Введение к работе
Актуальность. Прогресс в машиностроении неразрывно связан с разработкой и широким использованием полимерных композитных материалов (КМ). Широкий спектр областей возможного применения композитов обуславливает необходимость совершенствования традиционных и разработки новых композитов, в частности материалов для футеровки дробильно-сортировочного оборудования и защитных покрытий автомобильных стартеров с комплексом требуемых физико-технических свойств (модуль упругости, ударная вязкость, антикоррозионные свойства и др.).
Новые материалы, появляющиеся вследствие стремления к совершенствованию существующих изделий машиностроения, открывают широкие возможности для реализации перспективных конструктивных решений, технологических процессов и разработки эффективных методов прогнозирования свойств. От степени точности прогностических моделей физико-технических параметров композиционных материалов, используемых в различных условиях нагружения, зависит качество проектирования материалов с заданными свойствами (надёжность, долговечность и др.). В этой связи, разработка новых прогностических моделей, основанных на современных теориях кластерообразования, перколяции, бифуркации, структурно-фазовых переходов, позволяющих с высокой степенью точности прогнозировать свойства вновь создаваемых материалов и изделий из них, является актуальной и перспективной.
Эффективные модули (динамический модуль упругости, жёсткость) несомненно, являются наиболее важными характеристиками в практике материаловедения. Действительно, математическое описание этих показателей – это основа расчёта напряжений, которое в конечном итоге обосновывает применение инженерных материалов в ответственных изделиях и конструкциях.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка научно-обоснованных моделей прогнозирования модуля упругости полимерных композиционных материалов для изделий машиностроения.
Реализация поставленной цели потребовала решения следующих задач:
1. Выявление несовершенства существующих прогностических моделей расчёта полимерных композитных материалов с усиливающим дисперсным наполнителем;
2. Разработка новых прогностических моделей деформационно-прочностных свойств полимерных композитов с усиливающим наполнителем с позиций современных представлений структурной топологии;
3. Разработка структурно-механической модели дисперсно-наполненных композиционных материалов с использованием механической модели Кельвина-Фойгта и основных положений теории протекания;
4. Выявление топологических особенностей механизма формирования структуры дисперсно-наполненных полимерных композитов с высокими упругими свойствами и ударной вязкостью;
5. Анализ структурной топологии дисперсно-наполненного композитного материала и уточнение численного значения универсального критического индекса, отвечающего за изменение упругих свойств наполненных композитных систем;
6. Уточнение (с использованием теории подобия, перколяции, структурной топологии) количественной оценки порога протекания в конденсированных композитных системах на примере дисперсно-наполненных эпоксиполиуретановых композитов;
7. Исследование упруго-прочностных свойств полимерных композиционных материалов и выявление закономерностей изменения динамического модуля упругости, ударной вязкости композитов на различных смолах (эпоксидных, полиэфирных) в зависимости от вида и концентрации модифицирующих добавок, объёмного содержания и вида усиливающих наполнителей для производства изделий в машиностроении;
8. Разработка достоверных прогностических моделей влияния рецептурно-технологических факторов и времени твердения на физико-механические свойства полимерных композитов;
9. Разработка составов композиционных материалов для производства футеровки дробильно-сортировочного оборудования и защитных покрытий элементов автомобильных стартеров с последующим практическим внедрением результатов исследований.
Методологической основой при решении проблем материаловедческого и технологического характера является концепция системного подхода, при котором состав, структура и свойства термореактивных дисперсно-наполненных композиционных материалов представлены в виде взаимосвязанной системы.
Научная новизна:
- разработана новая структурно-механическая модель дисперсно-наполненных полимерных композиционных материалов, учитывающая напряжённое состояние матрицы-массива, матрицы-плёнки, перколяционного каркаса;
- дана аналитическая уточнённая оценка критического содержания дисперсного наполнителя в композиционных материалах применительно к задаче о протекании по касающимся сферам;
- получены и теоретически обоснованы математические модели, позволяющие прогнозировать динамический модуль упругости полимерных дисперсно-наполненных композиционных материалов с учётом критического индекса.
