Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ виброгасящих материалов и способов демпфирования. теоретические основы создания вибропоглощающих полимерных композитов, используемых в строительстве 22
1.1. Основные характеристики, методы оценки и способы определения демпфирующих показателей строительных материалов 22
1.2. Эффективность применения вибродемпфирующих элементов строительных конструкций из полимерных композитов 26
1.3. Строительные материалы с высокими вибропоглощающими свойствами 31
1.4. Полимербетоны и бетонополимеры с высокими вибропоглощающими свойствами 45
1.5. Методы моделирования вибропоглощающих полимерных волокнистых композитов 48
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 55
ГЛАВА 2. Топологическая модель структуры вибропоглощающих дисперсно-наполненных полимерных композитов 56
2.1. Природа формирования структуры дисперсно-наполненных полимерных композитов 56
2.2. Роль критических индексов в оценке структуры и свойств наполненных полимерных композитов 63
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 81
ГЛАВА 3. Влияние матричных компонентов на демпфирующие физико-механические свойства полимерных композитов 82
3.1. Влияние концентрации связующих компонентов на демпфирующие физико-механические свойства и кинетическую стабильность полимерных композитов 82
3.2. Влияние модифицирующих добавок на демпфирующие физико-механические свойства полимерных композитов 112
3.3. Виброкрекинг полимерных композитов 136
3.4. Оптимизированные составы вибропоглощающих матричных
полимерных композитов, стойких к частотному воздействию 142
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 144
ГЛАВА 4. Влияние дисперсных и волокнистых наполнителей на демпфирующие физико- механические свойства полимерных композитов, используемых в строительстве 146
4.1. Влияние объёмного содержания наполнителей на демпфирующие характеристики полимерных композитов 149
4.2. Влияние объёмного содержания наполнителей на упругие свойства полимерных композитов 163
4.3. Влияние объёмного содержания наполнителей на прочность полимерных композитов 182
4.4. Влияние дисперсности пористого наполнителя на демпфирующие физико-механические свойства полимерных композитов 195
4.5. Температурная зависимость демпфирующих физико-механических свойств наполненных полимерных композитов 204
4.6. Механическая модель многослойного композитного материала в процессе демпфирования при условии частотного нагружения 208
4.7. Оптимизация свойств и составов полимерных вибродемпфирующих композитов с учётом условий нагружения материала и стоимостных характеристик компонентов композита 217
4.8. Оптимизированные составы наполненных вибродемпфирующих полимерных композитов в зависимости от различных условий эксплуатации 228
Выводы по главе 4 233
ГЛАВА 5. Моделирование вибродемпфирующих однонаправленных волокнистых полимерных композитов, используемых в качестве опорных элементов строительных конструкций 236
5.1. Высоконаполненные однонаправленные волокнистые полимерные композиты 236
5.2. Перколяционная модель однонаправленных волокнистых полимерных композитов 240
5.3. Распределение плёночной и объёмной фаз матрицы в структуре однонаправленных волокнистых полимерных композитов 243
5.4. Упругие характеристики однонаправленного полимерного композита при плоском напряжённом состоянии 247
5.5. Энергетический метод моделирования вибродемпфирующих однонаправленных волокнистых полимерных композитов, используемых в качестве опорных элементов строительных
конструкций 263
Выводы по главе 5 274
ГЛАВА 6. Практическая реализация результатов исследований в строительстве 276
6.1. Система автоматизированного проектирования вибропоглощающих полимерных композитов, используемых в строительстве 276
6.2. Фундаментные плиты из многослойных полимерных композитов, эксплуатирующиеся в условиях высокочастотного нагружения 295
6.3. Металлополимерные отделочные плитки для покрытия полов 311
6.4. Вибропоглощающие полимерные покрытия для системы вентиляции и кондиционирования воздуха в помещениях 313
6.5. Полимерные многослойные трубы, используемые в мелиоративном строительстве 319
Выводы по главе 6 324
Общие выводы 326
Литература 332
Приложения
- Основные характеристики, методы оценки и способы определения демпфирующих показателей строительных материалов
- Роль критических индексов в оценке структуры и свойств наполненных полимерных композитов
- Влияние концентрации связующих компонентов на демпфирующие физико-механические свойства и кинетическую стабильность полимерных композитов
- Влияние объёмного содержания наполнителей на демпфирующие характеристики полимерных композитов
Введение к работе
Технический прогресс вызывает необходимость создания высокоэффективных конструкционных вибропоглощающих полимерных материалов, используемых в строительной индустрии.
