Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)


Для цитирования:

Злобина И. В., Бекренев Н. В. О механизме повышения механических характеристик отвержденных полимерных композиционных материалов под действием СВЧ электромагнитного поля // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Физика. 2022. Т. 22, вып. 2. С. 158-169. DOI: 10.18500/1817-3020-2022-22-2-158-169

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
30.06.2022
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 52)
Язык публикации: 
русский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
621-039-419:620.22-419:537.868

О механизме повышения механических характеристик отвержденных полимерных композиционных материалов под действием СВЧ электромагнитного поля

Авторы: 
Злобина Ирина Владимировна, Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю. А.
Бекренев Николай Валерьевич, Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю. А.
Аннотация: 

На основе комплексных экспериментальных исследований микроструктуры отвержденных полимерных композиционных материалов на эпоксидной матрице установлено, что в матрице и межфазном слое при взаимодействии со сверхвысокочастотным электромагнитным полем, энергетические параметры которого не достигают значений, вызывающих деструкцию матричного материала, происходят изменения, способствующие увеличению количества областей контактного взаимодействия «матрица – волокно». В результате повышается связанность армирующих компонентов и равномерность перераспределения внешних нагрузок, что позволяет значимо повысить механические характеристики материала в составе конечного изделия. Показано, что энергетические параметры и время воздействия оказывают значимое, а при определенных соотношениях – экстремальное влияние на механические характеристики полимерных композиционных материалов. Установлено, что на рациональных режимах обработки углепластика обеспечивается повышение предельных напряжений трехточечного изгиба в среднем на 25–42%, межслоевого сдвига – на 14–16%, растяжения – на 7–8%. Показано, что общий независимо от вида наполнителя механизм структурных изменений, способствующих упрочнению отвержденных полимерных композиционных материалов, заключается в совместном действии термического и волнового процессов, в результате которых матрица под действием диэлектрического нагрева до температур 40–70°С временно переходит в высокоэластичное состояние. При этих условиях под действием волновых колебательных процессов, стимулированных электромагнитным полем, повышается вероятность конформационных поворотов звеньев макромолекул и релаксации остаточных напряжений, увеличиваются степень кристалличности и количество упорядоченных надмолекулярных образований в процессе повторного отверждения.

