Влияние добавления нанопорошков на прочность многослойных композитных материалов

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.

1. Брусенцева 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/s11029-015-9523-6

2. Брусенцева 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.

3. 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.2013.04.017

4. Liu 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.2012.12.015

5. Ryu 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.13.87900

6. Золотарева В. В. Влияние нанопорошков на механические и адгезионные свойства эпоксидных полимеров / Международный журнал гуманитарных и естественных наук. 2016. № 1. С. 141 – 148.

7. 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.

8. Рогов В. Е., Бохоева Л. А., Раднатаров В. Ц. Использование полимерных добавок для уменьшения изнашивания деталей двигателя / Вестник машиностроения. 2016. № 10. С. 60 – 62.

9. Лякишев Н. П. Нанокристаллические структуры — новое направление развития конструкционных материалов / Вестник РАН. 2003. Т. 73. № 5. С. 422 – 428.

10. 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.

11. 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/c9ra10594h

12. Пат. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. Liu D., Malvern L. E. Matrix cracking in impacted glass/epoxy plates / J. Composite Mater. 1987. Vol. 21. N 7. P. 594 – 609. DOI: 10.1177/002199838702100701

21. Batra 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.2011.08.015

22. Backer A., Dutton S., Kelly D. Composite Materials for Aircraft Structures. — Reston, VA: American Institute of Aeronautic and Astronautic, 2004. — 400 p.

23. 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.