Теоретические основы химической технологии, 2021, T. 55, № 4, стр. 545-556

Обобщенные параметры структуры армированных пластиков, их классификация и свойства

И. Д. Симонов-Емельянов a, Н. В. Апексимов a*, С. И. Шалгунов b

a МИРЭА – Российский технологический университет (Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова)
Москва, Россия

b АО “НПО Стеклопластик”
Андреевка, Московская область, Россия

* E-mail: heknegative@mail.ru

Поступила в редакцию 26.11.2020
После доработки 18.02.2021
Принята к публикации 23.03.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Впервые предлагается модель и описание монолитной структуры армированных пластиков в одном направлении (1D-структура) в новых обобщенных и приведенных параметрах (Θ, Θ/В и Θ/Sf), которые позволяют рассматривать структурообразование, с одной стороны, с позиции армирующего волокна с учетом его размеров, упаковки, величины поверхности и содержания, а с другой, полимерной матрицы, представляя ее в виде трех функциональных составляющих: φp = Θ + В + М. Такой подход к созданию структуры армированных полимерных композиционных материалов (АрПКМ), включающий армирующую фазу волокнистого наполнителя и функциональные составляющие полимерной матрицы, более полно учитывает особенности формирования разных типов структур, позволяет провести их классификацию и представлять зависимости свойств в новых обобщенных параметрах, а также проектировать составы с комплексом заданных свойств. Проведена классификация АрПКМ по структурному принципу: неармированные, слабоармированные, среднеармированные, армированные, высокоармированные, предельно армированные и сверхвысокоармированные пластики. Установлены критические значения новых обобщенных и приведенных параметров переходов АрПКМ от одного типа структуры к другому согласно классификации и показано, что структурный переход сопровождается изменением технологических и эксплуатационных свойств армированных пластиков.

Ключевые слова: армированные пластики, структура, обобщенные параметры структуры, свойства

ВВЕДЕНИЕ

Для создания высокопрочных армированных в одном направлении полимерных композиционных материалов (1D-структура) в полимерные матрицы вводят волокнистые наполнители разной природы (стеклянные, углеродные, кварцевые, базальтовые, керамические, металлические, полимерные и др.) и структуры (нити, ленты, жгуты и др.) [1].

В зависимости от содержания волокон в армированных пластиках формируется 1D-структура разных типов. В работе [2] было предложено описать структурообразование с помощью геометрических обобщенных параметров – аср.f, аср.f1, аср.f/d и аср.f1/d, где аср.f – среднестатистическое расстояние между волокнами, аср.f1 – среднестатистическое расстояние между волокнами в сечении по диагонали и d – диаметр волокна). Впервые была предложена модель и классификация армированных полимерных композиционных материалов (АрПКМ) по геометрическому обобщенному параметру aср.f/d: неармированные с aср.f/d ≥ 3.0; слабоармированные с 3.0 ≥ aср.f/d ≥ 1.0; среднеармированные с 1.0 ≥ aср.f/d ≥ 0.5; армированные с 0.5 ≥ aср.f/d ≥ 0.25; высокоармированные с 0.25 ≥ aср.f/d ≥ 0.125; предельно армированные с 0.125 ≥ aср.f/d ≥ 0.0; сверхвысокоармированные с aср.f/d < 0.0. Показано, что технология получения и свойства АрПКМ определяются типом и параметрами формирующихся 1D-структур.

Предложенная классификация АрПКМ по геометрическому обобщенному параметру aср.f/d учитывает характеристики волокнистого наполнителя, его диаметр, упаковку и содержание, однако второй компонент – полимерная матрица, которая формирует монолитный материал, не представлена в модели, что не позволяет в полной мере судить о построении полимерной матрицы и армированной структуры в целом с увеличением содержания армирующей фазы.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Ранее нами в работах [3, 4] для описания структур дисперсно-наполненных полимерных композиционных материалов (ДНПКМ) впервые была предложена модель и ее описание в обобщенных параметрах, учитывающих построение структуры дисперсной фазы и дисперсионной среды (полимерной матрицы). В модели полимерная матрица была представлена в виде трех функциональных составляющих φp = Θ + В + М (где Θ – доля полимерной матрицы для формирования прослоек между дисперсными частицами; В – доля полимерной матрицы для заполнения объема между частицами с прослойками; М – доля полимерной матрицы в граничном (межфазном) слое) [3].

