Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И. Я. Яковлева

И. В. Злобина, К. С. Бодягина, С. П. Павлов, Н. В. Бекренев

Теоретико-экспериментальное исследование влияния изменений параметров межфазной зоны отвержденного полимерного композиционного материала под действием микроволнового излучения на его прочностные характеристики

621.039.419, 620.22.419, 537.868

—

микроструктура, СВЧ электромагнитное поле, матрица, армирующее волокно, межфазная зона, поверхность, плотность, агломераты, пористость, модуль сдвига, объемный модуль, метод конечных элементов, моделирование.

Приведены результаты расчета эффективного модуля сдвига и эффективного объемного модуля упругости полимерных композиционных материалов (ПКМ), армированных волокнами с использованием метода конечных элементов. Показано, что значение указанных параметров в основном определяется неоднородностью и относительной толщиной межфазного слоя (МФС) <волокно-матрица>. При этом увеличение относительной толщины МФС практически не влияет на указанные параметры в случае монолитности его структу- ры. Наличие дефектов в виде пор приводит к снижению как модуля сдвига, так и объемного модуля. Пористость влияет на уменьшение указанных параметров в большей степени, чем толщина МФС: увеличение относительной толщины слоя в 2 раза при пористости 25% приводит к снижению модулей упругости на (9-10)%, в тоже время при пористости 75% аналогичное увеличение толщины МФС снижение модулей упругости на 79%. Установлено, что при одном и том же значении объема дефектов (пор) уменьшение их размеров приводит к увеличению прочности МФС, выражающемся в росте модуля сдвига на (14,6-23)% в зависимости от толщины при практически неизменной величине объемного модуля. Исследование методами электронной микроскопии при увеличении х5000 микроструктуры полимерных композиционных материалов в области МФС после их взаимодействия с СВЧ электромагнитным полем частотой 2450 МГц в течение 2 минут выявило повышение плотности структуры матрицы и межфазного слоя. Пористость в МФС уменьшилась на (45-47)% при одновременном уменьшении размеров пор на 80-83%, размеры агломератов матрицы уменьшились на 23%, а их количество возросло на 15%. Указанные факты могут способствовать улучшению адгезионного взаимодействия волокон с матрицей. Методом конечных элементов выполнены расчеты модуля сдвига и объемного модуля с учетом определенных в эксперименте изменений микроструктуры МФС, показавшие увеличение указанных параметров ПКМ после воздействия СВЧ электромагнитного поля на (14-20)%, что удовлетворительно согласуется с полученными ранее результатами по увеличению прочности ПКМ при испытаниях на изгиб – (11-16)%, срез – (13-21)% и межслоевой сдвиг – (14-15)%. Выявленное изменение микроструктуры МФС, проявляющееся в снижении его пористости и увеличении точек контактного взаимодействия за счет роста количества мелкодисперсных агломератов, может быть предложено в качестве одного из механизмов повышения прочности отвержденных полимерных композиционных материалов после воздействия СВЧ электромагнитного поля.

Злобина Ирина Владимировна

e-mail: irinka_7_@mail.ru, кандидат технических наук, доцент кафедры технической меха- ники и деталей машин, Саратовский государственный технический университет имени Гага- рина Ю. А., г. Саратов, Россия.

Бодягина Ксения Сергеевна

e-mail: bodksen@mail.ru, аспирант, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А., г. Саратов, Россия.

Павлов Сергей Петрович

e-mail: pspsar@yandex.ru, доктор физико-математических наук, профессор кафедры мате- матики и моделирования, Саратовский государственный технический университет имени Га- гарина Ю. А., г. Саратов, Россия.

Бекренев Николай Валерьевич

e-mail: nikolaj.bekrenev@yandex.ru, доктор технических наук, заведующий кафедрой техни- ческой механики и деталей машин, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А., г. Саратов, Россия.

34–48