИ и ЭМП вязкость изменяется по экстремальной зависимости от времени обработки.

На рисунке 5, б представлены данные по влиянию режима и времени вибрационной обработки полимерного связующего на его вязкость. Установлено, что максимальное снижение вязкости происходит при реализации режима обработки с амплитудой 60 мкм при частоте колебаний 100 Гц в течение 5 минут. Внешние механические колебания создают в объеме связующего касательные напряжения и пульсации давления, которые и являются причиной снижения внутреннего трения и, как следствие, вязкости исследуемого материала. При длительных вибрационных обработках (более 5 минут) вязкость полимерного связующего возрастает, вероятно, из-за укрупнения коагуляции надмолекулярной структуры.

а б

Время электровоздействия, мин Время виброобработки, мин

Рис. 5. Вязкость связующего: а - после электрофизической обработки:

1 - НЭМИ; 2 - ЭМП; 3 - НЭМИ+ЭМП; б - после вибрационной обработки (амплитуда колебаний*частота колебаний): 1 - 20 и 50;

2 - 60 и 50; 3 - 20 и 100; 4 - 60 и 100

На следующем этапе проводились исследования влияния временной выдержки полимерного связующего до реакции полимеризации на прочностные характеристики как непосредственно связующего, после отверждения, так и изготовленного с его участием стеклопластика.

Из рис.б, а следует, что прочность на сжатие и изгиб полимерного связующего Этал Т 210 монотонно уменьшается по мере выдержки перед отверждением до 4 минут.

Прочностные характеристики стеклопластика (рис.6, б) Этал Т 210-Т11-ГВС9 также имеют некоторую тенденцию снижения с увеличением времен выдержки полимерного связующего.

Время выдержки, ч

Ь—I—_ - , _ ..............1.....

I-- 1

12 3 4 Время выдержки, ч

Рис. 6. Значения образцов:

прочностных характеристик экспериментальных а - полимерного связующего Этал Т 210; б - стеклопластика Этал Т 210-Т11-ГВС9; 1 - прочность на сжатие; 2 - прочность на изгиб

20

Л ^

н <и

0 О

1 О"

СО

Ш О

ж Т

12

£ §

Рис.

19

18

17

0 12 3 4

Время выдержки, ч

7. Значения вязкости полимерного связующего

Такой вывод

подтверждается данными по влиянию времени выдержки связующего на изменение его вязкости, представленными на рис.7. Экспериментально

доказано, что с увеличением времени выдержки повышается вязкость исследуемого

полимерного связующего, что и является причиной снижения степени пропитки стеклоткани и, соответственно, прочностных свойств готового материала.

45 40 35 30 25 20

I 1„ ...

1 3

1

2

о. С

Рис.

О 5 10 15 20 25 30 Продолжительность воздействия, мин

Предел прочности при сжатии образцов из эпоксидного связующего Этал Т 210:

1 - после воздействия НЭМИ;

2 - после воздействия ЭМП;

3 - после воздействия НЭМИ и ЭМП

при сжатии; совместная обработка связующего НЭМИ и ЭМП приводит к повышению предела прочности при сжатии, максимум которого 38 МПа наблюдается после 25 минутной обработки.

На втором этапе проводилось исследование влияния предварительных воздействий НЭМИ и ЭМП на механические свойства полимерного связующего.

На рис.8 приведены данные, позволяющие

установить влияние

времени предварительных электрофизических обработок полимерного связующего Этал Т 210 на прочность при сжатии. Обработка

полимерного связующего НЭМИ или ЭМП незначительно влияет на изменение предела прочности

1 Я

е

о к

360 320 280 240 200

3

—1

ч

0 5 10 15 20 25 30 Продолжительность воздействия, мин

Рис. 9. Ударная вязкость стеклопластика Этал Т 210-Т11-ГВС9: I - после воздействия НЭМИ; 2 - после воздействия ЭМП; 3 - после комбинированного воздействия НЭМИ и ЭМП

На третьем этапе проводилось исследование влияния предварительных воздействий НЭМИ и ЭМП на механические свойства стеклопластика.