Разработанный подход к формированию и описанию структур ДНПКМ [3, 4] нами впервые предлагается использовать для создания новой модели армированных в одном направлении полимерных композиционных материалов, учитывающей как размеры, упаковку и содержание армирующего наполнителя, так и функциональное построение полимерной матрицы, а также для классификации АрПКМ по новым обобщенным параметрам структуры.

Монолитность структуры АрПКМ можно представить как φf + φp = 1, где φf и φp – доля армирующего наполнителя и полимерной матрицы соответственно.

Полимерную матрицу в АрПКМ представим, по аналогии с ДНПКМ, в виде трех функциональных составляющих как

${{\varphi }_{{\text{p}}}} = \Theta + {\text{В}} + {\text{М}},$
где Θ – доля полимерной фазы-матрицы для формирования прослойки между волокнами; В – доля полимерной матрицы для заполнения объема между волокнами с прослойками; М – доля полимерной матрицы в граничных (межфазных) слоях с толщиной δ.

Составляющие полимерной матрицы Θ, В и М различаются по своей функциональной роли в построении структуры и по вкладу в комплекс технологических и эксплуатационных свойств АрПКМ.

Следует учитывать, что волокно в одном направлении непрерывно и его сечение по длине постоянно, что позволяет представить модель структуры АрПКМ в виде сечения, перпендикулярного ориентации волокна.

На рис. 1 приведена модель АрПКМ (сечение по осям перпендикулярно ориентации волокон), которая включает армирующую фазу – волокно и полимерную матрицу в виде трех функциональных составляющих (Θ + В + М).

Рис. 1.

Модель структуры АрПКМ (в сечении) в обобщенных параметрах.

Обобщенный параметр Θ связан с толщиной формирующихся прослоек полимерной матрицы между волокнами (геометрический обобщенный параметр aср.f/d) и определяет подвижность армированной системы, ее технологические и эксплуатационные свойства.

Ниже приведена формула для расчета обобщенного параметра Θ в АрПКМ:

(1)
$\Theta = {{({{\varphi }_{{{\text{m}}{\text{.f}}}}}--{{f}^{2}}{{\varphi }_{{\text{f}}}})} \mathord{\left/ {\vphantom {{({{\varphi }_{{{\text{m}}{\text{.f}}}}}--{{f}^{2}}{{\varphi }_{{\text{f}}}})} {{{\varphi }_{{{\text{m}}{\text{.f}}}}}}}} \right. \kern-0em} {{{\varphi }_{{{\text{m}}{\text{.f}}}}}}},$
где φm.f – максимальная доля волокна в АрПКМ; φf – содержание волокна в АрПКМ, f2 = (1 + 2δ/d) – коэффициент, учитывающий отношение толщины граничного слоя δ к диаметру волокна d.

В отличие от дисперсного наполнителя, плотность максимальной упаковки (φm.f) жестких волокон значительно выше и составляет при кубической упаковке – 0.785 об. д., а гексагональной – 0.905 об. д. В расчетах часто принимают среднее значение упаковки волокна, равное ~0.845 об. д.

Для реальных волокнистых наполнителей в работе [2] приведены значения φm.f, полученные экспериментально.

Создание монолитного АрПКМ и заполнение объема между волокнами с полимерными прослойками осуществляется с помощью доли полимерной матрицы, которая описывается обобщенным параметром В и рассчитывается как

(2)
$В = [{{(1--{{\varphi }_{{{\text{m}}{\text{.f}}}}})} \mathord{\left/ {\vphantom {{(1--{{\varphi }_{{{\text{m}}{\text{.f}}}}})} {{{\varphi }_{{{\text{m}}{\text{.f}}}}}}}} \right. \kern-0em} {{{\varphi }_{{{\text{m}}{\text{.f}}}}}}}]{{f}^{2}}{{\varphi }_{{\text{f}}}}.$

При развитой поверхности волокна учитывается также доля граничного слоя и значение обобщенного параметра М, которое рассчитывается по формуле

(3)
$М = \left( {{{f}^{2}}--1} \right){{\varphi }_{{\text{f}}}}.$

Следует отметить, что для большинства волокнистых наполнителей с диаметром волокна более ~10 мкм доля граничного слоя в АрПКМ не превышает ~5 об. % и ею в расчетах можно пренебречь.