Благодарности: 
Исследования выполнены в рамках проекта СП-5946.2021.3 «Метод повышения функциональных характеристик элементов космических аппаратов из отвержденных полимерных композиционных материалов в условиях воздействия температурного градиента».
Список источников: 
  1. Каблов Е. Н. Материалы и химические технологии для авиационной техники // Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82, № 6. С. 520–530. https://doi.org/10.1134/S1019331612030069
  2. Shivi K. Polymer Composites in Aviation Sector. A Brief Review Article // International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT). 2017. Vol. 6, iss. 6. P. 518–525.
  3. Колобков А. С. Полимерные композиционные материалы для различных конструкций авиационной техники (обзор) // Труды ВИАМ. 2020. № 6–7. С. 38–44. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2020-0-67-38-44
  4. Клименко О. Н., Валуева М. И., Рыбникова А. Н. Полимерные и полимерно-композиционные материалы в спорте (обзор) // Труды ВИАМ. 2020. № 10. С. 81–89.
  5. Ткачук А. И., Загора А. Г., Донецкий К. И., Евдокимов А. А. Связующие для полимерных композиционных материалов, применяемых при строительстве быстровозводимых мостовых сооружений // Труды ВИАМ. 2020. № 12. С. 67–74.
  6. Дориомедов М. С. Российский и мировой рынок полимерных композитов (обзор) // Труды ВИАМ. 2020. № 6–7. С. 29–37.
  7. Михайлин Ю. А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. 2-е изд. СПб. : Научные основы и технологии, 2010. 822 с.
  8. Сатдинов Р. А., Вешкин Е. А., Постнов В. И., Савин С. П., Куликов В. В. Конструктивно-технологические совершенствования в создании пространственносложных конструкций из ПКМ // Труды ВИАМ. 2020. № 9. С. 68–77.
  9. Вешкин Е. А., Сатдинов Р. А., Савицкий Р. С. Подход к выбору технологического режима изготовления ПКМ // Труды ВИАМ. 2021. № 11. С. 103–111.
  10. Старцев В. О., Славин А. В. Стойкость углепластиков и стеклопластиков на основе расплавных связующих к воздействию умеренно холодного и умеренно теплого климата // Труды ВИАМ. 2021. № 5. С. 114–126.
  11. Osswald T., Baur E., Brinkmann S., Oberbach K., Schmachtenberg E. International Plastics Handbook : The Resource for Plastics Engineers. Munich ; Cincinnati : Hanser, 2006. 920 p. https://doi.org/10.3139/9783446407923
  12. Razali N., Sultan M. T. H., Mustapha F., Yidris N., Ishak M. R. Impact Damage on Composite Structures – A Review // The International Journal of Engineering and Science (IJES). 2014. Vol. 3, iss. 7. P. 8–20.
  13. Abrate S. Impact Ingeneering of Composite Structures. Wien ; New York : Springer, 2011. 409 p. https://doi.org/10.1007/978-3-7091-0523-8
  14. Studentsov V. N., Pyataev I. V. Effect of vibration in processes of structure formation in polymers // Russian Journal of Applied Chemistry. 2014. Vol. 87, № 3. P. 352– 354. https://doi.org/10.1134/S1070427214030173
  15. Архангельский Ю. С. Справочная книга по СВЧ-электротермии : справочник. Саратов : Научная книга, 2011. 560 с.
  16. Clark D., Sutton W. Microwave processing of materials. National Materials Advisory Board. Washington : National Academy Press, 1994. 150 р. https://doi.org/10.1146/ANNUREV.MS.26.080196.001503
  17. Thuery J. Microwave : Industrial, Scientific, and Medical Applications. Boston : Artech House Publishers, 1992. 475 p.
  18. Singh I., Bajpaia P. K., Malik D., Sharma A. K., Pradeep K. Feasibility study on microwave joining of ‘green’ composites // Akademeia. 2011. Vol. 1, iss. 1. P. ea0101.
  19. Menéndez J. A., Arenillas A., Fidalgo B., Fernández Y., Zubizarreta L., Calvo E. G., Bermúdez J. M. Microwave heating processes involving carbon materials // Fuel Processing Technology. 2010. Vol. 91, iss. 1. P. 1–8. https://doi.org/10.1016/J.FUPROС.2009.08.021
  20. Yiming W., Liuding W., Hongjing W. Enhanced Microwave Absorption Properties of α-F2O3-Filled Ordered Mesoporous Carbon Nanorods // Materials. 2013. Vol. 6. P. 1520–1529. https://doi.org/10.3390/ma6041520
  21. Kim T., Jaegeun L., Kun-Hong L. Microwave heating of carbon-based solid materials // Carbon Letters. 2014. Vol. 15, № 1. P. 15–24.
  22. Kwak M. Microwave Curing of Carbon-Epoxy Composites : Process Development and Material Evaluation. A thesis submitted to Imperial College London for the degree of Doctor of Philosophy. Imperial College London Department of Aeronautics, 2016. 150 p. https://doi.org/10.25560/39284
  23. Zlobina I. V., Bekrenev N. V. The influence of electromagnatic field microwave on physical and mechanical characteristics of CFRP (carbon fiber reinforced polymer) structural // Solid State Phenomena. 2016. Vol. 870. P. 101–106.
  24. Zlobina I. V. The effect of processing in a SHF electromagnetic field on the parameters of vibro-wave processes generated by the impact of a solid body in cured polymer composite materials under influence of climate factors // Journal of Physics : Conference Series. 2020. Vol. 1515, № 4. Article number 042045. IOP Publishing. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1515/4/042045
  25. Злобина И. В., Бодягина К. С., Павлов С. П., Бекренев Н. В. Теоретико-экспериментальное исследование влияния изменений параметров межфазной зоны отвержденного полимерного композиционного материала под действием микроволнового излучения на его прочностные характеристики // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И. Я. Яковлева. Серия : Механика предельного состояния. 2018. № 4 (38). С. 34–48.
  26. Гаврилов М. А. Особо плотные эпоксидные композиты на основе отходов производства. Пенза : ПГУАС, 2014. 132 с.
  27. Василевич Ю. В., Горелый К. А., Сахоненко С. В., Иванов С. Н. Влияние химической усадки связующего в процессе отверждения на образование остаточных напряжений в цилиндрических оболочках из композита // Теоретическая и прикладная механика : межведомственный сборник научно-методических статей. Министерство образования Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, 2016. Вып. 31. С. 67–72.
  28. Мошинский Л. Эпоксидные смолы и отвердители. Тель-Авив : Аркадия пресс ЛТД, 1995. 371 с.
Поступила в редакцию: 
28.12.2021
Принята к публикации: 
01.02.2022
Опубликована: 
30.06.2022