Идентификация свойств монослоя в углепластике с наномодифицированной матрицей

Металлургия и материаловедение

Материаловедение

2017. Т. 24. № 2. С. 197-208.

Авторы

Чжо А. Л.1*, Артемьев А. В.1, Рабинский Л. Н.2**, Афанасьев А. В.3, Семенов Н. А.4, Соляев Ю. О.5***

1. Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Волоколамское шоссе, 4, Москва, A-80, ГСП-3, 125993, Россия
2. Институт общеинженерной подготовки (Институт № 9),
3. Нанотехнологический центр композитов, НЦК, Волгоградский проспект, 42, корп.5, Москва, 109316, Россия
4. Институт прикладной механики РАН, ИПРИМ РАН, Ленинский проспект, 32а, Москва, В-334, ГСП-1, 119991, Россия
5. Институт прикладной механики Российской академии наук, Ленинградский проспект, 7, Москва, 125040, Россия

*e-mail: kyawaung@mail.ru
**e-mail: f9_dec@mai.ru
***e-mail: yurysolyaev@ya.ru

Аннотация

Представлены результаты идентификации упругих и термоупругих характеристик монослоя в образцах углепластика, изготовленного с применением эпоксидной матрицы, содержащей 0,2 масс.% фуллереновой сажи. Свойства монослоя композитов найдены в результате механических испытаний композитов с различными схемами армирования и решения соответствующей обратной задачи. Также получены оценки свойств монослоя с использованием микромеханического аналитического и численного моделирования и решения соответствующих задач осреднения. Показано, что в отличие от прогнозируемого повышения поперечного модуля упругости монослоя, в экспериментах установлено его снижение. Также из экспериментов следует значительное снижение коэффициента Пуассона монослоя, которое не прогнозируется в расчетах. Полученные результаты свидетельствуют об охрупчивании матрицы при использовании выбранной методики наномодификации и необходимости снижения объемного содержания включений.

Ключевые слова

механические свойства углепластика, монослой, идентификация свойств, математическое моделирование, наномодификация, прочность комозита, фуллереновая сажа

Библиографический список

  1. Njuguna J. Structural Nanocomposites: Perspectives for Future Applications. – Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2013. – 272 p.

  2. Thomas S., Zaikov G., Meera V. Recent Advances in Polymer Nanocomposites: Synthesis and Characterisation. – CRC Press, Florida, USA, 2010. – 438 p.

  3. Jiang Z., Zhang H., Zhang Z., Murayama H. & Okamoto K. Improved bonding between PAN-based carbon fibers and fullerene-modified epoxy matrix. // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2008. No. 39(11), pp. 1762 – 1767.

  4. Keskin R., Gocek I. & Ozkoc G. Mechanical and Morphological Properties of Buckminster Fullerene (C60) Added Glass Fiber Reinforced Polyamide 66 Multiscale Composites // Advanced Materials Research. 2015. Vol. 1119, pp. 218 – 222.

  5. Ogasawara T., Ishida Y., & Kasai T. Mechanical properties of carbon fiber/fullerene-dispersed epoxy composites // Composites Science and Technology. 2009. No. 69(11-12), pp. 2002 – 2007.

  6. Rafiee M.A., Yavari F., Rafiee J. & Koratkar N. Fullerene-epoxy nanocomposites-enhanced mechanical properties at low nanofiller loading // Journal of Nanoparticle Research. 2011. No. 13(2), pp. 733 – 737.

  7. Zuev V.V. The mechanisms and mechanics of the toughening of epoxy polymers modified with fullerene 60 // Polymer Engineering & Science. 2012. Vol. 52. Issue 12, pp. 2518 – 2522.
  8. Lu C.-T., Weerasinghe A., Maroudas D. & Ramasubramaniam A.A Comparison of the Elastic Properties of Graphene – and Fullerene-Reinforced Polymer Composites: The Role of Filler Morphology and Size // Scientific Reports. 2016. No. 6 (August), p. 31735.

  9. Han S., Lin J. T., Yamada Y. & Chung D.D.L. Enhancing the thermal conductivity and compressive modulus of carbon fiber polymer-matrix composites in the through-thickness direction by nanostructuring the interlaminar interface with carbon black // Carbon. 2008. Vol. 46. No. 7, pp. 1060 – 1071.

  10. Artemiev A. V., Afanasiev A. V., Rabinskiy L.N., Lin Jo Aung. Mechanical Properties of Carbon Fiber-Reinforced Plastic Containing Additions of Fullerene Soot // Nanomechanics Science and Technology: An International Journal. 2015. Vol. 6. Issue 4, pp. 251 – 260.