Для описания построения полимерной матрицы (связующего) в АрПКМ представляет несомненный интерес ввести новый приведенный структурный параметр Θ/В, который учитывает соотношение ее различных составляющих при изменении содержания армирующего волокна.

В многочисленных работах по созданию армированных пластиков и анализу их структуры практически не используется параметр – поверхность волокнистого наполнителя в единице объема АрПКМ (параметр Sf), который указывает на протяженность реальной границы раздела фаз и отражает ее участие в построении структуры.

Для учета поверхности наполнителя и ее влияния на свойства АрПКМ нами предложено ввести новый параметр Sf для описания армированной структуры, который при условии постоянства сечения элементарного волокна можно рассчитать как

(4)
${{S}_{{\text{f}}}} = {{\pi \varphi _{{\text{f}}}^{2}} \mathord{\left/ {\vphantom {{\pi \varphi _{{\text{f}}}^{2}} {d{{\varphi }_{{{\text{m}}{\text{.f}}}}}}}} \right. \kern-0em} {d{{\varphi }_{{{\text{m}}{\text{.f}}}}}}}(\pi {{\varphi }_{{\text{f}}}} + 1).$

Новый приведенный параметр Θ/Sf для описания структуры АрПКМ позволяет учитывать одновременно как полимерную составляющую, так и поверхность волокна, а также их соотношение.

На рис. 2 представлены зависимости обобщенных и новых приведенных параметров (aср.f/d, Θ, Θ/В и Θ/Sf) структуры АрПКМ от содержания волокон φf с диаметром 5 (1), 10 (2) и 20 (3) мкм при их кубической упаковке (φm.f = 0.785 об. д.).

Рис. 2.

Зависимость обобщенных и приведенных параметров aср.f/d (а), Θ (б), Θ/В (в) и Θ/Sf (г) структуры АрПКМ от содержания армирующего волокна φf диаметром 5 (1), 10 (2) и 20 (3) мкм при кубической упаковке (φm.f = 0.785 об. д.).

Представленные на рис. 2 зависимости показывают, что структурные переходы в АрПКМ при изменении содержания волокна, ранее определенные по приведенному геометрическому параметру aср.f/d [2], хорошо коррелируют с приведенными параметрами Θ/В и Θ/Sf.

Линейная зависимость обобщенного параметра Θ от φf для волокон различных диаметров позволяет определять составы армированных пластиков с разной структурой с учетом зависимости Θ = f(aср.f/d).

При переходе к новым обобщающим параметрам структуры АрПКМ, учитывая их классификацию по обобщенному геометрическому параметру aср.f/d, необходимо установить корреляционные зависимости обобщенных и приведенных параметров (Θ, Θ/В и Θ/Sf) от aср.f/d, а также определить критические точки переходов одного типа структуры в другой.

На рис. 3 приведены зависимости между обобщенным (Θ) и приведенными параметрами (Θ/В и Θ/Sf) структуры АрПКМ для волокон диаметром 10 мкм от параметра aср.f/d.

Рис. 3.

Зависимость обобщенных и приведенных параметров Θ (а), Θ/В (б) и Θ/Sf (в) структуры АрПКМ от aср.f/d.

Представленные зависимости между обобщенными (Θ) и приведенными параметрами (Θ/В и Θ/Sf) структуры АрПКМ для волокон диаметром 10 мкм от параметра aср.f/d нелинейны. Перегибы на кривых отвечают структурным переходам в АрПКМ при увеличении содержания армирующего волокна.

Установлены критические точки перехода АрПКМ из одного типа структуры в другой по новым параметрам Θ, Θ/В и Θ/Sf, которые связаны с ранее предложенными значениями по геометрическому параметру aср.f/d = 3.0, 1.0, 0.5, 0.25, 0.125 и 0.0, по которым была проведена классификация АрПКМ [2].

Новый подход к описанию и классификации структуры АрПКМ представляется более полным, так как учитывает не только размеры, упаковку непрерывных волокон, а также функциональное построение полимерной матрицы и площадь поверхности волокон (границу раздела фаз).