Из рис.9 следует, что при раздельном влиянии НЭМИ и ЭМП на эпоксидное связующее Этал Т 210 ударная вязкость образцов из стеклопластика Этал Т 210-Т11-ГВС9 изменяется не существенно. При совместном воздействии на связующее НЭМИ и ЭМП наблюдается значительное

повышение ударной вязкости при продолжительности обработки более 25 минут. Таким образом, в данном случае наблюдается одновременное повышение прочностных свойств и ударной вязкости стеклопластика.

На четвертом этапе проводилось исследование влияния предварительных обработок полимерного связующего НЭМИ и ЭМП непосредственно в форме на механические свойства изделия из стеклопластика. Электрофизическая обработка полимерного связующего осуществлялась непосредственно в форме для изготовления лопатки рабочего колеса центробежной компрессорной установки. Схема и фотография экспериментальной установки представлена на рис.10.

Рис. 10. Экспериментальная установка электрофизической обработки полимерного связующего непосредственно в форме: а - общий вид; б - схема

Цель данных экспериментов - установить и оценить изменения механических свойств стеклопластика относительно вышеисследованных вариантов с предварительной обработкой полимерного связующего.

На рис.11 представлены экспериментальные данные, позволяющие оценить взаимосвязь между видом и временем электрофизического воздействия на эпоксидное связующее Этал Т 210 и механическими характеристиками образцов из стеклопластика Этал Т 210-Т11-ГВС9.

Анализ полученных данных (рис.11) позволяет заключить, что совместная обработка НЭМИ и ЭМП полимерного связующего позволяет повысить качество готового стеклопластика, о чем свидетельствуют более высокие значения прочности на сжатие материала по сравнению с полученными при индивидуальных обработках НЭМИ и ЭМП и без обработки.

На следующем этапе исследовалась взаимосвязь между режимом виброактивации жидкого эпоксидного связующего и пределом прочности стеклопластика при статическом изгибе (рис.12). В случае реализации указанных режимов виброактивации связующего наблюдается изначально рост предела прочности стеклопластика при изгибе, а затем, при превышении 5 минут виброобработки, либо некоторое снижение

прочности, либо сохранение постоянного ее значения. При этом наиболее эффективным режимом виброактивации, из исследуемых в данной работе, является следующий: частота колебаний 100 Гц, амплитуда колебаний 60 мкм. Именно при реализации данного режима обеспечивается максимальное значение предела прочности при изгибе стеклопластика в случае предварительной виброобработки связующего в течение 5 минут.

500

«450

.400 s

§ 350 Я

а зоо в

S 250

et

и

jS- 200

.........i "у Î

! J |

т 1 1 —

\..... ! ; |

0 5 10 15 20 25 30 Продолжительность воздействия, мин

Рис.11. Предел прочности при сжатии образцов из стеклопластика Этап Т 210-Т11-ГВС9 (обработка в форме): 1 - после воздействия НЭМИ; 2 - после воздействия ЭМП; 3 - после комбинированного воздействия НЭМИ и ЭМП

На последнем этапе проводились экспериментальные исследования эффективности механической обработки стеклопластика Этал Т 210-Т11 -ГВ С9, полимерное

связующее которого было предварительно обработано НЭМИ и ЭМП в течение 25 минут. Осуществлялись следующие виды

механической обработки: точение, разрезка. Основное требование, предъявляемое к указанным операциям -обеспечение минимального уровня шероховатости

обработанной поверхности.

Рис.12.Физико-механические свойства стеклопластика: 1 - f = 100 Гц, А = 60 мкм; 2 - f = 100 Гц, А = 20 мкм; 3 - f = 50 Гц, А = 60 мкм; 4 - f = 50 Гц, А = 20 мкм; а) изгибающее напряжение; б) ударная вязкость

На рис.13 представлены профилограммы обработанных точением поверхностей деталей из стеклопластика, а в таблице 2 сведены численные значения отдельных параметров шероховатости для случаев точения и разрезки заготовок из исследуемого материала.

§ 5

и

в « о

4 §

5

¿а

2 •» 6 8 30 12

Длина измеряемой поверхности, мм б

и

30

к ч

К 3

и -

К « о

§ §

2 -еР о -30 О о.

2 4 « 8 10 12

Длина измеряемой поверхности, мм

Рис. 13. Профилограммы обработанных точением поверхностей деталей из стеклопластика: а - стеклопластик без предварительной обработки связующего; б - стеклопластик с предварительно обработанным связующим

Таблица 2.