  11. Васильев В.В., Протасов В.Д., Болотин В.В. и др. Композиционные материалы: Справочник / Под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. – М.: Машиностроение, 1990. – 512 с.

  12. Jones R.M. Mechanics of Composite Materials. – CRC Press, Florida, USA, 1998. – 538 p.

  13. Смердов А.А., Смердова О.А., Таирова Л.П., Цветков С.В., Тащилов С.В., Магнитский И.В. Экспериментальное исследование жесткостных и прочностных характеристик углепластика // Конструкции из композиционных материалов. 2009. № 3. С. 68 – 82.

  14. Смердов А.А., Таирова Л.П., Тимофеев А.Н., Шайдуров В.С. Методика проектирования и экспериментальной отработки размеростабильных трубчатых стержней из углепластика // Конструкции из композиционных материалов. 2006. № 3. С. 12 – 23.

  15. Таирова Л.П. Оценка корректности экспериментальных данных с помощью идентификации характеристик слоя по результатам испытаний многослойных образцов // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. № 7(19). С. 9.

  16. Смердов А.А., Таирова Л.П. Идентификация характеристик упругости и прочности однонаправленного слоя многослойных углепластиков – особенности реализации при исследовании влияния нанодобавок // Конструкции из композиционных материалов. 2015. № 2(138). С. 52 – 58.

  17. Mori T., Tanaka K. Average stress in matrix and average elastic energy of materials with misfitting inclusions // Acta Mettall. 1973. Vol. 21, pp. 571 – 574.

  18. Hashin Z., Rosen B.W. The elastic moduli of fibre-reinforced materials // Journal of Applied Mechanics. 1964. Vol. 31, pp. 223 – 232.

  19. Кристенсен Р. Введение в механику композитов. – М.: Мир, 1982. – 336 с.

  20. Younes R., Hallal A., Fardoun F. and Chehade F.H. Comparative Review Study on Elastic Properties Modeling for Unidirectional Composite Materials // Composites and Their Properties. Edited by Ning Hu. – InTech Open Access Publisher. 2012. C. 391 – 408.

  21. Lurie S.A., Solyaev Yu.O., Nguen D.Q., Dudchenko A. A., Artemiev A.V., Rabinskiy L.N. Experimental investigation and modeling of the thermocycling effect on the mechanical properties of the CFRP // Composites: Mechanics, Computations, Applications: An International Journal. 2015. Vol. 6. Issue 4, pp. 279 – 291.

  22. Нгуен Дак Куанг. Влияние термоциклических нагрузок на механические характеристики материала композитных панелей: Дисс. ... канд. техн. наук. – М.: МАИ, 2015.  121 с.

  23. Hucho C., Kraus M., Maurer D., Muler V., Werner H., Wohlers M. & Schlogl R. Elastic Properties of Fullerenes // Molecular Crystals and Liquid Crystals. 1994. No. 245(1), pp. 277 – 282.

  24. Kadish K.M., Ruoff R.S. Fullerenes: Chemistry, Physics, and Technology. John Wiley & Sons, 2000. 984 p.

  25. Jean A., Willot F., Cantournet S., Forest S. & Jeulin D. Large-scale computations of effective elastic properties of rubber with carbon black fillers // International Journal for Multiscale Computational Engineering. 2011. No. 9(3), pp. 271 – 303.

  26. Carbon and Graphite have the following unique characteristics characteristics, http://www.tokaicarbon.co.jp/en/products/fine_carbon/characteristics.html

  27. Harik V. Тrends in Nanoscale Mechanics: Mechanics of Carbon Nanotubes, Graphene, Nanocomposites and Molecular Dynamics. – Springer Science+Business Media Dordrecht, 2014. – 254 p.

  28. Afanasiev A.V., Nguyen D.Q., Dudchenko A.A., Solyaev Y.O. Modeling of fiber whiskerization impact on the residual stress-strain state of layered composites // Nanomechanics Science and Technology: An International Journal. 2014. Vol. 5. No. 3, pp. 229 – 238.

  29. Афанасьев А.В., Нгуен К., Соляев Ю.О., Рабинский Л.Н., Дудченко А.А. Моделирование влияния параметров вискеризации волокон на остаточное напряженно-деформированное состояние слоистых композитов // Механика композиционных материалов и конструкций. 2014. Т. 20. № 3. С. 333 – 342.

  30. Дудченко А. А., Лурье С.А., Шумова Н.П. Особенности свойств матрицы в окрестности жесткой наночастицы // Вестник Московского авиационного института. 2009. Т. 16. № 5. С. 144 – 148.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2023