В табл. 1 приведены в качестве примера составы и значения обобщенных и приведенных параметров структуры АрПКМ (aср.f/d, Θ, Θ/В и Θ/Sf), рассчитанные для стеклопластиков 1D-структуры со стекловолокном марки ВМП (диаметр волокна 10 мкм, φm.f = 0.785 об. д.) и эпоксидного связующего, а также представлена их классификация по структурному принципу.

Таблица 1.  

Составы и классификация армированных пластиков 1D-структуры по обобщенным и приведенным параметрам

Содержание волокна φf, об. д. Обобщенные и приведенные параметры структуры АрПКМ
Θ, об. д. В, об. д. М, об. д. аср.f/d Θ/В Θ/Sf
Неармированные пластики
0.03 0.96 0.01 0.0 3.2 76 3000
Слабоармированные пластики
0.04 0.95 0.01 0.0 3.0 70.0 1500
0.05 0.94 0.01 0.0 2.5 44 1300
0.10 0.87 0.03 0.0 2.0 29 350
Среднеармированные пластики
0.20 0.75 0.04 0.01 1.0 15.0 75
0.25 0.68 0.07 0.01 0.77 10.00 52
0,30 0.62 0.08 0.02 0.60 7.50 35
Армированные пластики
0.35 0.55 0.08 0.02 0.5 5.0 25
0.40 0.48 0.10 0.02 0.40 4.48 18
0.45 0.4 0.12 0.03 0.32 3.46 13
Высокоармированные пластики
0.50 0.35 0.12 0.03 0.25 2.5 10
0.55 0.28 0.14 0.03 0.19 1.98 12
0.60 0.21 0.16 0.03 0.14 1.4 7
Предельно армированные пластики
0.65 0.15 0.16 0.04 0.1 1.0 3.0
0.70 0.09 0.17 0.04 0.08 0.91 1.6
0.75 0.02 0.19 0.04 0.06 0.56 0.6
0.785 0.0 0.18 0.04 0.0 0.0 0.0
Сверхвысокоармированные пластики
0.80 0.0 0.16 0.04 0.00 0.0 0.00

Значение φf и состав рассчитывают по известным формулам.

В дальнейшем при описании типов структур АрПКМ не будем рассматривать неармированные и слабоармированные типы структур с параметрами аср.f/d ≥ 3.0; 1,0 ≥ Θ ≥ 0.95 об. д.; Θ/B ≥ 70; Θ/Sf ≥ 1500 и 3.0 ≥ аср.f/d ≥ 1.0; 0.95 ≥ Θ ≥ 0.75 об. д.; 70 ≥ Θ/B ≥ 15, 1500 ≥ Θ/Sf ≥ 75, так как они не имеют практического значения.

На основании полученных данных можно представить классификацию армированных материалов 1D-структуры по типам структур и значению обобщенных и приведенных параметров (аср.f/d, Θ, Θ/В, Θ/Sf) при кубической упаковке волокон (φm.f = 0.785 об. д.), приведенную в табл. 2.

Таблица 2.  

Обобщенная классификация армированных пластиков 1D-структуры по обобщенным и приведенным параметрам

Тип структуры Обобщенные и приведенные параметры структуры АрПКМ
аср.f/d Θ, об. д. Sf, м–1 × 103 Θ/В Θ/Sf
Среднеармированные (СрАр) от 1.0 до 0.5 от 0.75 до 0.55 от 1.0 до 22 от 15 до 5 от 75 до 25
Армированные (Ар) от 0.5 до 0.25 от 0.55 до 0.35 от 22 до 35 от 5 до 2.5 от 25 до 10
Высокоармированные (ВАр) от 0.25 до 0.125 от 0.35 до 0.15 от 35 до 50 от 2.5 до 1.0 от 10 до 3
Предельно армированные (ПрАр) от 0.125 до 0.0 от 0.15 до 0.0 от 50 до 80 от 1.0 до 0.0 от 3 до 0.0
Сверхвысокоармированные (СВАр) φf > φm.f,
аср.f/d ≤ 0.0
φf > φm.f,
Θ ≤ 0.0
φf > φm.f,
Sf, ≥80
φf > φm.f,
Θ/B ≤ 0.0
φf > φm.f,
Θ/Sf ≤ 0.0

В зависимости от структурной организации разные типы структур АрПКМ характеризуются разными технологическими и эксплуатационными свойствами, так как структура и ее параметры определяют свойства материалов.