Результаты исследования шероховатости поверхности деталей из стеклопластика при различных видах обработки

Исследуемый материал Параметры шероховатости, мкм

Яа Кг Яшах Яр Ягп Бш Бк

Точение

Без обработки связующего 12,61 32,72 30,97 14,02 21,95 0,34 0,98

С предварительной обработкой связующего 7,50 15,24 20,75 9,23 11,52 0,19 0,60

Разрезка

Без обработки связующего 18,7 40,20 37,90 11,80 19,10 0,10 0,13

С предварительной обработкой связующего 12,88 29,33 22,37 6,20 8,55 0,10 0,10

Анализ данных (рис.13, а и б; табл.2) позволяет сделать заключение о том, что механическая обработка стеклопластика Этал Т 210-Т11-ГВС9, выполненного из предварительно обработанного НЭМИ и ЭМП связующего обеспечивает получение более качественно обработанной поверхности. Об этом свидетельствует экспериментально установленный факт снижения параметров шероховатости обработанной поверхности модифицированного стеклопластика до 2 раз по сравнению с поверхностью стандартного материала.

В пятой главе представлены результаты теоретического исследования напряженно-деформированного состояния изделий из эпоксидного связующего, подвергнутого электрофизической обработке.

Для описания напряженного состояния полимерного материала в данной работе использована известная модель упруговязкого тела Максвелла, которая состоит из последовательно соединенных упругого и вязкого элементов.

Упругую деформацию выразим посредством закона Гука сх = Еве, а вязкую, с учетом того факта, что полимерное связующее относится к

классу неньютоновских жидкостей - а - , где п - показатель

степени, учитывающий нелинейный характер зависимости между напряжением и скоростью деформирования.

Таким образом, предлагаемая к рассмотрению модель упруговязкого тела имеет в своем составе упругий и вязкоупругий нелинейный элементы. Запишем выражение полной деформации в дифференциальном виде

+ цч

Л Л Л '

Дифференцируя о = Еее по времени, получаем выражение для упругой деформации

сЛт ,, <&у 1 ¿а

— = Е —у- или —L ----. (2)

Л Л Л Е Л

Выражение для вязкой деформации выразим из (3)

I

-= — =>,— = —или—= - . (3)

^ Ъ л л Ы

Подставляем (2) и (3) в (1), получаем

с1г 1 ¿а

• (4>

Ш Е Ж \\1)

Решая дифференциальное уравнение (4) для случая постоянной

деформации, т. е. — = 0, окончательно получаем сЛ

лц"

Таким образом, получено выражение (5) позволяющее оценить напряженно-деформированное состояние материала с учетом присущей полимерным материалам нелинейности характера зависимости напряжений от скорости деформации. Анализ данного уравнения показывает, что согласно представленной модели на прочность полимерного материала при эксплуатации изделий существенное влияние оказывают напряжения, созданные при предварительном воздействии на материал и напряжения от действия внешней нагрузки на изделие.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Установлена, методом растровой электронной микроскопии, трансформация надмолекулярной структуры полимерного связующего от сферолитной к фибриллярной после его совместной обработки наносекундными электромагнитными импульсами и электромагнитным полем; при этом изменений химической структуры исследуемого материала не происходит, о чем свидетельствуют результаты ИК-спектроскопии образцов;

2. Разработан новый способ формования изделий из эпоксидной смолы с целью повышения прочностных свойств стеклопластика, основанный на применении предварительной обработки наносекундными электромагнитными импульсами и электромагнитным переменным полем полимерного связующего в жидкой фазе; техническая сущность способа защищена патентом на изобретение (№2422273);

3. Разработана, согласно выбранной механической модели, методика расчета напряженного состояния деталей, выполненных из стеклопластика, получено математическое выражение, позволяющее оценить напряженно-деформированное состояние материала с учетом присущей полимерным материалам нелинейности характера зависимости напряжений от скорости деформации.