Новые материалы, появляющиеся вследствие стремления к совершенствованию существующих строительных конструкций и изделий, открывают возможности для реализации перспективных конструктивных решений и технологических процессов. В настоящее время перспективы прогресса в строительстве неразрывно связаны с разработкой и широким внедрением полимерных композитных материалов (ПКМ) в производство.
ПКМ обладают комплексом физико-механических свойств, выгодно отличающихся от традиционных конструкционных материалов (металлов, сплавов, бетона, дерева) и в совокупности открывают широкие возможности для совершенствования существующих строительных материалов и изделий различного назначения, а также для разработки новых элементов строительных конструкций и технологических процессов.
Полимерные композиты широко используются для изготовления конструкционных, защитных, клеевых, вибродемпфирующих и других видов строительных материалов и изделий, обладающих высокими деформационно-прочностными, антикоррозионными, теплофизическими и демпфирующими свойствами.
При работе виброактивного оборудования возникают вредные вибрации, снижающие его надёжность. Эффективным средством борьбы с вибрациями является применение в строительных конструкциях, подверженных воздействию динамических нагрузок, виброгасящих устройств и материалов [1].
Вибропоглощающие устройства используют для уменьшения динамических воздействий, передаваемых машинами на поддерживающие
конструкции, для снижения уровня вибраций приборов и прецизионных машин, а также вибраций, вызываемых колебаниями поддерживающих конструкций или оснований.
Виброизоляцию осуществляют либо в опорном варианте, когда виброизоляторы расположены непосредственно под корпусом изолируемой машины или под жестким постаментом (фундаментным блоком), на котором укреплена сама машина, либо в подвесном, когда изолируемый объект подвешен на виброизоляторах, закреплённых выше подошвы постамента и работающих на сжатие или растяжение [2].
В строительной промышленности широкое применение нашли резиновые, пружинные и комбинированные виброгасящие устройства. К недостаткам такого типа устройств следует отнести высокую стоимость, сложность монтажа и наладки, низкую стойкость к агрессивной среде, малую долговечность.
В этой связи возникла необходимость в создании качественно новых способов и материалов для осуществления вибропоглощения, частично лишённых недостатков, присущих традиционным устройствам и материалам. Поэтому реальной представляется возможность получения эффективных виброгасящих конструкций на основе строительных полимерных композитных материалов с использованием в их составе комплексных пластифицирующих и модифицирующих добавок, обеспечивающих необходимый уровень технологических, эксплуатационных и специальных (вибро-поглощающих) свойств.
Отправными положениями для выполнения теоретических и экспериментальных исследований послужили работы Н.А. Алфутова, Н.К. Барам-бойма, А.Н. Бобрышева, В.А. Воскресенского, Е. М. Готлиб, В.Е. Гуля, И.М. Елшина, П.А. Зиновьева, В.Н. Куприянова, Ф.Ф. Ленга, Ю.С. Липатова, Н.И. Макридина, В.В. Патуроева, И.Е. Путляева, Р.З. Рахимова, Ю.А. Соколовой, В.И. Соломатова, СП. Стрелкова, В.Г. Хозина, В.Д. Чер-
касова и других отечественных и зарубежных учёных.
Общепризнанным является представление о полимерных композитах, как о многокомпонентных и многофазных гетерогенных системах [3-5]. При этом в ПКМ могут одновременно формироваться взаимоисключающие неаддитивные свойства (например, одновременно высокие упругие, прочностные и демпфирующие показатели), не присущие составляющим компонентам (наполнителям, матричным вяжущим, пластифицирующим и модифицирующим добавкам) полимерных композитов в отдельности. Данный фактор эффективно используется при создании конструкционных композитов с высокими вибропоглощающими свойствами, применяемых в строительстве.
Главным структурным признаком полимерных композитных материалов является их способность образовывать специфические структуры из наполнителя (дисперсных частиц, дискретных волокон) и матрицы. К таким структурам могут быть отнесены самопроизвольно организующиеся кластерные и решёточные структуры ПКМ, образующиеся при изготовлении в результате процессов совмещения и гомогенизации матричного материала и наполнителя. Кластер в переводе с английского «claster» означает «гроздь». Внутри кластера сохраняется индивидуальность отдельных составляющих его частиц. Сформированная кластерная структура ПКМ представляется как система образований с принципиально новыми свойствами, не присущими отдельным составляющим его частиц.
