Исследование влияния магнитных воздействий на прочностные характеристики модифицированных эпоксидных композиционных материалов

Введение

Объемы производства, масштабы потребления и области применения композиционных материалов (КМ) на основе порошковых наполнителей показывают ежегодную положительную динамику. Об этом свидетельствуют данные мирового рынка полимерных материалов. Так, за 2020 год объем мирового рынка полимерных КМ составил приблизительно 13 млн т [1].

Наряду с этим актуальность разработки полимерных композиционных материалов подтверждает дорожная карта «Технет», формирующая контуры развития передовых производственных технологий в Российской Федерации [2]. Согласно данной дорожной карте развитие и применение КМ с управляемой микроструктурой входят в одно из ключевых направлений развития передовых производственных технологий.

Для изготовления композиционных структур на основе порошковых наполнителей в качестве основной матрицы наибольшее распространение получили термопластичные полимеры и эпоксидные смолы [3]. Применение термопластичных полимеров позволяет получать КМ с широким спектром механических характеристик, благодаря которым варьируются свойства и области применения полимерных композиций [4; 5]. В то же время их сочетание не всегда позволяет получать композиты со стабильным уровнем физико-механических свойств.

Одним из путей устранения этого недостатка представляется комплекс мер с добавлением различных армирующих наполнителей, направленных на улучшение адгезионной связи КМ [6; 7] и его прочностных характеристик [8]. Структура получаемых дисперсий позволяет достичь усиления полимеров после наполнения, преимущественно за счет формирования структурированных слоев [9], агрегативно-кластерной структуры наполнителя [10] и кристаллов [11].

К примеру, авторы [12] рассмотрели возможность усиления прочности и стойкости эпоксикомпозитов путем их наполнения карбидом кремния и нитридом титана, что привело к существенному повышению микротвердости (в 1,5–2,0 раза) и увеличению предела прочности при сжатии (на 9 %).

В последнее время комплекс мер совершенствования физико-механических характеристик композиционных материалов расширился спектром электрофизических методов. Так, при создании КМ разработаны методы воздействия сильного статического магнитного поле [13; 14], импульсных магнитных колебаний [15] и наложения магнитного поля вращающихся диполей (МПВД) [16]. Последний представляет собой эффективный способ, обеспечивающий возможность управления структурой укладки порошковых частиц в КМ, и при этом не требует значительных энергетических затрат.

Целью работы являлось исследование влияния магнитного поля вращающихся диполей на прочностные и структурные характеристики композиционных материалов на основе порошкового железа и алюминия.

Методика исследований
Материалы

В качестве основной рабочей композиции использовали микрочастицы железа марки ПЖВ1.160.26 (ГОСТ 9849-86) и алюминиевую пудру марки ПАП-2 (ГОСТ 5494-95). В качестве матричного материала выбрана смесь диановой смолы ЭД-20 (ГОСТ 10587-84) и полиэтиленполиамина (ПЭПА) в соотношении 5:1.

Технология получения композитов

Подготовку к формированию конечных модифицированных эпоксидных композиционных образцов осуществляли в соответствии с блок-схемой (рис. 1) согласно запатентованной технологии. В качестве порошкового наполнителя были рассмотрены отдельно частицы порошкового железа и смесь порошкового железа и Al-частиц в массовом соотношении 7:3. Композицию на базе смолы ЭД-20 смешивали в пластиковом цилиндре с внутренним диаметром 20 мм в массовой пропорции 1:1 с порошковым наполнителем, состоящим из микрочастиц железа марки ПЖВ1.160.26 (70 мас. %) и алюминиевой пудры ПАП-2 (30 мас. %). Далее в композицию вводили 1/5 (от массы смолы) отвердителя ПЭПА. Полученные композиции подвергали термической обработке (t = 90 °C) в течение 1–2 мин (для удаления газовой пористости) и разливали в формы. Далее образцы извлекали из формы для дальнейшего исследования.

В результате было получено 4 образца КМ, имею­щих одинаковые геометрические параметры – диаметр 20 мм, длину 20 мм. Два из них с компози­циями из микрочастиц Fe–Al (FAM) и Fe (FM) были получены с применением технологии магнитного поля вращающихся диполей (рис. 2) с величиной магнитной индукции 0,5–0,7 Тл [17; 18], а два других (FA и F) – без нее.

Анализ прочностных характеристик

В качестве испытательного оборудования использовался гидравлический пресс с автоматизированным управлением ИП-100М-авто, предназначенный для нагружения образцов статической нагрузкой при испытаниях на сжатие и изгиб.

