Экспериментально-теоретическое исследование влияния параметров микроструктуры на механические свойства дисперснонаполненных эластомерных и полимерных композитов

—

дисперснонаполненные эластомерные композиты; полимерные композиты; высокодисперсные частицы наполнители; сверхтонкое измельчение; эффекты упрочнения; структура композитов; параметры микроструктуры; электрореологические эластомеры; ползучесть эластомерных композитов; наноиндентирование; АСМ-микроскопия

Дисперснонаполненные полимерные композиты являются распространёнными конструкционными материалами, изделия из которых применяются во многих отраслях промышленности. Основными компонентами в составе данного класса композитов, которые определяют комплекс их физико-механических свойств, являются полимерная основа (полимерная/эластомерная матрица) и высокодисперсные (субмикро- и нано-) частицы упрочняющего наполнителя, распределенные в объеме полимерной матрицы [1]. В связи с этим, актуальными являются экспериментально-теоретические исследования, направленные на развитие методов количественной оценки параметров микроструктуры дисперснонаполненных эластомерных композитов, поиска взаимосвязи параметров микроструктуры и механических свойств данного класса материалов с целью направленного регулирования их физико-механических характеристик [2, 3]. В работе представлены результаты исследований эффектов упрочнения в дисперснонаполненных эластомерных композитах с применением в качестве наполнителей измельчённых частиц породы шунгит и частиц диоксида кремния, полученных из возобновляемого сырья. В отличие от известных эффектов упрочнения эластомерных композитов, полученных с применением химически синтезированных частиц наполнителя, в настоящей работе частицы получены по запатентованной технологии измельчения (до субмикро- и нано- размеров). Дается анализ эффектам упрочнения в эластомерных композитах с применением в качестве наполнителя измельчённых частиц в сравнении с химически синтезированными частицами углерода и диоксида кремния. Установлено, что определяющим фактором эффекта упрочнения в данных материалах является размер частиц дисперсного наполнителя. Дается анализ параметров микроструктуры образов эластомерных композитов, изготовленных в соответствии с моделью Шкловского - де Жена [3], контролировался параметр $\theta$. Установлено, что важной характеристикой микроструктуры образцов эластомерных композитов с одинаковым исходным размером частиц наполнителя является степень (качество) их диспергирования в эластомерной матрице. На основе проведённых исследований предложен метод количественной оценки качества диспергирования частиц наполнителя в объёме эластомерной/полимерной матрицы и предложен новый параметр $A_k$. Установлено, что параметр $A_k$ коррелирует с рядом механических свойств эластомерных композитов (прочность, сопротивление истиранию [4], удельная работа деформации на разрушение образца, относительный гистерезис и др.). Также приведены результаты исследований взаимосвязи параметров микроструктуры и механических свойств для дисперснонаполненных пластиков на основе полиэтилена (с частицами диоксида кремния) и эпоксидной смолы (с углеродными нанотрубками). Проведён анализ кривых ползучести, полученных в экспериментах по наноиндентированию для эластомерных композитов с различной микроструктурой. Для полученных в ходе эксперимента зависимостей были выбраны такие аппроксимирующие математические функции, параметры которых являются реальными вязкоупругими характеристиками материала. Была определена вязкостная характеристика (составляющая) материала, которая, связана с потерями энергии в образце при деформации. При анализе кривых ползучести применялась комбинированная модель из элементов Максвелла и Кельвина-Фойгта. Установлено, что ползучесть эластомерных композитов заметно зависит от дисперсности частиц наполнителя. Так, в случае добавления субмикрочастиц породы шунгит в состав композита существенно возрастает вязкостная составляющая $\eta_2$ (до 36 %), а добавка микрочастиц породы шунгит приводит к снижению значений упругой и вязкостной составляющей на 8 и 23% соответственно, по сравнению с эталонным образцом. Предложен метод оценки мгновенного и длительного модуля упругости эластомерных композитов по данным ползучести при наноиндентировании. Исследованы электрореологические свойства эластомерных композитов, наполненных микро- частицами полиимидов различного строения (два типа частиц). Установлены параметры микроструктуры (значения параметра $A_k$) данных композитов, при которых для исследованных образцов наблюдается максимальный рост (до десяти раз) значений действительной составляющей комплексного динамического модуля упругости при наведении внешнего электрического поля. При этом отмечается так же рост модуля потерь и некоторое снижение значений $\tan \delta$. Для указанных композитов установлено, что при снижении параметра $A_k$ электрореологический эффект, как правило, возрастает. С применением предложенных методов и подходов разработаны эластомерные композиты с минимальными гистерезисными потерями, улучшенной износостойкостью и упруго-прочностными свойствами для возможного применения в шинной промышленности, а также, эластомерные композиты с улучшенными диссипативными свойствами для конструкций гасителей колебаний.

Название программы финансирования: Грант РНФ 22-19-00678. Номер программы финансирования: 22-19-00678. Организация, предоставившая финансирование: Российский научный фонд.

Поступила: 07.06.2026; Принята: 10.09.2026; Опубликована: 29.10.2026

239-246