В связи с изучением структуры ПКМ возникает новый термин - фрактальный кластер [6-Ю], который представляет ассоциацию связанных между собой частиц, имеющих фрактальное строение. Необходимо отметить, что фракталы (fractal - дробь) являются самоподобными множествами, имеющими дробную размерность и обладающими реккурентностью (самоповторяемостью на различных структурных уровнях, характеризующуюся автомодельным отношением). Проявление фрактальности в неупо-
рядоченных системах, которым в полной мере соответствуют полимерные композитные материалы, происходит в виде самоорганизации наполненной структуры ПКМ.
В работе автором рассматривается новый подход к моделированию строительных вибропоглощающих полимерных материалов, состоящих из твёрдых частиц наполнителя, дискретных волокон и полимерной матрицы (упругой, высокоэластичной и т.д.), основанный на использовании научной дисциплины - синергетики, занимающейся изучением различных самоорганизующихся упорядоченных временных и пространственных структур в сложных неравновесных системах различной природы.
Предложен уточнённый энергетический метод моделирования волокнистых полимерных строительных материалов с высокими вибропогло-щающими свойствами с учётом топологических особенностей компонентов композита при условии динамического нагружения колебательной системы.
Рассмотрен принципиально новый подход в изучении структуры и свойств ПКМ с высокими вибропоглощающими свойствами, основанный на установлении значения универсального критического индекса, служащего интегральным показателем состояния структуры и отвечающего за демпфирующие показатели дисперсно-наполненных полимерных строительных материалов.
Универсальность критического индекса имеет важное значение при анализе различных сложных композитных систем. Она определяется макромасштабным подобием различных демпфирующих структур с одинаковой пространственной размерностью, т. е. если для различных систем с одной пространственной размерностью численное значение критических индекса совпадает, то наблюдается подобие свойств макромас-штабной структуры этой системы и наоборот. Критический индекс может эффективно использоваться в процессе прогнозирования вибропогло-
щающих показателей вновь разрабатываемых полимерных материалов строительного назначения.
Предложенные новые методы и подходы к моделированию структуры и расчёту параметров свойств ПКМ формируют научную концепцию, основанную на физических принципах, для разработки и создания вновь проектируемых современных строительных полимерных материалов с высокими вибропоглощающими свойствами.
Успешная реализация больших потенциальных возможностей, заложенных в идее создания полимерных композитных материалов строительного назначения и в свойствах составляющих его компонентов, в значительной степени зависит от уровня информированности материаловеда и конструктора об этих возможностях, принципах конструирования и методах расчёта, что достигается путём разработки автоматизированной базы данных. В этой связи предложены новые подходы, основанные на современных информационных CALS-технологиях, к разработке и созданию высокоэффективных вибропоглощающих строительных материалов, стойких к различным эксплуатационным условиям (температурному и частотному нагружению, агрессивной среде и т.д.).
В работе содержатся сведения, необходимые для внедрения полимерных строительных материалов в производство, при этом свойства ПКМ излагаются в комплексе с вопросами конструирования на этапе изготовления с учётом эксплуатационных требований. Предложены новые физические модели вибропоглощения монолитными и многослойными опорными конструкциями при условии динамического нагружения, изготовленными из вибродемпфирующих дисперсно-наполненных и волокнистых композитов, позволяющие рассчитать демпфирующие физико-механические параметры ПКМ при известных внешних колебательных характеристиках виброактивного оборудования.
Рассмотрен и реализован новый подход к оптимизации свойств и со-
ставов полимерных вибродемпфирующих композитов с учётом условий эксплуатации (частотного нагружения, эксплуатации в агрессивной среде и т.д.) строительного материала. Разработана система автоматизированного проектирования вибропоглощающих полимерных композитов (САПР ВПК) в рамках CALS - технологии (Continuous Acquisition and Life Cycle Support - непрерывная информационная поддержка жизненного цикла изделия или продукта), предметом которой является создание единой интегрированной модели строительного изделия из ПКМ и его жизненного цикла.
Идентифицированы методы проектирования и расчёта опорных элементов оборудования, фундаментов, покрытий, эксплуатирующихся в условиях динамического нагружения.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
заключается в разработке научных основ проектирования и создания строительных полимерных материалов с эффективными вибропоглощаю-щими свойствами и долговечностью в различных условиях эксплуатации.
