Исследование упругих характеристик материала с наличием в структуре нанодисперсного порошка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование упругих характеристик материала с наличием в структуре нанодисперсного порошка

Т.А.Борисова, А.А.Филиппов, В.М.Фомин

Работа посвящена разработке технологии получения гетерогенных материалов и изучению их физико-механических характеристик на основе эпоксидных олигомеров ЭД-20 и Праймер-204, наполненных диоксидом кремния - Таркосилом. Получены экспериментальные зависимости механических характеристик гетерогенного материала от размера и концентрации наполнителя. Максимальный рост модуля Юнга материала составил 23% при 12% объемной концентрации. При использовании ультразвукового диспергирования максимальное увеличение модуля упругости (32%) зафиксировано при 25% объемном содержании нанопорошка. Представлена зависимость модуля Юнга от характерного диаметра наполнителя при постоянной объемной концентрации. Проведено сравнение экспериментальных и теоретических модулей упругости.

Ключевые слова: гетерогенный материал, наночастицы, эпоксидная смола, механические характеристики.

The work is devoted to developing technologies for heterogeneous materials and studying their physical and mechanical characteristics based on epoxy oligomer ED-20 and Praimer-204 filled silica fume -Tarkosil. The experimental dependence of the mechanical properties of heterogeneous material on the characteristic size and concentration of filler was obtained. The maximum rise of Young modulus at 12% volume concentration of filler was 23%. When using ultrasound to maximize the modulus of elasticity (32%) is fixed at 25% nanopowder content. The dependence of Young's modulus of the characteristic size of the filler at a constant concentration was showed. Experimental and theoretical of Young modulus were compared.

Keywords: heterogeneous material, nanoparticles, epoxy resin, mechanical properties. юнг ультразвуковой гетерогенный

В последнее время все большее внимание в технике уделяется созданию новых материалов с заранее известными свойствами. Применимость того или иного материала в конструкции определяется комплексом свойств, включающим соотношение между прочностью и пластичностью, а также вязкостью разрушения и другими свойствами. Гетерогенные материалы являются результатом объемного сочетания разнородных компонентов, один из которых образует матрицу (связующее), а другой (наполнитель) обладает высокой прочностью и определенными функциональными свойствами, в зависимости от выбранного наполнителя[1]. Для экспериментального изучения механических характеристик гетерогенных материалов были подготовлены образцы из двух типов эпоксидной смолы различной вязкости (ЭД-20 и Праймер-204), с добавлением нанодисперсного порошка Таркосил [2]. Полученные образцы испытывались на одноосное нагружение до разрушения по ГОСТ 11262-80. На этапе смешивания нанодисперсного порошка с эпоксидной смолой, возникал ряд проблем, связанных с необходимостью разбиения агломератов частиц и однородного распределения наночастиц в матрице. В качестве метода диспергирования предложено использовать ультразвуковые колебания (УЗК). Применение УЗК позволяет более эффективно разбивать агрегаты частиц и равномерно распределять частицы в объеме, что благотворно сказывается на характеристиках материала. Испытание образцов на растяжение показало, что модуль Юнга гетерогенного материала на основе ЭД-20 при объемной концентрации наполнителя до 12% увеличивается на 23%. При использовании УЗК максимальное увеличение модуля упругости (32%) зафиксировано при 25%-ом содержании нанопорошка. (рис. 1).

Рис 1. Относительный модуль Юнга эпоксидного дисперсно-наполненного материала, полученного механическим и ультразвуковым способами

Оптимальное количество вводимых частиц Таркосила Т-20 (d=5-7 мкм) в смолу Праймер-204 находится в интервале от 17% до 26% объемной концентрации. При данном содержании наполнителя увеличение модуля Юнга составляет 32%. Применение УЗК для данной смолы является нецелесообразным из-за уменьшения прочностных характеристик (рис. 2).

Рис.2 Относительный модуль Юнга эпоксидного дисперсно-наполненного материала, полученного механическим и ультразвуковым способами

Для оценки влияния размеров частиц наполнителя на модуль Юнга, использовалась эпоксидная смола Праймер-204 как менее вязкая, а также УЗД для равномерного размешивания частиц. Концентрация наполнителя выбрана 23% по объему, так как при ней наблюдался максимум для данной смолы (при порошке Таркосил Т-20). При такой концентрации предположительно должен быть достигнут максимальный эффект «упрочнения».

Рис. 3 Зависимость модуля Юнга от характерного размера наполнителя

При уменьшении размера наполнителя при постоянной концентрации наблюдается значительный рост модуля Юнга, причем, чем меньше размер частиц, тем больший наблюдается рост модуля Юнга (рис. 3). С уменьшением размера частиц увеличивается площадь поверхности, на которой происходит адгезия с эпоксидной смолой.

Теоретические методы.

Для аналитической оценки результатов экспериментов предложена математическая модель трехкомпонентного гетерогенного материала, описывающая зависимость модуля Юнга от объемной концентрации компонентов [3]. Для связи компонентов при записи уравнений равновесия использованы гипотезы равенства деформаций или напряжений. Графики зависимостей представлены на рис. 4.

Рис. 4 Зависимость модуля Юнга от концентрации наполнителя

Теоретическая зависимость модуля Юнга при гипотезе равенства напряжений дает хорошее описание экспериментальных данных до концентраций 13 и 23% для ЭД-20 и Праймер-204 соответственно. Дальнейшее падение модуля Юнга может быть связано с увеличением количества пузырьков, вносимых с порошком, которые при нагружении, становятся концентраторами напряжений и центрами трещинообразования.

Заключение

Для увеличения модуля Юнга гетерогенных материалов на основе эпоксидных олигомеров достаточно эффективно использовать нанопорошки диоксида кремния Таркосил. С увеличением концентрации наполнителя до 12-15% модуль Юнга возрастает на 20-25%. Дальнейший рост модуля Юнга обусловлен равномерностью распределения частиц, которую возможно достичь, используя менее вязкую смолу и ультразвуковое диспергирование. Экспериментальные данные хорошо совпадают с предложенной зависимостью на основе равенства напряжений компонентов. Таким образом, зависимость может быть использована для данного типа гетерогенных материалов до концентраций 12-15%. Уменьшение характерного размера наполнителя позволяет достичь более высоких значений модуля Юнга при той же концентрации.

Список литературы

1. Победря Б.Е. Механика композиционных материалов / Б.Е. Победря. - Москва: Издательство московского университета, 1984. - 336 с.

2. Получение нанопорошков испарением исходных веществ на ускорителе электронов при атмосферном давлении / С.П. Бардаханов, А.И. Корчагин, Н.К. Куксанов; и др. // ДАН.. - 2006. - Т.409,№3. - С. 320-323.

3. Влияние нанодисперсных частиц на механические свойства гетерогенного материала: тезисы доклада / А.А. Филиппов, Т.А. Борисова // Авиация и авиационная техника: Всероссийская олимпиада студентов. 2010. - № 8. - С. 380-387.

Размещено на Allbest.ru