zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2021-87-8-42-50zldm-1470Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ: ПРОЧНОСТЬ, РЕСУРС, БЕЗОПАСНОСТЬTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. MECHANICAL TESTING METHODSВлияние добавления нанопорошков на прочность многослойных композитных материаловThe effect of the addition of nanopowders on the strength of multilayer composite materialsБохоеваЛ. А.BokhoevaL. A.

Любовь Александровна Бохоева

Россия, 670033, г. Улан-Удэ, Ключевская ул., д. 40в/1

Lyubov A. Bokhoeva

40v/1, Klyuchevskaya ul., Ulan-Ude, 670013, Russia

bohoeva@yandex.ruБалдановА. Б.BaldanovA. B.

Алдар Батомункуевич Балданов

Россия, 670033, г. Улан-Удэ, Ключевская ул., д. 40в/1

Aldar B. Baldanov

40v/1, Klyuchevskaya ul., Ulan-Ude, 670013, Russia

РоговВ. Е.RogovV. E.

Виталий Евдокимович Рогов

Россия, 670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, д. 6

Vitaliy E. Rogov

6, Sakhiyanova ul., Ulan-Ude, 670047, Russia

rogov54v@mail.ruЧермошенцеваА. С.ChermoshentsevaA. S.

Анна Сергеевна Чермошенцева

Россия, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5/1

Anna S. Chermoshentseva

5/1, 2-ya Baumanskaya ul., Moscow 105005, Russia

asch@bmstu.ruАминТ.AmeenT.

Топа Амин

Малайзия, 32610, Перак

Малайзия, 21300, Куала-Теренггану

Topa Ameen

Perak, 32610, Malaysia

Kuala-Terengganu, 21300, Malaysia

ameen.topa@utp.edu.myВосточно-Сибирский государственный университет технологий и управленияРоссияEast Siberia State University of Technology and ManagementRussian FederationБайкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наукРоссияBaikal Institute of Nature Management, Siberian branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationМосковский государственный технический университет им. Н. Э. БауманаРоссияBauman Moscow State Technical UniversityRussian FederationТехнологический университет Петронас; Университет Малайзии ТеренггануМалайзияUniversity Technology Petronas; University Malaysia TerengganuMalaysia2021200820218784250Copyright © Бохоева Л.А., Балданов А.Б., Рогов В.Е., Чермошенцева А.С., Амин Т., 20212021Бохоева Л.А., Балданов А.Б., Рогов В.Е., Чермошенцева А.С., Амин Т.Bokhoeva L.A., Baldanov A.B., Rogov V.E., Chermoshentseva A.S., Ameen T.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1470

Модифицирование полимеров наполнителями позволяет изменять их физико-механические свойства. Цель работы — исследование влияния нанодисперсных добавок и других порошкообразных веществ на прочность многослойных композиционных материалов (КМ). Изготовлена серия многослойных композитных образцов на основе стеклоткани и углеродной ткани с добавлением в эпоксидную полимерную матрицу наполнителей с концентрацией 1 и 3 % масс. В качестве наполнителей использовали нанопорошки диоксида кремния Таркосил (Т20, Т50, Т80, Т110), мелкодисперсные порошки меди, коллагена и волокна целлюлозы. Проведены два вида испытаний: на сжатие и на удар. Введение нанопорошка в КМ приводит к изменению прочностных свойств материала, максимальную нагрузку при сжатии выдерживают образцы с наноматериалом Т110 (концентрация 1 и 3 % масс.). Перспективны также композиционные материалы с наполнителями из биоактивного материала и волокон микрокристаллической целлюлозы. Представлены результаты испытаний на удар образцов с наполнителями и компьютерного моделирования процессов соударения и пробивания образцов с использованием программного продукта ANSYS/LS-DYNA. Методика численного моделирования процесса удара позволила исследовать динамику деформирования и разрушения многослойных образцов. Испытания образцов на удар проводили с разными скоростями — от 380 до 450 м/с. При этом наблюдали либо пробивание пластин из КМ, либо повреждение типа расслоения и расщепления. В многослойных композитных образцах с наполнителями при испытании на удар появлялись межслойные дефекты в виде расслоения. Образцы без добавок при ударе пробивались насквозь. Экспериментальные результаты повреждаемости многослойных пластин после удара соответствовали данным компьютерного моделирования.