РАБОЧАЯ ГИПОТЕЗА
При получении строительных полимерных материалов в результате совмещения исходных компонентов с последующим переходом композитной системы в состояние твердого тела происходят самопроизвольные физико-химические процессы, связанные с образованием специфических структур. Проявляются топологические особенности структуры наполненной композитной системы в виде локального возникновения разупорядо-ченных и упорядоченных областей с демпфирующими физико-механическими свойствами, отличающимися от структуры материала в
приближении среднего поля. В результате структурно-фазовой трансформации образуется система КМ (матрица (массив) - матрица (пленка) - наполнитель) с эффективной стойкостью к динамическому нагружению. Оптимизация показателей структурных особенностей в такой модели упруго-деформируемого композита позволяет дополнить и уточнить закономерности, связанные с созданием вибропоглощающих строительных полимерных материалов и расчетом их функциональных свойств.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ:
с позиций современных представлений микромеханики и структурной топологии разработать научные принципы создания полимерных строительных композитов с высокими вибропоглощающими свойствами;
разработать динамическую модель вибродемпфирования монолитных и многослойных полимерных композитов с применением элементов теории виброизолирующей подвески;
исследовать основные демпфирующие физико-химические свойства наполненных полимерных композитов и выявить закономерности изменения деформационно-прочностных и вибропоглощающих показателей композитов в зависимости от геометрических факторов наполнителя;
установить, топологические особенности механизма формирования дисперсно-наполненных и волокнистых вибропоглощающих полимерных композитов и с применением методов теории протекания проанализировать структурную топологию вибропоглощающего композитного материала, а также определить численное значение универсального критического индекса, отвечающего за изменение демпфирующих свойств наполненных композитных систем;
дать оценку существующих моделей расчёта вибропоглощающих полимерных композитных материалов (листовых, покрытий и т.п.) и предложить новую модель вибродемпфирующего полимерного КМ с учётом
фазовых особенностей и новые методы его проектирования на примере опорных элементов строительных конструкций;
- разработать составы матричных и наполненных вибропоглощающих
полимерных строительных материалов (эпоксидных, эпоксиполиуретано-
вых, полиуретановых, кремнийорганических) с повышенной стойкостью к
эксплуатационным воздействиям (афессивным средам, виброчастотному
воздействию);
- определить алгоритмы оптимизации демпфирующих физико-
механических свойств вибропоглощающих полимерных композитов, стой
ких к различным условиям эксплуатации с последующей разработкой
структуры системы автоматизированного проектирования вибропогло
щающих строительных полимерных композитов (САПР ВПК) и эксперт
ной системы «функциональный подбор составов ВПК»;
- реализовать промышленное использование разработанных эффек
тивных вибропоглощающих листовых материалов, покрытий, других мо
нолитных и многослойных изделий, в строительстве.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ СОСТОИТ В СЛЕДУЮЩЕМ:
теоретически обосновано влияние структурно-топологических особенностей полимерных композитов на комплекс их акустических и физико-механических свойств;
уточнена математическая модель упругого деформирования волокнистых строительных полимерных композитов с учётом структурного перераспределения плёночной и объёмной составляющих матрицы;
обоснован и разработан уточнённый энергетический метод оценки демпфирующих показателей волокнистых строительных полимерных композитов, предполагающий введение диссипативной функции;
создана уточнённая методика расчёта вибродемпфирующих напол-
ненных КМ с использованием топологической модели структуры, учитывающей плёночную структурную составляющую матрицы как упругий элемент;
на основе комплекса выполненных экспериментально-теоретических исследований оптимизированы структура, свойства и составы матричных, дисперсно-наполненных и волокнистых полимерных композитных материалов с учётом технических требований строительных производств;
разработана методология создания системы автоматизированного проектирования строительных вибропоглощающих полимерных композитов с учётом особенностей проектирования их состава с прогнозируемыми свойствами.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:
научное обоснование методологии получения строительных полимерных материалов с эффективными вибропоглощающими свойствами и стойкостью к различным условиям эксплуатации (агрессивным средам, виброчастотному нагружению);
динамическая модель вибродемпфирования монолитных и многослойных полимерных композитов;
топологическая модель вибропоглощающего наполненного полимерного КМ, учитывающая локальные возникновения разупорядоченных и упорядоченных областей структуры в системе «матрица (массив) - матрица (плёнка) - наполнитель»;
- методы оценки и прогнозирования демпфирующих физико-
механических свойств КМ в зависимости от дисперсности и объёмного
содержания наполнителя с учётом трёхфазной структуры КМ;
- комплексный подход к оптимизации составов различных видов виб
ропоглощающих полимерных композитов (покрытий, мастик, листовых и
монолитных материалов);
- оптимальные составы вибропоглощающих полимерных композитов,
обладающих заданным комплексом демпфирующих физико-механических
и эксплуатационных свойств.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ:
в создании научно-обоснованных принципов расчёта оптимальных составов вибропоглощающих строительных полимерных материалов с повышенной стойкостью к различным условиям эксплуатации, используемых в строительной индустрии;
в разработке и оптимизации многокомпонентных и многослойных модифицированных полимерных композитов, использующихся при изготовлении опорных элементов строительных конструкций, фундаментов под оборудование, полов, эксплуатирующихся в условиях динамического нагружения, а также вибропоглощающих покрытий системы вентиляции и кондиционирования воздуха в помещении.