Следует отметить, что зависимости физико-механических и других свойств АрПКМ, представленные от содержания армирующего волокна, не позволяют судить о структуре пластика и ее перестройке при увеличении его содержания.

Алгоритм проектирования составов АрПКМ с заданным типом структуры, а следовательно, и с требуемым уровнем технологических, физико-механических и деформационных свойств заключается в последовательном выполнении следующих операций:

– экспериментально находят значение параметра φm.f для волокнистого наполнителя с известным диаметром d;

– рассчитывают значение обобщенных и приведенных параметров структуры (аср.f/d, Θ, В, Θ/В и Θ/Sf) при разном содержании волокна при условии, что φf ≤ φm;

– по значениям обобщенных и приведенных параметров структуры (аср.f/d, Θ, Θ/В и Θ/Sf) определяют тип структуры АрПКМ (СрАр, Ар, ВАр, ПрАр и СВАр);

– выбирают тип структуры АрПКМ и определяют содержание волокна φf в объемных единицах (об. д. или об. %), содержание полимерной матрицы (связующего) как φp = 1 – φf и проектируют состав АрПКМ с заданным типом структуры;

– проводят пересчет содержания волокна и полимерной матрицы (связующего) с объемных (об. д. или об. %) в массовые единицы (мас. д. или мас. %).

Для доказательства корректности предлагаемого подхода к описанию структуры и свойств АрПКМ и их классификации ниже приведены экспериментальные данные по основным свойствам армированных пластиков (1D-структура) в зависимости от содержания волокна, которые ранее были опубликованы в работах [25]. Результаты работ и зависимости были пересчитаны и перестроены в терминах обобщенных и приведенных параметров для того чтобы доказать, что разные типы структур АрПКМ, согласно предлагаемой классификации, обладают различными характеристиками и структура действительно определяет свойства материалов.

Используя данные работы [2] по демпфирующему коэффициенту Кd стеклопластика, можно показать, что переход от СлАр- к СрАр-структуре АрПКМ происходит при содержании волокна ~0.20 об. д.

На рис. 4 представлены зависимости демпфирующего коэффициента Кd от значений обобщенных и приведенных параметров аср.f/d, Θ, Θ/В и Θ/Sf.

Рис. 4.

Зависимость демпфирующего коэффициента АрПКМ от обобщенных и приведенных параметров аср.f/d (а), Θ (б), Θ/В (в) и Θ/Sf (г) структуры АрПКМ.

На зависимости Kd = f(Θ) четко прослеживается переход структуры стеклопластиков от СлАр к СрАр при соответствующих значениях обобщенного и приведенных параметров, что хорошо коррелирует с данными табл. 1 и значениями параметров для классификации АрПКМ по типам структур.

Переход структуры из СрАр в АР и АР в ВАр можно проследить, используя данные работы [4] по зависимости модуля упругости Еху перпендикулярно ориентации волокна и модуля сдвига Gxx для однонаправленного стеклопластика от содержания армирующего стекловолокна.

На рис. 5 представлены зависимости модуля сдвига Gxx для однонаправленного стеклопластика от значений обобщенных и приведенных параметров аср.f/d, Θ, Θ/В и Θ/Sf.

Рис. 5.

Зависимость модуля сдвига Gxx для однонаправленного стеклопластика от значений обобщенных параметров аср.f/d (а), Θ (б), Θ/В (в) и Θ/Sf (г).

На зависимостях модуля сдвига Gxx для однонаправленного стеклопластика, представленных на рис. 5, отражены характерные точки, которые отвечают за переход системы из СрАр в АР (аср.f/d ≈ ≈ 0.5, Θ ≈ 0.55 Θ/В ≈ 5 и Θ/Sf ≈ 25).

На рис. 6 представлены зависимости модуля упругости Еху для однонаправленного стеклопластика от значений обобщенных и приведенных параметров аср.f/d, Θ, Θ/В и Θ/Sf.

Рис. 6.

Зависимость модуля упругости Exy при нагружении поперек волокон однонаправленного стеклопластика от обобщенных и приведенных параметров аср.f/d (а), Θ (б), Θ/В (в) и Θ/Sf (г) структуры АРПКМ.

На зависимости модуля упругости при нагружении поперек волокон однонаправленного стеклопластика отражены характерные точки, которые отвечают за переход системы из АР в ВАр (аср.f/d ≈ 0.25, Θ/В ≈ 2.5 и Θ/Sf ≈ 10), что согласуется с данными, представленными в работе [2].