4. Разработан и изготовлен экспериментальный стенд для осуществления индивидуального и комбинированного электрофизического воздействия на полимерное связующее, основу которого составляют генератор наносекундных электромагнитных импульсов и установка электромагнитного перемешивания для возбуждения магнитогидродинамических сил в объеме полимерного связующего в жидком состоянии; определены значения параметров электровоздействия на полимерное связующее;

5. Впервые доказано экспериментально, что применение предварительного совместного воздействия наносекундными электромагнитными импульсами и электромагнитным переменным полем на полимерное связующее Этап Т 210 в течение 20-25 минут приводит к повышению прочностных свойств изделий из стеклопластика Этап Т 210-Т11-ГВС9 до 1,4 раз.

6. Экспериментальным путем установлено, что оптимальная продолжительность вибрационной обработки жидкого эпоксидного связующего, предварительно отверждению, составляет 5 минут, установлены взаимосвязи между режимами виброобработки и прочностными свойствами стеклопластика, при этом наиболее эффективным режимом виброактивации, из исследуемых в данной работе, является следующий: частота колебаний 100 Гц, амплитуда колебаний 60 мкм.

7. Получены положительные результаты производственных испытаний опытных конструкций рабочих колес центробежных нагнетателей воздуха изготовленных из стеклопластика; изготовленные опытные образцы успешно прошли испытания на разгонной установке с превышением центробежной нагрузки на 25 %.

8. Результаты работы внедрены в ФГУП «ММПП «Салют» (г. Москва), ОАО «Дальэнергомаш» (г. Хабаровск) и используются в учебном процессе ФГБОУ В ПО «Тихоокеанский государственный университет» (г. Хабаровск).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих научных работах:

1. Еренков О.Ю. Разработка и исследование нового способа модификации полимерного связующего путем электрофизического воздействия /О. Ю. Еренков, В. Л. Никишечкин // Пластические массы. 2011.-№11.-С. 61-64.

2. Еренков О. Ю. Исследование механических свойств полимерных композитных материалов / О. Ю. Еренков, П. В. Игумнов,

B. Л. Никишечкин // Вестник машиностроения. 2010.- № 4,- С. 55-58.

3. Еренков О.Ю. Оценка работоспособности деталей из полимерных материалов/ О.Ю. Еренков, В.Л. Никишечкин // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2008.- №1. - С. 45 - 47.

4. Никишечкин В.Л. Применение композитных материалов в компрессорном оборудовании /В.Л. Никишечкин, В.П. Игумнов,

C.Л. Шептицкий // Компрессорная техника и пневматика. 2007.- №4. -С. 16-23.

5. Патент №2422273 Российская федерация, (51) МПК В29С 41/04. Способ формования изделий из эпоксидной смолы/ Еренков О.Ю., Игумнов В.П., Игумнов П.В., Никишечкин В.Л., Богачев А.П. - Заявка

№ 2009145870/05; заявлено 10.12.2009; опубликовано 27.06.2011, Бюл. №18.

6. Erenkov О. Yu. Mechanical Properties of Polymer Composites / O. Yu. Erenkov, P. V. Igumnov, and V. L. Nikishechkin // Russian Engineering Research, 2010, Vol. 30, No. 4, pp. 373-375.

7. Еренков О.Ю. Влияние скорости нагружения полимерных материалов на процесс деформации и разрушения/ О.Ю. Еренков, B.JI. Никишечкин// Современные технологии в машиностроении: сборник статей XI Международной научно-практической конференции. - Пенза: Приволжский дом знаний, 2007. - С. 259-261. '

8. Еренков О.Ю. Влияние предварительного деформирования заготовок из полимерных материалов на качество поверхностного слоя обработанных точением деталей /О.Ю. Еренков, Е.В. Комялова, В. Л. Никишечкин, Е.Г. Калита // Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: материалы VI Международной научно-технической конференции: в 2 ч. Ч. 1; Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 2008 г. - С. 140-144.

9. Еренков О.Ю. Влияние обработки полимерных материалов наносекундными электромагнитными импульсами на твердость поверхностного слоя/ О.Ю. Еренков, А.В. Никитенко, В. Л. Никишечкин// Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: материалы VI Международной научно-технической конференции: в 2 ч. Ч. 1; Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 2008 г. - С. 144-147.

10. Еренков О.Ю. Исследование эффективности влияния предварительной электрофизической обработки полимерного связующего на прочностные характеристики ПКМ . / О.Ю. Еренков, В. Л. Никишечкин//Ученые записки КнАГТУ. 2010.- № 2. - С. 94-103.