Научные результаты работы используются в ряде промышленных организаций, что подтверждается соответствующими актами внедрения, представленными в приложении к диссертации.
Разработанные вибродемпфирующие строительные материалы прошли опытно-промышленную проверку на предприятиях г. Набережные Челны и г. Пенза.
ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
заключается в использовании при испытаниях КМ механического оборудования и измерительной аппаратуры способных регистрировать необходимые параметры с минимальными погрешностями. Количественные ре-
зультаты 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 КМ и высокой степенью сходимости экспериментальных и расчётных данных.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ
Результаты выполненной работы обсуждались на научно-технических семинарах "Современные проблемы строительного материаловедения" -Казань, 1996 г.; II и III Международных научно-практических конференциях "Вопросы планировки и застройки городов" - Пенза, ПГАСИ, 1996 г.; XXVIII научно-технической конференции - Пенза, ПГАСИ, 1995 г.; XXIX научно-технической конференции - Пенза, ПГАСА, 1997 г.; Всероссийской конференции «Актуальные проблемы строительного материаловедения», Томск, ТГАСУ, 1998 г.; Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительного материаловедения» IV Академические чтения РААСН, Пенза, 1998 г.; XXX Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства», ПГАСА, Пенза, 1999 г.; Международной научно-технической конференции «Проблемы научно-технического прогресса в строительстве в преддверии нового тысячелетия», ПГАСА, Пенза, 1999 г.; II Международном симпозиуме «Композиты и глубокая переработка природных ресурсов», КамПИ, Набережные Челны, 1999 г.; Международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика», ПГАСА, Приволжский дом знаний, Пенза, 2000 г.; I Международной научно-технической конференции «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств», ПГАСА, Пенза, 2000
г.; Международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии», Пензенский технологический институт, Пенза, 2000 г.; Шестых академических чтениях РААСН: «Современные проблемы строительного материаловедения», Ивановская Государственная архитектурно-строительная академия, Иваново, 2000 г; Международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика», ПГАСА, Пенза, 2001 г.; Международной научно-практической конференции: «Композиционные строительные материалы. Теория и практика», ПГАСА, Пенза, 2002 г.; Международной научно-практической конференции, КамПИ, Набережные Челны, 2004 г.
Результаты работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры строительного материаловедения Ивановской государственной архитектурно-строительной академии и кафедры технологии бетонов, керамики и вяжущих Пензенского государственного университета архитектуры и строительства.
Работа выполнялась на кафедре машин и технологии литейного производства (цикл композиционных материалов) и кафедре автоматизации и информационных технологий Камской государственной инженерно-экономической академии.
Автор выражает благодарность руководству Пензенского государственного университета архитектуры и строительства и Камской государственно инженерно-экономической академии за предоставленные условия для проведения исследований.
Основные характеристики, методы оценки и способы определения демпфирующих показателей строительных материалов
При колебаниях упругой системы её материал способен необратимо рассеивать механическую энергию, полученную извне, на внутренние процессы. Такое свойство материала называют термином «внутреннее трение» [11,12, 15]. Внутреннее трение обусловлено различными процессами, происходящими в структуре материала. К ним относятся релаксационные процессы перехода к равновесному состоянию при периодическом или апериодическом деформировании и процессы образования остаточной деформации при вязком или пластическом течении, которые связаны с выделением теплоты. Одним из следствий рассеяния энергии является затухание свободных колебаний твёрдого тела (демпфирующая способность). Также существуют другие формы проявления внутреннего трения - это несовпадение диаграмм «напряжение-деформация» при нагружении или разгружении (гистерезис), сдвиг фаз между напряжением и деформацией, когда тело подвергается механическим воздействиям, меняющимся по синусоидальному закону.