Зависимости модуля сдвига АрПКМ Gxx, как и в случае с модулем упругости Еху, отражают переходы одного типа структуры в другой при соответствующих параметрах аср.f/d, Θ, Θ/В и Θ/Sf.

В области высоких содержаний волокна (более 50 об. %) в АрПКМ совместная работа полимерной матрицы и волокна в основном определяется соотношением их деформационных характеристик. В связи с этим структурный переход АрПКМ от ВАр к ПрАр можно проследить на зависимостях деформационных характеристик.

На рис. 7 приведены зависимости отношения деформации в полимерной матрице к деформации в волокне (εху.pху.f), вызванной растяжением вдоль оси у [2, 5], от значений обобщенных параметров аср.f/d (а), Θ (б), Θ/В (в) и Θ/Sf (г).

Рис. 7.

Зависимость εху.pху.f в АрПКМ от значений обобщенных параметров аср.f/d (а), Θ (б), Θ/В (в) и Θ/Sf (г).

Они имеют четкий перегиб в области значений параметров аср.f/d = 0.25, Θ = 0.35 об. д. и Θ/Sf = 10, отвечающим переходу системы из среднеармированной в высокоармированную.

На рис. 8 представлены зависимости отношения деформации полимерной матрицы [2, 5] к деформации армированного композита при разрыве (γху.pху.cm) от обобщенных и приведенных параметров аср.f/d (а), Θ (б), Θ/В (в) и Θ/Sf (г).

Рис. 8.

Зависимость отношения деформации при разрыве полимерной матрицы к деформации АрПКМ γху.pху.cm от обобщенного и приведенных параметров аср.f/d (а), Θ (б), Θ/В (в) и Θ/Sf (г).

На представленных зависимостях наблюдаются характерные точки, соответствующие значениям обобщенных и приведенных параметров аср.f/d ≈ 0.1; Θ ≈ 0.15 об. д.; Θ/В ≈ 1 и Θ/Sf ≈ 3, которые отражают переход структуры АрПКМ от ВАр к ПрАр.

Следует отметить, что при переходе АрПКМ от высокоармированных к предельно армированным существенно ухудшается их переработка и возникают трудности по выбору полимерной матрицы с соответствующими деформационными характеристиками.

Наибольший интерес представляют АрПКМ с максимальной прочностью и модулем упругости.

На рис. 9 приведены зависимости разрушающего напряжения при растяжении (σp) однонаправленного стеклопластика на основе эпоксидианового олигомера при использовании жгута марки ЖС-24/4 (кривая 1) и первичной нити (кривая 2) от обобщенных параметров аср.f/d (а), Θ (б), Θ/В (в) и Θ/Sf (г).

Рис. 9.

Зависимость разрушающего напряжения при растяжении σр однонаправленного эпоксидного стеклопластика от обобщенного и приведенных параметров аср.f/d (а), Θ (б), Θ/В (в) и Θ/Sf (г): 1 – стеклопластик на основе жгута ЖС-24/4; 2 – стеклопластик на основе первичной нити.

Как видно из представленных данных, максимальная прочность соответствует структуре АрПКМ ПрАр при значениях обобщенных и приведенных параметров аср.f/d ≈ 0.1; Θ ≈ 0.15 об. д.; Θ/В ≈ 1.0 и Θ/Sf ≈ 3.

Таким образом, используя алгоритм, можно проектировать структуру и состав АрПКМ с максимальной прочностью с использованием реальных волокнистых наполнителей.

Различия в типах и параметрах структуры АрПКМ обусловливают разные технологические и эксплуатационные свойства, что существенно влияет на выбор метода их переработки в изделия.