Скорость нагружения была установлена на уровне 1 мм/мин. По результатам эксперимента строилась кривая «нагрузка – деформация при сжатии». По полученным данным определялось разрушающее напряжение при сжатии и рассчитывалась относительная деформация образцов. Для определения величины деформации во время процесса сжатия осуществлялась видеофиксация с высокой частотой кадров, позволившая получить точные значения.

Разрушающее напряжение при сжатии (σ, МПа) вычисляли по формуле

σ = F/A,

где F – максимальное значение прочности на сжатие, Н; A – площадь сечения исследуемого образца, мм².

Относительную деформацию сжатия при разрушении определяли по уравнению

\[\varepsilon  = \frac{{\Delta h}}{{{h_0}}} \cdot 100\,\,\% ,\]

где ∆h – величина деформации, мм; h₀ – исходная высота образца, мм.

В ходе испытаний визуально наблюдали за поведением образцов. По окончании экспериментов все образцы фотографировали для анализа характера разрушений.

Исследование микроструктуры, элементного состава и распределения компонентов в полученных образцах КМ осуществляли с помощью сканирующего электронного микроскопа EVO HD 15 («Carl Zeiss», Великобритания/Германия) в режиме низкого вакуума (EP, 70 Па) при ускоряющем напряжении 20–25 кВ.

Результаты и их обсуждение
Исследование прочностных характеристик

На основании полученных в ходе испытаний данных построены графики зависимости деформации от нагрузки (рис. 3). При сжатии КМ с порошковым наполнителем основная нагрузка приходится на матрицу, так что после ее разрушения величина нагрузки резко снижается. По диаграммам сжатия цилиндрических образцов, представленных на рис. 3, видно, что объемное деформирование композиционных материалов вызывает их размягчение, причем большее для образцов без применения МПВД.

Полученное в результате исследования разрушающее напряжение при сжатии образцов представлено в таблице. Анализируя полученные результаты, стоит отметить, что наиболее прочным (57,5 МПа) оказался КМ на базе наполнителя из Fe–Al, подвергнутый МПВД.

Сравнительный анализ механических характеристик КМ, полученных с наложением МПВД и без него, показал, что образцы с МПВД выдерживают бóльшую нагрузку, что обусловлено более плотному, структурированному распределению частиц в эпоксидной матрице [19].

Сравнивая твердость образца (44 МПа), имеющего в своем составе только эпоксидную смолу, можно видеть, что у КМ с наполнителем из частиц Fe–Al, полученного с помощью технологии МПВД, этот показатель выше на 30 % (57,5 МПа). При сравнении образцов с наполнителем Fe–Al показатель твердости увеличился на 16,6 % при наложении МПВД.

Рядом авторов был отмечен армирующий эффект от введения дисперсных систем в полимерные матрицы [20]. Так, кремниевая микроразмерная добавка способствовала улучшению прочностных характеристик на 10–15 % [21]. При этом добавление наночастиц кремния позволило увеличить прочность на сжатие эпоксидных композитов на 30 % [22].

Визуальный анализ исследуемых КМ показал, что при сжатии они подвергались хрупкому разрушению (рис. 4). В образцах, полученных с помощью технологии МПВД, образовались трещины по наклонным плоскостям, а у образцов без воздействия МПВД – по продольным. Возможной причиной различия в характере разрушений является упаковка частиц в полимерной матрице, о чем также свидетельствует различие в плотности рассматриваемых композиционных материалов (см. таблицу).

Микроскопический анализ
и карты распределения компонентов
в образцах композиционных материалов

На рис. 5 представлен срез поверхности КМ, полученных с применением МПВД и без него. Видно, что основным отличием является наличие воздушных раковин в образце, изготовленном без воздействия МПВД.

Для анализа однородности распределения частиц в КМ были составлены карты распределения компонентов в структуре материала для образцов FA и FAM (рис. 6). Видно, что магнитное поле вращающихся диполей позволяет получить более равномерное их распределение, без образования агломератов частиц.

Заключение

В ходе работы проведено сравнительное экспериментальное исследование прочности при сжатии эпоксидных композиционных материалов цилиндрической формы на базе частиц Fe–Al и Fe. В результате установлено, что образец, полученный при помощи технологии МПВД и имеющий в своем составе частицы Al, оказался самым прочным. Его прочность на сжатие была на 14 % выше, чем у образца без применения МПВД. Это вызвано тем, что воздействие МПВД позволяет удалять возникающую в процессе механосинтеза газовую пористость и раковины во внутренней структуре материала за счет использования процесса, характеризующегося магнитным вакуумированием.

Получаемые эпоксидные КМ могут быть использованы в качестве конструкционных материалов в авиационной и космической отраслях промышленности, а также в качестве материалов адсорберов в радиотехнической аппаратуре и микроэлектронике.