Измерение внутреннего трения является одним из способов обнаружения изменений в структуре и свойствах материала, происходящих под воздействием различных факторов. Оно позволяет судить о температуре стеклования, плавления кристаллов, о наличии в полимере пространст венной сетки [11-15].
На основе температурных или частотных зависимостей внутреннего трения, обусловленного термоупругими или диффузионными процессами, оценивают энергию активации процесса по формуле [11]: Т -Т f U = —!-2j?in-l, (1.1) 1 2 J2 где// и/2 - частоты, соответствующие максимумам при температурах Т\ и Г?; R - газовая постоянная.
Зная характеристику внутреннего трения, можно достаточно эффективно прогнозировать прочность полимерных материалов [16]. Известно, что работоспособность конструкционного материала в изделиях при механических колебаниях определяется, особенно в резонансной области, не только сопротивлением усталости, но и демпфирующей способностью (затухание свободных колебаний твёрдого тела).
Постоянные упругости требуются при расчёте изделий на прочность и жёсткость. Динамический модуль упругости (полученный в условиях высокоскоростного нагружения) у вязкоупругих материалов существенно выше статического (порядка 10%). Поэтому для динамических расчётов изделий, знание характеристик, полученных при статических испытаниях материалов недостаточно.
Для измерения внутреннего трения используются следующие методы [16]: - резонансные (основанные на взаимодействии ультразвуковых волн в исследуемом веществе, но в этом случае результат оценивается в частотной области); - интерферометрические (основанные на взаимодействии ультразвуковых волн в исследуемом материале и оценке его на различных расстояниях от источника); - импульсные (имитирующие распространение ультразвука в безгра ничной среде и позволяющие сравнивать амплитуды сигналов, прошедших различные расстояния); - оптические (основанные на взаимодействии ультразвуковых и световых полей); - реверберационные (определяющие время затухания энергии в ограниченном объёме); - измерения давления звуковой радиации (для проведения необходимы условия, соответствующие свободному ультразвуковому полю).
Наиболее распространённым, доступным и удобным методом измерения характеристик «внутреннего трения» у твёрдых тел (полимерных композитов), обладающих малыми потерями, является резонансный метод. При этом, коэффициент поглощения находят из резонансных характеристик возбуждаемого образца на основной частоте, а также на её гармониках.
В представленной работе все исследуемые диссипативные параметры композитных материалов находились с использованием резонансного метода. В качестве меры внутреннего трения применяют либо относительные, либо абсолютные характеристики [11]. Чаще используют относительные характеристики.
Роль критических индексов в оценке структуры и свойств наполненных полимерных композитов
При низком объёмном содержании (и) наполнителя в композите граничные слои удалённых друг от друга частиц не представляют собой выделенной в объёме материала самостоятельной фазы, способной оказывать влияние на его свойства.
С повышением и протекает кластерообразование, когда отдельные частицы в композите сближаются и взаимодействуют между собой, образуя в зазорах плёночную структуру матрицы, которая отличается упорядоченностью структуры, повышенной плотностью, кристалличностью, что придаёт ей повышенные демпфирующие физико-механические свойства.
Именно в результате образования протяжённой плёночной матрицы композит начинает проявлять присущие ему неаддитивные специфические свойства, как, например: экстремальное изменение упругости при наполнении, увеличение коэффициента внутреннего трения и т. п.
При определённом содержании наполнителя осуществляется структурно-фазовый переход матрицы из её объемного состояния в плёночное, затрагивающий весь объём материала. Если и далее продолжать наполнение, происходит уменьшение толщины плёнки.
При этом, вследствие реализации стерических эффектов (эффектов, связанных со стеснёнными условиями), качество её структурированной упорядоченности снижается. Когда размер плёнки достигает критического, она становится термодинамически неустойчивой и распадается на отдельные островки, что сопровождается возникновением большого числа пор, которые являются дополнительным источником диссипации колебательной энергии.
В связи с изложенным можно сделать заключение, что состояние матрицы является важным, но не единственным фактором, определяющим изменение свойств композитов. Другим и не менее значительным фактором является наличие в объёме композита пространственного структурного каркаса, сформированного из частиц наполнителя, связанных плёночными прослойками матрицы.