Modification of polymers with fillers provides the possibility of changing their physical and mechanical properties. The goal of the study is a comprehensive analysis of the effect of nanodispersed additives and other powdery substances on the strength of multilayer composite materials (CM). A series of multilayer composite specimens based on fiberglass and carbon fabric was made with the addition of fillers in a concentration of 1 and 3 wt.% to an epoxy polymer matrix. Nanopowders of silicon dioxide Tarkosil (T20, T50, T80, T110), fine powders of copper, collagen and cellulose fibers were used as fillers. Two types of tests, i.e., for compression and for impact were carried out. The introduction of nanopowders into CM changes their strength properties: the samples added with T110 nanomaterial withstand the maximum compressive load at a concentration of 1 and 3 wt.%. The results of impact tests of the samples with fillers and computer simulation of the impact and punching of the samples using the ANSYS/LS-DYNA software product, are presented. A method for numerical simulation of the impact process has been developed, which provides studying the dynamics of deformation and fracture of multilayer samples. Impact tests of the samples carried out at different values of the impact velocity (from 380 to 450 m/sec) revealed either puncture of the CM plates or damage such as delamination and splitting. In the impact test of multilayer specimens of composite materials with fillers added to the epoxy polymer matrix, the interlayer defects appeared in the form of delamination; samples without additives were pierced through under the impact. The experimental data on the degree of damage to multilayer plates after the impact matched the results of computer simulation.