11. Никишечкин В. Л. Исследование механических свойств полимерных композитных материалов рабочих колес ЦКМ в зависимости от предварительного электрофизического воздействия / В.Л. Никишечкин, В.П. Игумнов // Производители и потребители компрессорной техники: труды I конференции. - Казань: Слово, 201.0. - С, 38-43.

12. Erenkov О. Yu. Researching of Polymeric Composite Material Mechanical Properties/ O. Yu. Erenkov, A.G. Ivakhnenko, V. L. Nikishechkin.-Modern materials and technologies 2011: International Russian-Chinese

„ Symposium. Proceedings.- Khabarovsk: Pacific National university, 2011. -485 p.

Никишечкин Вячеслав Леонидович

УПРАВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ СТЕКЛОПЛАСТИКОВ ЗА СЧЕТ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОЛИМЕРНОЕ СВЯЗУЮЩЕЕ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 21.03.12 г.Формат60x84 1/16. Бумага писчая. Гарнитура "Тайме". Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,3 Тираж 100 экз. Заказ № 203

Отдел оперативной полиграфии издательства Тихоокеанского государственного университета. 680035, Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136

61 12-5/3101

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тихоокеанский Государственный Университет

На правах рукописи

Никишечкин Вячеслав Леонидович с

Управление механическими свойствами стеклопластиков за счет предварительного электрофизического воздействия на полимерное связующее

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

Диссертация на соискание учёной степени кандидата наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор,

Еренков Олег Юрьевич

Научный консультант

доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и техники РФ

Ри Хосен

Комсомольск-на-Амуре - 2012

11

16 17

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ МОДИФИКАЦИИ ЭПОКСИДНЫХ СВЯЗУЮЩИХ 1Л. Общая классификация и характеристика стеклопластиков назначение и области применения

1.2. Исследования изменения физических свойств материалов

при разных способах их модификации 16

1.2.1 Модификация на основе комбинированной термообработки

1.2.2. Модификация посредством обработки полимерного связующего физическими полями 25

1.2.3. Модификация посредством введения наномодификаторов 34

1.3. Современные представления о прочности полимерных материалов 3 8

1.4. Выводы. Постановка задач исследований 42 ГЛАВА 2. ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ

ИССЛЕДОВАНИЙ 44

2.1. Обоснование выбора материала

44

50 54

2.2. Методика и аппаратура для экспериментальных исследований прочностных свойства материала 46

2.3. Экспериментальная установка для совместного 48 воздействия НЭМИ и ЭМП на полимерное связующее

2.4. Методика производственных испытаний. Конструкция испытательного стенда

2.5. Выводы

ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА НОВОГО СПОСОБА ГЛАВА 3 ФОРМОВАНИЯ СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫХ ИЗДЕЛИЙ

ИЗ ЭПОКСИДНОГО СВЯЗУЮЩЕГО, 56

ПОДВЕРГНУТОГО ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

3.1. Электрофизическая обработка эпоксидного связующего как новый способ формирования стеклопластиковых изделий

3.2. Влияние НЭМИ и ЭМП на морфологию полимерного 59 связующего

3.2. Выводы 63

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ И ВИДА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОМ

ОБРАБОТКИ ПОЛИМЕРНОГО СВЯЗУЮЩЕГО НА 64

56

71

74

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТЕКЛОПЛАСТИКА

4.1. Цель экспериментальных исследований 64

4.2. Исследование изменения плотности полимерного 65 связующего

4.3. Исследование изменения плотности полимерного 67 связующего

4.4. Исследование влияния воздействий НЭМИ и ЭМП на механические свойства полимерного связующего

4.4.1. Исследование предела прочности при сжатии 71 полимерного связующего

4.4.2. Исследование предела прочности при растяжении полимерного связующего

4.4.3. Исследование предела прочности при статическом изгибе 76 полимерного связующего

4.4.4. Исследование ударной вязкости образцов из полимерного 79 связующего

4.4.5. Исследование твердости полимерного связующего после 82 обработки НЭМИ и ЭМП

4.5. Исследование влияния обработки эпоксидного связующего НЭМИ и ЭМП на механические свойства 85 стеклопластика