Для композитов с и - 0,16 образуется первичный перколяционный каркас, а оптимальная структура композита формируется в том случае, если редкий каркас бесконечного кластера переходит к пространственным решётчатым упаковкам (0,16 v 0,86). Структура такого каркаса с плёночной матрицей оказывает существенное влияние на демпфируемость композита.
Плёночная фаза матрицы, характеризующаяся параметром ho, и структурная решётка, показателем которой служит величина и, неразрывно связаны между собой, что в целом определяется пространственным взаимодействием граничных слоев соседних частиц наполнителя.
Для усиления виброгасящих свойств наполненных полимерных композитов необходимо подбирать объёмное содержание наполнителя близкое к предельному.
При анализе сложных систем, поведение которых объясняется с позиции теории перколяции, важное значение имеют критические индексы, которые для различных задач в пространстве с одной и той же размерно стью одинаковы [6,84].
Рассмотрим бесконечный перколяционный кластер, состоящий из дисперсных частиц. Он представляет собой редкий искажённый каркас, построенный из цепочек дисперсных частиц, внутри которого находятся пустоты различного размера, что соответствует модели Шкловского - де Жена.
Для касающихся сфер подобная модель представлена на рис. 2.5, а, которая состоит из кластерного каркаса и свободных цепей - контактирующих между собой сфер, которые прикреплены к каркасу одним своим концом и не участвуют в усилении его пространственной жёсткости (рис. 2.5, б).
Одной из основных характеристик кластерного каркаса служит радиус корреляции (R) бесконечного кластера. Величина радиуса корреляции равна среднему размеру ячеек каркаса (рис. 2.5, в).
В момент образования бесконечного кластера радиус корреляции стремится к бесконечности (рис. 2.5, б). Если объёмная доля сфер о больше своего критического значения ис и непрерывно возрастает в интервале ис и 1, то величинаR при этом интенсивно снижается (рис. 2.5, в, г) по степенному закону: R= D(v- vcyv, (2.1) где: D - диаметр сферы, v= 0,85 - критический индекс, ис - критическое содержание сфер. Представим, что в композите существует бесконечный кластер из частиц наполнителя и плёночной фазы матрицы, при этом протекание происходит по граничным слоям, образующим плёночную структуру матрицы.
Влияние концентрации связующих компонентов на демпфирующие физико-механические свойства и кинетическую стабильность полимерных композитов
Полимерные матричные композиты нашли широкое распространение в различных отраслях отечественной промышленности. Они используются в качестве заливочных и пропиточных компаундов, лаков, клеев, конструкционных материалов и благодаря своим высоким вязкоупругим свойствам эффективно применяются в качестве виброизоляции для различных деталей и узлов в строительной индустрии [14, 86-92]. Кроме того, благодаря их высоким демпфирующим и эксплуатационным свойствам, матричные композиты могут эксплуатироваться в условиях повышенных температур, в агрессивных средах, при ударных и динамических нагрузках. Вышеперечисленные свойства композитов вызывают интерес к их дальнейшему изучению и производству.
Знание различных свойств композитов, на уровне матричных компонентов, позволяет оценить структуру композитов и, в дальнейшем, прогнозировать их поведение в условиях динамических нагрузок и разнообразной агрессивной среде.
Свойства вновь получаемых полимерных композитов зависят от различных факторов: температурных режимов отверждения, механохимиче-ских воздействий в процессе твердения, но в большей степени от типа и концентрации отвердителя. Поэтому представляет практический интерес изучение влияния отвердителей на демпфирующие физико-механические свойства полимерных композитов.
Эпоксидные соединения вследствие своей реакционной способности могут использоваться для синтеза различных материалов, так как активная эпоксидная группа легко присоединяется к различным типам полимеров, и при этом происходит отверждение смесевой системы.
Смеси смол в определённых температурных условиях переходят в нерастворимые продукты. При полимеризации между цепями, удерживаемыми только межмолекулярными силами, образуется трёхмерная пространственная структура, обусловленная появлением химических поперечных связей.
Для эпоксидных смол широко используют отвердители: аминного типа (ПЭПА - полиэтиленполиамин, ДЭТА - диэтилентриамин, ТЭТА - три-этилентриамин); ангидридного типа (ИМТГФА - изометилтетрагидрофта-левый ангидрид, малеиновый ангидрид) и др. [24].
Композиты на основе отвердителей ангидридного типа имеют высокие: теплопроводность, жизнеспособность, прочностные и диэлектрические свойства. Оптимальные физико-механические показатели у данных композитов наблюдаются в процессе отверждения при температуре 350 -450 К.
