Введение к работе
Актуальность темы. Пленки, мембраны и покрытия находят широкое применение во всех отраслях производства и жизнедеятельности. Они получают широкое распространение в космической технике в качестве солнечных парусов и тепло светозащитных элементов. Большое применение находят пленки и мембраны в машиностроении: в качестве композиционных мембран в пневматических насосах и корректорах подачи топлива, в различных дыхательных клапанах и защитных устройствах резервуаров, в конвейерном и подъёмно-транспортном оборудовании; в качестве основных функциональных элементов в фильтрационных блоках и погружных мембранных модулях, в защитных кожухах и изоляционных устройствах. Широко используются пленки и мембраны сложной структуры в теплоотражающих экранах и навесах, при изготовлении спецодежды для пожарных и сталелитейщиков, скафандры для космонавтов и подводников и т.д. Воздушнопузырькововые пленки применяются для упаковки изделий, оборудования, запчастей и деталей. На базе создаваемых уникальных пленок и мембран активно развиваются мембранные технологии.
С развитием науки, техники и технологии перспективы использования пленок, мембран и покрытий постоянно растут. Появляются и получают распространение тонкие пленки и нанопленки, а также композиции, включающие «микро» и «нано» элементы. Исходя из функционального назначения и требуемого качества, разрабатываются композиции сложной структуры – так называемые материал - конструкции, имеющие плоскую и неплоскую исходную геометрию. Создание материал - конструкций с заданными свойствами – это одно из перспективных направлений развития. Сложность структуры возникает также при нанесении на поверхность пленок и мембран покрытий, при поверхностной обработке, из-за наличия инородных включений и пор, вследствие появления дефектов (царапин, трещин…) в результате физического, механического, биологического и химического воздействия.
Невозможно исследовать стандартным одноосным способом плоские и неплоские пленки и мембраны, имеющие сложную структуру и различные дефекты. Не всегда эффективны методы индентирования, позволяющие судить о свойствах материала в окрестности рассматриваемой точки. Трудно, а порой и невозможно, численно смоделировать поведение тонких материал - конструкций, имеющих сложную структуру и дефекты. Возникают трудности при описании сложной структуры и на квантово-молекулярном уровне. Становится актуальной проблема определения механических характеристик тонких сложных структур с различными дефектами, а также исследование изменения их механических свойств от воздействия внешних факторов. Возникает необходимость создания инструмента для таких исследований.
Цель работы: развитие экспериментально - теоретического метода исследования механических характеристик плоских и сферических пленок и мембран со сложной структурой и с дефектами, а также покрытий в системе покрытие - подложка.
Научная новизна работы состоит в развитии экспериментально-теоретического метода исследования механических характеристик плоских и сферических пленок и мембран со сложной структурой и с дефектами; в развитии подхода исследования механических характеристик покрытий в системе покрытие - подложка; в результатах исследований механических характеристик пленок и мембран, а также покрытия в системе покрытие -полимерная пленка.
На защиту выносятся следующие результаты:
1. Метод определения механических характеристик плоских и сферических пленок и мембран со сложной структурой и установка ДМ-1 (деформация материала).
2. Расчетные зависимости для нелинейно упругих и пластических сферических мембран при больших перемещениях и деформациях.
3. Метод определения механических характеристик покрытия, не выделяя отдельно покрытие от системы покрытие - подложка.
4. Результаты исследования механических характеристик: плоских и сферических пленок и мембран; нанопокрытия из оксида титана в системе покрытие - полимерная пленка.
Практическая ценность: разработана методика исследования механических характеристик плоских и сферических пленок и мембран со сложной структурой и с дефектами; создана установка ДМ-1; получены важные для практики новые результаты, в частности, установлено влияние цвета подложки и толщины снежного покрова над пленкой на механические характеристики полимерных пленок под воздействием солнечного излучения; определены приведенные механические характеристики плоских и сферических пленок и мембран с распределенными отверстиями, а также поливинилхлоридных пленок с дисперсными наполнителями; определены изменения в жидкой среде механических характеристик композиционных пленок с гигроскопическим слоем; оценены механические характеристики нанопокрытия из оксида титана в системе покрытие - полимерная пленка.
Положения работы отмечены в Отчете о деятельности РАН за 2006 год и награждены на Международных выставках: Серебряная медаль на 35 Салоне изобретений «Женева-2007», г. Женева; Медаль на 6-ой выставке «Лаборатория Экспо-2008», г. Москва; Золотая медаль на 14-ом Салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед-2011», г. Москва.
Внедрение: Экспериментальная установка ДМ-1 внедрена в научно-исследовательскую практику в ИММ КазНЦ РАН и используется при выполнении Программ фундаментальных исследований Президиума РАН и ОЭММПУ РАН, а также госбюджетной НИР.
Достоверность результатов обеспечивается обоснованностью подхода; проведением исследований, опирающихся на экспериментальные данные и точные теоретические соотношения, полученные из нелинейной теории оболочек; результатами тестирования для изотропных мембран; согласованием полученных результатов с известными данными.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на Итоговых конференциях ИММ КазНЦ РАН (2005 - 2010); на Республиканских и Всероссийских научных конференциях: КазГАСУ (Казань 2007 - 2011), Инженерные системы (РУДН, Москва 2008), Инновации РАН (Казань 2010); на Международных конференциях: по теории оболочек и пластин XXI (Саратов 2005), Пленки и покрытия (С.-Пб. 2007, 2009, 2011), на XVIII сессии по моделям механики сплошной среды (Саратов 2007); Инженерные системы (РУДН, Москва 2009 - 2011), Современные проблемы механики сплошной среды (Ростов/Дону, Азов 2010); на трех Международных форумах по нанотехнологиям (Москва 2008 - 2010).
В целом диссертация докладывалась на научном семинаре ИММ КазНЦ РАН, под руководством чл.-корр. РАН Губайдуллина Д.А., на расширенном заседании кафедры теоретической механики и сопротивления материалов ФГБО ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», на кафедре «Строительная механика» КГАСУ, на кафедре «Прочность материалов и конструкций» РУДН.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 18 статьях, из которых 7 входит в перечень ВАК и в 3 патентах РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации.