4.5.1. Исследование предела прочности при сжатии 85 стеклопластика

4.5.2. Исследование предела прочности при растяжении 88 стеклопластика

4.5.3. Исследование предела прочности при статическом изгибе 91 стеклопластика

4.5.4. Исследование ударной вязкости стеклопластика 94

4.5.5. Исследование твердости стеклопластика 97

4.6. Исследование влияния обработки эпоксидного 100 связующего НЭМИ и ЭМП непосредственно в форме на механические свойства стеклопластика

4.7. Исследование механических свойств ПКМ в зависимости 104 от параметров вибрационной обработки связующего

4.7.1. Исследование предела прочности стеклопластика при статическом изгибе

4.7.2. Исследование ударной вязкости стеклопластика 106

4.8. Исследование обрабатываемости резанием 108 стеклопластика, связующее которого предварительно подвергалось воздействию НЭМИ и ЭМП

4.9. Выводы

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ И ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИЗДЕЛИЙ из эпоксидного

104

110

СВЯЗУЮЩЕГО, ПОДВЕРГНУТОГО 111 ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 119

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 121

ПРИЛОЖЕНИЯ 132

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В мае 2008 года Правительством России утвержден перечень критических технологий, подпадающих под действие закона о порядке осуществления иностранных инвестиций в стратегические отрасли РФ. В перечень включены 35 технологий, имеющих важное социально-экономическое значение или важное значение для обороны страны и безопасности государства. Технологии создания и обработки композиционных материалов также включены в этот перечень.

Благодаря особым свойствам, присущим только пластическим массам, применение их в машиностроении открывает широкие конструктивно-технологические возможности для создания машин и аппаратов на более высоком техническом уровне. Многие пластмассы, являясь самостоятельными конструкционными материалами, с большим успехом вытесняют как цветные,

так и черные металлы.

При этом особого внимания заслуживают стеклопластики, которые представляют собой термореактивную пластмассу, состоящую из синтетической смолы со стекловолокнистым наполнителем. Высокая удельная прочность в сочетании с хорошей химической стойкостью по отношению ко многим агрессивным средам открывает возможности использования стеклопластиков в различных отраслях промышленности и, в частности, в центробежных компрессорных машинах, обслуживающих различные

химические производства.

Несмотря на многообразие способов получения деталей и изделий из стеклопластиков, применение их в качестве конструкционного материала часто ограничивается достигнутым уровнем их прочностных свойств, которые, в свою очередь, лимитируются несовершенствованием технологического процесса и нестабильностью свойств полимерных связующих. Очень часто

имеют место механические повреждения деталей наиболее нагруженных узлов энергетических машин таких, как рабочие лопатки, диски и т.д.

Композиционные материалы на основе эпоксидных олигомеров находят широкое применение в различных областях техники за счет хорошей адгезии ко многим материалам, высоких механических показателей, превышающих показатели других сетчатых полимеров, водо- и химической стойкости, низкой линейной усадки и отсутствия низкомолекулярных продуктов отверждения, а также ряда других свойств. Модифицированные эпоксидные материалы обладают лучшим комплексом свойств по сравнению с исходными, поэтому такие материалы более востребованы промышленностью, несмотря на более

высокую стоимость.

Таким образом, задача повышения прочностных свойств стеклопластиков, в том числе за счет новых технологических решений, является актуальной.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1 .Впервые экспериментально установлены и научно обоснованы закономерности изменения физико-механических характеристик полимерного (эпоксидного) связующего от вида и параметров предварительных электрофизических воздействий:

- прочность отвержденных образцов из полимерного связующего от вида электрофизических воздействий (НЭМИ, ЭМП и НЭМИ+ЭМП) увеличивается по мере повышения продолжительности его обработки до 30 минут по линейной зависимости; причем при совместном воздействии НЭМИ и ЭМП наблюдается более интенсивный ее рост, что обусловлено дегазацией массы связующего;

- механические свойства (пределы прочности при сжатии осж, растяжении ав, статическом изгибе аизг, твердость НВ и ударная вязкость ап) отвержденных образцов полимерного связующего после обработки НЭМИ незначительно повышаются, а после обработки ЭМП остаются без изменения или несколько

снижаются; более характерное повышение механических свойств наблюдается при совместном воздействии НЭМИ и ЭМП:

* осж резко возрастает от 134 МПа до 142-143 МПа при 30 минутной обработке (¿7сж = -0,022т2 + 1,610т + 134), т.е. повышается предел прочности при сжатии на 11,2%;