Процесс отверждения третичными аминами происходит по механизму полимеризации а - окислого цикла. Процесс полимеризации происходит при низкой термореактивной реакции (без саморазогрева). Аминная смесь позволяет обеспечить длительную жизнеспособность полимерной системы [31].
Композиты, отверждённые третичными аминами имеют более плотную и бездефектную сетчатую структуру, чем отверждённые первичными и вторичными аминами, т.к. кроме аминных групп в их составе присутствуют гидроксильные реакционно-способные концевые группы, приводящие к дополнительной сшиваемости макромолекул эпоксидного олигоме-ра, за счёт взаимодействия гидроксильных групп с эпоксидными кольцами эпоксидного мономера. Данный эффект приводит к существенному разрастанию оксидных сшивок в объёме материала, увеличению прочностных, жесткостных и упругих показателей.
Влияние объёмного содержания наполнителей на демпфирующие характеристики полимерных композитов
При динамическом нагружении композитов уже при малых амплитудах деформации наблюдается рассеивание энергии вследствие внутренних процессов различной природы [69, 142-160]. Это явление в области амплитуд, не превышающих предел упругости материала, называют внутренним трением, основным параметром которого служит коэффициент внутреннего трения (Q1).
Влияние объёмного содержания усиливающих наполнителей на демпфирующие свойства эпоксидных композитов (ЭК): 1 - ЭК, наполненный кварцевым песком; 2 - ЭК, наполненный молотым известняком; 3 - ЭК, наполненный андезитовой мукой
С ростом и усиливающего дисперсного наполнителя в диапазоне 0 v 0,5 Q 1 имеет тенденцию к снижению (рис.4.1). Такой характер Q1 наполненных композитов, прежде всего, объясняется тем, что дисперсные частицы наполнителя обладают намного меньшей вибропоглощающей способностью, чем эпоксидная матрица. Поэтому введение наполнителя приводит к ослаблению демпфируемости всей композитной системы.
Повышенное содержание наполнителя (0,5 L 0,7) приводит к существенному росту пористости в композитах [152]. Поры, в свою очередь, являются эффективными поглотителями колебательной энергии и основными источниками эффекта увеличения Q 1.
Введение усиливающих наполнителей на всём исследуемом интервале v приводит к ослаблению демпфирующих характеристик наполненной системы по сравнению с полимерной матрицей. Поэтому применение таких наполнителей для получения эффективных виброгасящих композитов является нецелесообразным.
В практике производства композитных материалов строительного назначения дисперсные металлические наполнители (порошки) не нашли широкого распространения. Данный фактор объясняется высокой стоимостью компонентов.
Применение мелкодисперсных отходов шлифовального производства ОШП {Syd=1300 см2/г, рист=5 г/см3, рнас=1г/см3, содержание металлических частиц 40-50% по массе) в качестве наполнителей полимерных композитов, являющихся неутилизируемым отходом машиностроительных предприятий, позволяет существенно снизить стоимость композитов, за счёт устранения дорогостоящей стадии диспергирования [48,49].
Результаты экспериментов по изучению закономерностей изменения вибропоглощающих свойств композитов в зависимости от концентрации ОШП и различных типов металлических стружек приведены на рис. 4.2.
Введение наполнителей в полимерную матрицу не приводит к существенному увеличению Q1 на всём исследуемом интервале. Использование стальной стружки в объёмном содержании, близком к предельному наполнению, приводит к росту демпфирующих параметров по сравнению с матричным Q . Увеличение Q обуславливается ростом структурной пористости композитов, связанной, как фактором предельного наполнения, так и геометрией сливной (витой) стружки.
Наибольший интерес с точки зрения получения материалов с высокими вибропоглощающими свойствами представляют композиты, наполненные пористым наполнителем (дроблёный керамзит). Керамзит имеет высо кие демпфирующие показатели и относительно высокие упругие свойства. Поэтому введение такого наполнителя в небольшом количестве в упругую полимерную матрицу делает композит более эффективным с позиции усиления его вибропоглощающих показателей.
С целью определения влияния пористого наполнителя на демпфирующие свойства модифицированных эпоксидных композитов, исследовали изменение Q от и пылевидной фракции керамзита полидисперсного состава. На рисунке 4.3 представлены кривые изменения Q 1 композитов с различными полимерными матрицами от и молотого керамзита.