Практическая значимость:
- установлено влияние структурно-топологических факторов (вида и концентрации отвердителей и наполнителей, универсального критического индекса – показателя макроструктурной топологии наполненной композитной системы) на деформационно-прочностные свойства полимерных композиционных материалов;
- разработана эффективная двухкомпонентная модифицирующая добавка (полиизоцианата (4 масс.ч.) и простого полиэфира (4 масс.ч.)) для эпоксиполиуретановых материалов, позволяющая существенно повысить динамический модуль упругости и ударную вязкость молекулярных (матричных) и дисперсно-наполненных композиционных материалов;
- на основании экспериментальных исследований и разработанных прогностических моделей получены оптимальные составы полимерных материалов для изделий машиностроения (футеровка для дробильно-сортировочного оборудования, защитные покрытия элементов автомобильного стартера).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на Международных научно-технических конференциях, проводившихся в следующих городах: Саранск (МордГУ, 2002 г.), Пенза (Приволжский дом знаний в 2005 г. и ПДНТП в 2007 г.), а также докладывались на Десятых академических чтениях РААСН в г. Казань (КГАСУ, 2006 г.).
Внедрение результатов исследований.
Результаты исследований нашли своё практическое применение при изготовлении футеровочных плит из дисперсно-наполненных полимерных композитов в ООО «РенБизнесАвто», а также в ОАО «БАТЭ» при нанесении защитных покрытий из молекулярных эпоксиполиуретановых композиционных материалов на основные элементы автомобильных стартеров.
Достоверность результатов работы заключается в использовании при испытаниях композиционных материалов механического оборудования и измерительной аппаратуры, регистрирующих необходимые параметры с минимальными погрешностями. Количественные результаты исследований обработаны с применением аппроксимирующих функций (степенных, экспоненциальных, полиномиальных и др.), корреляционного и регрессионного анализа. Достоверность полученных аналитических зависимостей подтверждена испытаниями большого количества различных видов и составов полимерных композиционных материалов и высокой степенью сходимости экспериментальных и расчётных данных с применением статистической обработки. Полученные научные положения и выводы, приведённые в работе, основаны на результатах многолетних экспериментов с применением комплекса взаимодополняющих и высокоинформативных методов исследования.
Личный вклад автора. Автором самостоятельно поставлены цели, выбраны объекты и методы исследований, проведены теоретические и экспериментальные исследования, выполнены, обработаны и проанализированы основные результаты исследований, разработаны прогностические адекватные модели деформационно-прочностных показателей композитов. Также, при непосредственном участии автора проводилась практическая реализация результатов исследований. В совместных работах, выполненных в соавторстве с член-корр. РААСН, доктором технических наук, профессором Бобрышевым А.Н., автор лично участвовал в проведении экспериментальных исследований и их обсуждении.
На защиту выносятся:
- научно-обоснованные прогностические и кинетические модели модуля упругости и ударной вязкости дисперсно-наполненных термореактивных композитов, основанные на теориях синергетики, кластерообразования и перколяции;
- уточнённая структурно-механическая модель дисперсно-наполненных полимерных композиционных материалов, учитывающая напряжённое состояние матрицы-массива, матрицы-плёнки, перколяционного каркаса;
- результаты экспериментально-теоретических исследований и математические модели, описывающие зависимости типа «состав-структура-свойства» для молекулярных и дисперсно-наполненных композитов, модифицированных различными полимерными добавками;
- рациональные составы получения модифицированных термореактивных композитов с комплексом требуемых физико-технических свойств.
Публикации.
По результатам выполненных исследований опубликовано 15 работ, в том числе 5 статей в журналах, входящих в перечень ВАК, 2 депонированные монографии и 1 учебное пособие для студентов, бакалавров и магистров, обучающихся по специальности «Материаловедение и технология новых материалов».
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников и литературы из 120 наименований и приложений. Работа изложена на 143 страницах машинописного текста, содержит 57 рисунков и 19 таблиц.
Автор выражает особую благодарность член-корр. РААСН, д.т.н., профессору Бобрышеву А.Н. за научные консультации при выполнении диссертационной работы.