* ав увеличивается от 30 МПа до 38-39 МПа при 25-30 минутной обработке (й73 = 0,049т2 - 0,371т + 30);

* аизг возрастает от 132 МПа до 192-195 МПа при 25-30 минутной обработке (<7,3, = 2,229т + 132);

* ан возрастает от 9,9 кДж/м2 до 13,5 кДж/м2 при 25-30 минутной обработке (ач = 0,089т + 9,8), т.е. ударная вязкость повышается на 37,8%;

* НВ увеличивается от 245,4НВ до 262-279 НВ при 20-30 минутной обработке (НВ= 0,02т3 - 0/274т2 + 245,4), т.е. твердость возрастает на 11%.

2.У становление взаимосвязи между видом параметрами предварительных электрофизических воздействий на полимерное связующее и комплексом прочностных свойств стеклопластика: механические свойства стеклопластика при предварительных электрофизических воздействиях НЭМИ или ЭМП незначительно повышаются по мере увеличения продолжительности обработки 25-30 минут; существенное повышение прочностных свойств наблюдается при совместном воздействии НЭМИ и ЭМП:

- осж повышается от 300 МПа до 415-419 МПа (ас;;: = 3,874т + 305), т.е. предел прочности при сжатии возрастает на 38-40%;

- ов увеличивается от 406 МПа до 510 МПа (<73 = 3,916т 4-406), т.е. предел прочности при растяжении возрастает на 25,6%;

- сизг возрастает от 650 МПа до 718-719 МПа ((Т:ЕЗГ = 4,519т + 650), т.е. предел прочности при статическом изгибе возрастает на 10,6%;

- а„ увеличивается от 260 кДж/м2 до 327-328 кДж/м2 (а:, = 4,861т + 260), т.е. ударная вязкость возрастает на 26%;

- НВ возрастает от 300НВ до 345-349НВ (НВ= 1,611т + 300), т.е. твердость возрастает на 15-16%.

3.Установлена взаимосвязь между режимами вибрационной обработки жидкого связующего, его плотностью и механическими свойствами стеклопластиков:

- с увеличением продолжительности виброактивации жидкого связующего плотность отвержденных образцов повышается по экспоненциальной зависимости до 10 минутной обработки; рациональным режимом виброактивации является: частота колебаний 100 Гц и амплитуда колебаний 60 мкм; повышение плотности полимерного связующего под действием механических колебаний связано с дегазацией массы связующего и более равномерным распределением отвердителя в объеме эпоксидного олигомера;

- предел прочности при статическом изгибе аизг изменяется по экстремальной зависимости с максимумом его значения при вибрационном воздействии в течение 5 минут; максимальное значение предела прочности при статическом изгибе (695 МПа) обеспечивается при частоте колебаний 100 Гц и амплитудой колебаний 60 мкм по сравнению с образцами без вибрационного воздействия (650 МПа), что обусловлено снижением угла смачивания, возрастанием степени пропитки наполнителя в виде стеклоткани, а также дегазацией и более равномерным распределением отвердителя в объеме композита;

- при этом ударная вязкость также изменятся в зависимости от времени виброактивации по экстремальной зависимости с максимумом ее значения (280 кДж/м2) при 5 минутной обработке и выбранном режиме виброобработки по сравнению с исходным образцом (260 кДж/м ).

3.Впервые методом растровой электронной микроскопии установлен характер изменения надмолекулярной структуры полимерного связующего от сферолитной к фибриллярной после его совместной обработки НЭМИ и ЭМП:

- структура образца, не подвергнутого воздействию и НЭМИ и ЭМП, сферолитная размерами от 2 до 6 мкм по длине и от 2 до 5 мкм по ширине, сколы рельефные, что свидетельствует о хрупком разрушении образца;

- после электрофизической обработки НЭМИ и ЭМП в течение 25 минут надмолекулярная структура композитов переходит к фибриллярной, что отражается на характере разрушения образца, которое происходит по пластическому механизму;

- при этом изменений химической структуры исследуемого материала не происходит, о чем свидетельствуют результаты ИК-спектроскопии образцов.