На основании анализа многочисленных работ [26], опыта в области переработки АрПКМ и, используя предложенную классификацию по структурному принципу и значениям обобщенного и приведенных параметров структуры, можно рекомендовать следующие методы формования изделий:

– метод контактного формования – для СрАр с 1.0 ≥ аср.f ≥ 0.5; 0.75 ≥ Θ ≥ 0.55 об. д.; 15 ≥ Θ/B ≥ 5; 75 ≥ Θ/Sf ≥ 25;

– контактное формование с вакуумированием, пултрузия, намотка – для Ар с 0.5 ≥ аср.f ≥ 0.25; 0.75 ≥ Θ ≥ 0.35 об. д.; 5 ≥ Θ/B ≥ 2.5; 25 ≥ Θ/Sf ≥ 10;

– формование в автоклавах, пултрузия, намотка – для ВАр с 0.25 ≥ аср.f ≥ 0.1; 0.35 ≥ Θ ≥ 0.15 об. д.; 2.5 ≥ Θ/B ≥ 1.0; 10 ≥ Θ/Sf ≥ 3;

– прессование, намотка, формование в гидроклавах и пресс-камерах – для ПрАр с 0.1 ≥ аср.f ≥ 0.0; 15 ≥ Θ ≥ 0 об. д.; 1.0 ≥ Θ/B ≥ 0; 3 ≥ Θ/Sf ≥ 0 и СВАр с φf > φm.f; аср.f ≤ 0; Θ ≤ 0 об. д.; Θ/B ≤ 0 и Θ/Sf ≤ 0.

На основании представленных экспериментальных данных, а также анализа многочисленных литературных источников, можно заключить, что переходы структуры АрПКМ из СрАр в АР, АР в ВАр и ВАр в ПрАр хорошо описываются в терминах новых обобщенных и приведенных параметров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Новые обобщенные и приведенные параметры, модель структуры и классификация АрПКМ (1D-структура) по структурному принципу полностью отражают процессы структурообразования и изменения свойств с увеличением содержания армирующего наполнителя, что подтверждается экспериментальными данными и технологией переработки армированных пластиков в изделия различными методами.

Полученные данные позволяют по предлагаемому алгоритму проектировать составы АрПКМ с заданной структурной организацией и требуемым уровнем технологических и эксплуатационных свойств, а также рекомендовать методы их переработки в изделия.

ОБОЗНАЧЕНИЯ

асp.f среднестатистическое расстояние между волокнами, мкм
асp.f1 среднестатистическое расстояние между волокнами в сечении по диагонали, мкм
d диаметр волокна, мкм
Еху модуль упругости перпендикулярно ориентации волокна для однонаправленного стеклопластика, ГПа
f2 коэффициент, учитывающий отношение толщины граничного слоя δ к диаметру волокна d
Gxx модуль сдвига для однонаправленного стеклопластика, ГПа
Kd демпфирующий коэффициент АрПКМ, %
Sf поверхность волокнистого наполнителя в единице объема АрПКМ, м
Β доля полимерной матрицы для заполнения объема между волокнами с прослойками, об. д.
γху.cm показатель деформации АрПКМ, %
γху.p показатель деформации при разрыве полимерной матрицы в АрПКМ, %
εху.f показатель деформации в волокне растяжением вдоль оси, %
εху.p показатель деформации в полимерной матрице, вызванной растяжением вдоль оси y, %
Θ доля полимерной фазы-матрицы для формирования прослойки между волокнами, об. д.
Μ доля полимерной матрицы в граничных (межфазных) слоях с толщиной δ, об. д.
σр разрушающее напряжение при растяжении однонаправленного эпоксидного стеклопластика, МПа
φf содержание волокна в АрПКМ, об. д.
φm.f максимальная доля волокна в АрПКМ, об. д.
φp содержание полимера в АрПКМ, об. д

Список литературы

  1. Головкин Г.С., Бунаков В.А. Армированные пластики. М.: МАИ, 1997.

  2. Симонов-Емельянов И.Д. Армированные пластики и их классификация по структурному принципу и перерабатываемости // Пласт. массы. 2016. № 5–6. С. 3.

  3. Симонов-Емельянов И.Д. Построение структур в дисперсно-наполненных полимерах и свойства композиционных материалов // Пласт. массы. 2015. № 9–10. С. 29.

  4. Симонов-Емельянов И.Д. Параметры решетки и структуры дисперсно-наполненных полимерных композиционных материалов с регулируемым комплексом свойств // Констр. композ. матер. 2019. № 3. С. 37.

  5. Кортен Х.Т. Разрушение армированных пластиков. М.: Химия, 1967.

  6. Полимерные композиционные материалы. Свойства. Структура. Технологии / Под ред. Берлина А.А. СПб.: Профессия, 2008.

Дополнительные материалы отсутствуют.