Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в промышленности композиционные материалы (КМ), в том числе полимерные композиционные материалы (ПКМ), успешно конкурируют с традиционными и вытесняют большинство из них. При этом технико-экономическая эффективность применения новых материалов во много зависит от эффективности методов прогнозирования их эксплуатационных свойств. В связи с этим задача разработки методов прогнозирования механических и других свойств полимерных композитов занимает существенное место в материаловедении. В решении проблемы создания новых материалов с заданными свойствами важную роль играет разработка методов моделирования и анализа их структуры и свойств. Одними из наиболее перспективных методов являются методы, основанные на принципах клеточных автоматов. Причины тому - относительная простота моделей и возможность визуального наблюдения эволюции моделируемой системы.
Особый интерес представляет моделирование структуры и свойств композиционных материалов, в том числе полимерных композиционных материалов (ПКМ). Этот класс материалов успешно конкурирует и вытесняет многие традиционные материалы в самых различных областях техники. С другой стороны, наполненные полимерные материалы, являющиеся разновидностью композиционных материалов, характеризуются существенной гетерогенностью, в частности, наличием межфазного слоя.
Большой спектр свойств композиционных материалов, достигаемых путем варьирования видов компонентов, их долей, форм, а также характером распределения в веществе делает их максимально конкурентно способными в сравнении с традиционными материалами. Поэтому разработка новых композиционных материалов и прогнозирование их свойств является одной из важных задач материаловедения.
В настоящее время существует несколько подходов к решению задачи прогнозирования механических свойств композиционных материалов и, в частности, ПКМ. Все они различаются по степени общности и обладают рядом недостатков. Большая часть моделей не учитывает структуру материала, являющуюся одним из основных фактором, определяющим его свойства. Ряд моделей ограничиваются числом компонентов системы, при этом расчетные значения носят оценочных характер, дающий в результате большую «вилку» допустимых значений. Все это свидетельствует об актуальности проблемы создания новых методов моделирования структуры и механических, в том числе вязкоупругих свойств ПКМ.
Целью данной работы является:
Разработка методов исследования структуры и прогнозирования эффективных модулей упругости полимерных композиционных материалов с дисперсным наполнителем на основе моделирования структуры трехмерных ПКМ с использованием принципов клеточных автоматов.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
-
Создать методику использования принципов клеточных автоматов для моделирования структуры объемных композиционных материалов.
-
Разработать алгоритм определения параметров кластерной структуры модельных композиционных материалов и описать с их помощью модельные структуры.
-
Разработать математические модели оценки эффективного модуля сдвига и модуля Юнга полимерных композиционных материалов.
-
На основе разработанных математических моделей создать компьютерные программы для моделирования и анализа кластерной структуры полимерных композиционных материалов с дисперсным наполнителем, а также определения их эффективных вязкоупругих характеристик.
-
Выполнить экспериментальное исследование зависимости динамического модуля сдвига от объемного содержания наполнителя в системах ПТФЭ - БП и ПМ69 - ГР.
-
Провести модельный эксперимент по определению зависимости динамического модуля сдвига от объемного содержания наполнителя композиционных материалов на основе ПТФЭ и ПМ69 с целью верификации разработанных математических алгоритмов и программ.
Объекты исследования. Политетрафторэтилен (ПТФЭ) марки "Ф-4" (ГОСТ 10007-80), наполненный бронзовым мелкодисперсным порошком марки ОС-15-5 (в дальнейшем - БП), а также линейный ароматический полиимид марки ПМ69, наполненный углеродным наполнителем в виде дисперсного графита (система ПМ69 - ГР).
Методы исследования. При выполнении работы были использованы апробированные экспериментальные методы. Качественный и количественный анализ структуры ПКМ проводили методом рентгеноструктурного анализа на установке ДРОН-3. Для исследования вязкоупругих динамических характеристик использовали метод свободных затухающих колебаний (обратный вертикальный крутильный маятник ГОСТ 20812-75). В работе применялись математические методы моделирования (вариационный метод Жикова).
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана методика моделирования структуры и структурообразующих процессов в трехмерных модельных композитах с использованием принципов клеточных автоматов.
2. Предложена методика анализа структуры композиционных материалов с позиции теории перколяции.
3. Показано влияние процесса структурообразования в модельных композитах на перколяционные характеристики моделируемых структур.
4. Разработана модель и компьютерная программа получения концентрационных зависимостей динамического модуля сдвига и модуля Юнга ПКМ от объемной доли наполнителя.
Практическая значимость работы:
1. Разработанные методика и компьютерная программа позволяют получать достоверные значения эффективного динамического модуля сдвига и модуля Юнга полимерных композитов в зависимости от содержания наполнителя.
-
Разработаны алгоритм и компьютерная программа прогнозирования эффективных модуля сдвига и модуля Юнга композитов на основе ПТФЭ и ПМ69, отличающиеся от аналогичных простотой использования и ее эффективностью, которые могут использоваться при выполнении НИОКР и в производстве ПКМ.
-
Результаты диссертационной работы используются при разработке полимерных композиционных материалов в Омском Научно-техническом комплексе «Криогенная техника». Программа расчета эффективного модуля Юнга и модуля сдвига ПКМ при различном содержании наполнителя используются при проектировании новых материалов. Практическое применение полученных автором научных результатов подтверждено соответствующим актом.
-
Результаты работы могут быть использованы в учебном процессе в виде цикла лабораторных работ по дисциплине «Физика конденсированного состояния» по направлению «Нанотехнология».
На защиту выносится:
-
Методика и компьютерная программа моделирования процесса структурообразования трехмерных модельных композитов.
-
Алгоритм и компьютерная программа анализа кластерной структуры модельных трехмерных композиционных материалов с позиции теории перколяции.
-
Модель определения эффективных вязкоупругих характеристик трехмерных композитов. Программа расчета эффективных вязкоупругих характеристик композитов.
-
Установленные зависимости динамических модулей сдвига полимерных композитов на основе ПТФЭ и ПМ69 от концентрации наполнителя.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 112 страницы основного текста, включая 27 рисунков и 9 таблиц; список литературы (125 наименований) на 13 страницах; 5 приложений на 50 страницах. Всего 178 страниц.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Двадцать восьмой международной конференции «Композиционные материалы в промышленности: Материалы» (г. Ялта, Крым, 2008); II Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность» (г. Омск, 2009); международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» (г. Севастополь, 2009г); VII Междунар. науч.–техн. конф. «Динамика систем, механизмов и машин» (г. Омск, 2009); региональной молодежной научно-технической конференции «Омское время взгляд в будущее» (г. Омск, 2010). Кроме того, результаты работы неоднократно обсуждались на семинарах кафедры «Физика» ОмГТУ.
Публикации. Материалы диссертационной работы изложены в 9 работах, 2 из которых представляют публикации в журналах, входящие в перечень ведущих рецензируемых изданий, рекомендованных ВАК для опубликования материалов диссертационных работ.
Похожие диссертации на Разработка методов моделирования и исследования структуры и упругих свойств полимерных композиционных материалов с использованием принципов клеточных автоматов