4. В связи с тем, что прочность полимерных материалов определяется напряженно-деформированным состоянием их структуры, на основе механической модели разработана методика расчета напряженного состояния деталей, выполненных из стеклопластика, получено математическое выражение, позволяющее оценить напряженно-деформированное состояние материала с учетом присущего полимерным материалам нелинейного характера зависимости напряжений от скорости деформации.

Практическая значимость работы заключается в:

- разработке нового способа формования изделий из эпоксидной смолы основанном на применении предварительного воздействия наносекундными электромагнитными импульсами и электромагнитным переменным полем на полимерное связующее в жидкой фазе; техническая сущность способа защищена патентом на изобретение (№2422273);

разработке и изготовлении экспериментального стенда для осуществления индивидуального и комбинированного электрофизического воздействия на полимерное связующее;

определении значений параметров электрофизического воздействия и вибрационной обработки эпоксидного связующего;

- в изготовлении и испытаниях в производственных условиях опытных конструкций рабочих колес центробежных нагнетателей воздуха

изготовленных из стеклопластика;

Практическая значимость подтверждается внедрением научно-обоснованных рекомендаций по повышению прочностных свойств стеклопластика путем предварительной электрофизической обработки полимерного связующего в производственную деятельность ФГУП «ММПП «Салют» (г. Москва) и ОАО «Дальэнергомаш» (г. Хабаровск).

Апробация результатов работы: Основные результаты работы были представлены на XI международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (г. Пенза, 2007 г.); на VI международной научно-технической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (г. Курск, 2008 г.); на VIII международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г. Брянск, 2009 г.); на международной научно-технической конференции «Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2009 г.); на I конференции «Производители и потребители компрессорной техники» (г. Казань, 2010 г.); на совместном российско-китайском симпозиуме «2011 Joint China-Russia Symposium on Advanced Materials and Processing Technologies»

(г. Харбин, 2011 г.)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том

числе 4 в изданиях рекомендуемых ВАК, получен 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех

глав, заключения, библиографического списка и приложений. Диссертация

изложена на 134 страницах, включает 37 рисунков и 37 таблиц.

Библиографический список составлен из 115 источников.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ МОДИФИКАЦИИ ЭПОКСИДНЫХ СВЯЗУЮЩИХ 1.1 Общая классификация и характеристика стеклопластиков, назначение и области применения

Полимерными композиционными материалами (ПКМ) называются материалы, в которых в качестве матрицы используются различные полимеры (связующие); при этом второй упрочняющий элемент (наполнитель) может иметь любую природу, в том числе и полимерную. Компоненты ПКМ обладают четкой границей раздела фаз, а свойства ПКМ образуются объемным сочетанием компонентов и существенно отличаются от свойств каждого из них.

Непрерывная матрица воспринимает внешние нагрузки и передает их частицам второй фазы. Одновременно матрица останавливает рост трещин, появляющихся при разрушении волокон за счет относительно высокой пластичности или местного отслоения волокна от матрицы. Функция матрицы -перераспределить напряжения между соседними волокнами и остановить рост трещин, появляющихся при разрушении волокон. Последнее достигается за счет пластических деформаций матрицы или местного отслоения волокон от матрицы.

Матрица защищает также наполнитель от вредного воздействия окружающей среды, в первую очередь влаги. При водопоглощении на уровне 5 - 8% масс, прочность и модуль упругости снижаются на 15 - 20%, а теплостойкость (Тс) - на 50 - 100 °С. При выборе матрицы следует уделять внимание соотношению свойств матриц и наполнителей, что определяет вязкость разрушения, трещинностойкость и монолитность ПКМ.

Применяемые, в настоящее время, связующие для ПКМ можно классифицировать следующим образом:

а) по величине молекулярной массы - мономеры, олигомеры, полимеры

(ММ свыше 104);

б) по характеру химических превращений в процессе формования -термопластические (без изменения химического строения), термореактивные (претерпевающие химическое сшивание молекул) и их смеси;

в) по механизму реакций, приводящих к формированию пространственной структуры: полимеризационные (ненасыщенные полиэфиры, малеинаты, акрилаты и т.д.); поликонденсационные (феноло-формальдегидные, кремнийорганические, карбамидные и др); по реакции полиприсоединения (эпоксидные, полиуретановые и т.д.); по реакции циклотримеризации (полибензоксазолы, полибензтиазолы и др.);

г) по форме использования: растворы (в том чис