композиционный материалнанопорошкиобразцыиспытаниесжатиеудармоделированиеcomposite materialnanopowderssamplestestscompressionimpactnumerical simulationReferencesБрусенцева Т. А., Филиппов А. А., Фомин В. М., Смирнов С. В., Веретенникова И. А. Модификация эпоксидной смолы наночастицами диоксида кремния и технология получения композитов на их основе / Механика композитных материалов. 2015. Т. 51. № 4. С. 747 – 756. DOI: 10.1007/s11029-015-9523-6Brusentseva T. A., Filippov A. A., Fomin V. M., Smirnov S. V., Veretennikova I. A. Modification of epoxy resin with silicon dioxide nanoparticles and technology for producing composites based on them / Mekh. Kompozit. Mater. 2015. Vol. 51. N 4. P. 747 – 756 [in Russian]. DOI: 10.1007/s11029-015-9523-6Брусенцева Т. А., Зобов К. В., Филиппов А. А. Базарова Д. Ж, Лхасаранов С. А., Чермошенцева А. С., Сызранцев В. В. Введение нанопорошков и механические свойства материалов на основе эпоксидных смол / Наноиндустрия. 2013. ¹ 3(41). С. 24 – 31.Brusentzeva T. A., Zobov K. V., Filippov A. A. Bazarova D. Zh., Lkhasaranov S. A., Chermoshentseva A. S., Syzrantsev V. V. Introduction of nanopowders and mechanical properties of materials based on epoxy resins / Nanoindustriya. 2013. N 3(41). P. 24 – 31 [in Russian].Lauke B. Effect of particle size distribution on debonding energy and crack resistance of polymer composites / Comp. Mater. Sci. 2013. Vol. 77. P. 53 – 60. DOI: 10.1016/j.commatsci.2013.04.017Lauke B. Effect of particle size distribution on debonding energy and crack resistance of polymer composites / Comp. Mater. Sci. 2013. Vol. 77. P. 53 – 60. DOI: 10.1016/j.commatsci.2013.04.017Liu L., Li L., Gao Y. Single carbon fiber fracture embedded in an epoxy matrix modified by nanoparticles / Composites Sci. Technol. 2013. Vol. 77. P. 101 – 109. DOI: 10.1016/j.compscitech.2012.12.015Liu L., Li L., Gao Y. Single carbon fiber fracture embedded in an epoxy matrix modified by nanoparticles / Composites Sci. Technol. 2013. Vol. 77. P. 101 – 109. DOI: 10.1016/j.compscitech.2012.12.015Ryu S.-R., Lee J.-M., Lee D.-J. Effects of surface treatments and silica size of mechanical properties of silica-reinforced elastomeric composites / Rubber Chem. Technol. 2014. Vol. 87. N 2. P. 264 – 275. DOI: 10.5254/rct.13.87900Ryu S.-R., Lee J.-M., Lee D.-J. Effects of surface treatments and silica size of mechanical properties of silica-reinforced elastomeric composites / Rubber Chem. Technol. 2014. Vol. 87. N 2. P. 264 – 275. DOI: 10.5254/rct.13.87900Золотарева В. В. Влияние нанопорошков на механические и адгезионные свойства эпоксидных полимеров / Международный журнал гуманитарных и естественных наук. 2016. № 1. С. 141 – 148.Zolotareva V. V. Influence of nanopowders on the mechanical and adhesive properties of epoxy polymers / Mezhdunar. Zh. Gumanit. Estestv. Nauk. 2016. N 1. P. 141 – 148 [in Russian].Покровский А. М., Чермошенцева А. С. Экспериментальное исследование влияния нанодобавок на свойства композиционных материалов с межслойными дефектами / Вестник Московского авиационного института. 2017. Т. 24. № 3. С. 212 – 221.Pokrovsky A. M., Chermoshentseva A. S. Experimental study of the effect of nanoadditives on the properties of composite materials with interlayer defects / Vestn. Mosk. Aviats. Inst. 2017. Vol. 24. N 3. P. 212 – 221 [in Russian].Рогов В. Е., Бохоева Л. А., Раднатаров В. Ц. Использование полимерных добавок для уменьшения изнашивания деталей двигателя / Вестник машиностроения. 2016. № 10. С. 60 – 62.Rogov V. E., Bokhoeva L. A., Radnatarov V. L. The use of polymer additives to reduce wear of engine parts / Vestn. Mashinostr. 2016. N 10. P. 60 – 62 [in Russian].Лякишев Н. П. Нанокристаллические структуры — новое направление развития конструкционных материалов / Вестник РАН. 2003. Т. 73. № 5. С. 422 – 428.Lyakishev N. P. Nanocrystalline structures — a new direction in the development of structural materials / Vestn. RAN. 2003. Vol. 73. N 5. P. 422 – 428 [in Russian].Борисова Т. А., Филипов А. А., Фомин В. М. Исследование упругих характеристик материала с наличием в структуре нанодисперсного порошка / Известия Алтайского государственного университета. 2012. ¹ 1. С. 20 – 21.Borisova T. A., Filipov A. A., Fomin V. M. Investigation of the elastic characteristics of a material with the presence of nanodispersed powder in the structure / Izv. Altai. Gos. Univ. 2012. N 1. P. 20 – 21 [in Russian].Alamry A., Andri A. Properties of multifunctional composite materials based on nanomaterials: a review / RSC Adv. 2020. N 10. P. 16390 – 16403. DOI: 10.1039/c9ra10594hAlamry A., Andri A. Properties of multifunctional composite materials based on nanomaterials: a review / RSC Adv. 2020. N 10. P. 16390 – 16403. DOI: 10.1039/c9ra10594hПат. 2715188 Российская Федерация, МПК B32B27/18, B82Y30/00 Способ получения слоистого пластика / Рогов В. Е., Бохоева Л. А., Чермошенцева А. С.; заявитель и патентообладатель ООО МИП «Байкальский научный центр прочности». — № 2018130189; заявл. 20.08.18; опубл. 21.02.20, Бюл. № 6.RF Pat. 2715188, IPC B32B27 / 18, B82Y30 / 00 Method of producing laminated plastic / Rogov V. E., Bokhoeva L. A., Chermoshentseva A. S.; applicant and patentee of OOO MIP «Baikal’skii nauchnyi tsentr prochnosti». Publ. 02/25/2020. Byull. N 6.Бохоева Л. А., Бочектуева Е. Б. Исследование на сжатие слоистых композитов. — В сб.: III Международная конференция молодых ученых по современным проблемам материалов и конструкций. — Улан-Удэ: Изд-во БГУ, 2019. С. 173 – 179.Bokhoeva L. A., Bochektueva E. B. Compression study of layered composites / III Int. Conf. of young scientists on modern problems of materials and structures. — Ulan-Ude: Izd. BGU, 2019. P. 173 – 179 [in Russian].Зелепугин А. С., Зелепугин С. А. Численное моделирование разрушения многослойных композитов «титан – триалюминид титана» при высокоскоростном ударе / Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2017. № 11 – 2. С. 194 – 198.Zelepugin A. S., Zelepugin S. A. Numerical simulation of the destruction of multilayer composites «titanium – titanium trialuminide» under high-speed impact / Mezhdunar. Zh. Prikl. Fundam. Issl. 2017. N 11 – 2. P. 194 – 198 [in Russian].Синельников Э. Г., Житный М. В., Гончаров П. С., Тимофеев Н. М. Результаты экспериментальных исследований высокоскоростного удара по разнесенной экранной защите / Известия Тульского государственного университета. 2019. № 6. С. 144 – 150.Sinelnikov E. G., Zhitny M. V., Goncharov P. S., Timofeev N. M. Results of experimental studies of high-speed impact on spaced shield protection / Izv. Tul’skogo Gos. Univ. 2019. N 6. P. 144 – 150 [in Russian].Мягков Н. Н., Шумихин Т. А. Экспериментальное и численное исследование высокоскоростного взаимодействия ударника с дискретными экранами / Вестник Нижегородского университета им Н. И. Лобачевского. 2011. № 4(4). С. 1648 – 1650.Myagkov N. N., Shumikhin T. A. Experimental and numerical study of high-speed interaction of a striker with discrete screens / Vestn. Nizhegorodskogo Univ. im N. I. Lobachevskogo. 2011. N 4(4). P. 1648 – 1650 [in Russian].Бохоева Л. А., Бочектуева Е. Б., Балданов А. Б., Курохтин В. Ю. Расчет прочности слоистых плоских экранов при ударе с использованием CAD/CAE-систем. — В сб.: III Международная конференция молодых ученых по современным проблемам материалов и конструкций. — Улан-Удэ: Изд-во БГУ, 2019. С. 281 – 287.Bokhoeva L. A., Bochektueva E. B., Baldanov A. B., Kurokhtin V. Yu. Calculation of the impact strength of laminated flat screens using CAD/CAE-systems / III Int. Conf. of Young Scientists on Modern Problems of Materials and Structures. — Ulan-Ude: Izd. BGU, 2019. P. 281 – 287 [in Russian].Putzar R., Schäfer F. K. Experimental space debris simulation at EMI’s calibre 4 mm two-stage light gas gun / Conf. Proc. 5th European Conference on Space Debris, Darmstadt, Germany. 2009.Putzar R., Schäfer F. K. Experimental space debris simulation at EMI’s calibre 4 mm two-stage light gas gun / Conf. Proc. 5th European Conference on Space Debris, Darmstadt, Germany. 2009.Opiela J. N., Liou J.-C., Anz-Meador P. D. Micrometeoroid and Orbital Debris Impact Feature Size and Position Data Collected During the Post-Flight Survey of the Hubble Wide Field Planetary Camera 2. NASA/TP-2012-217359. 2012.Opiela J. N., Liou J.-C., Anz-Meador P. D. Micrometeoroid and Orbital Debris Impact Feature Size and Position Data Collected During the Post-Flight Survey of the Hubble Wide Field Planetary Camera 2. NASA/TP-2012-217359. 2012.Liu D., Malvern L. E. Matrix cracking in impacted glass/epoxy plates / J. Composite Mater. 1987. Vol. 21. N 7. P. 594 – 609. DOI: 10.1177/002199838702100701Liu D., Malvern L. E. Matrix cracking in impacted glass/epoxy plates / J. Composite Mater. 1987. Vol. 21. N 7. P. 594 – 609. DOI: 10.1177/002199838702100701Batra R. C., Gopinath G., Zheng J. Q. Damage and failure in low energy impact of fiberreinforced polymeric composite laminates / Composite Struct. 2012. Vol. 94. N 2. P. 540 – 547. DOI: 10.1016/j.compstruct.2011.08.015Batra R. C., Gopinath G., Zheng J. Q. Damage and failure in low energy impact of fiberreinforced polymeric composite laminates / Composite Struct. 2012. Vol. 94. N 2. P. 540 – 547. DOI: 10.1016/j.compstruct.2011.08.015Backer A., Dutton S., Kelly D. Composite Materials for Aircraft Structures. — Reston, VA: American Institute of Aeronautic and Astronautic, 2004. — 400 p.Backer A., Dutton S., Kelly D. Composite Materials for Aircraft Structures. — Reston, VA: American Institute of Aeronautic and Astronautic, 2004. — 400 p.Clark G., Saunders D. S. Morphology of impact damage growth by fatigue in carbon fiber composite laminates / Mater. Forum. 1991. Vol. 15. P. 333 – 342.Clark G., Saunders D. S. Morphology of impact damage growth by fatigue in carbon fiber composite laminates / Mater. Forum. 1991. Vol. 15. P. 333 – 342.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.