1930

73

Рис. 3.36. Влияние объемного содержания наполнителей на ударную вязкость КМ:

1 – составы 40-43; 2 – составы 36-39; 3 – составы 44-47; 4 – составы 48-51

75

Прочность полимерного композита зависит от общего количества цепочек, пересекающих поверхность разрушения. При механической обработке рассматриваются все цепочки, пересекающие поверхность разрушения, как входящие в состав жесткого структурного каркаса, так и свободно свисающие. В ходе экспериментальных исследований установлено, что у образцов, испытанных до и после механической обработки, наблюдается эквивалентный характер изменения показателей (рис. 3.30-3.33).

Идентифицирована зависимость между твердостью по Бринеллю и твердостью по Гепплеру машиностроительных полимерных наполненных КМ (рис.3.32-3.33).

Одной из важнейших характеристик полимерных КМ является ударная вязкость. Установлено, что при = 0 ÷ 0,15 происходит снижение ударной

вязкости, связанное с возникновением трещин на границе раздела наполнителя и полимерной матрицы [4]. В связи с различием коэффициентов линейного термического расширения наполнителя и полимерной матрицы, внутри композитного материала возникают остаточные напряжения, приводящие к снижению ударной вязкости полимерного КМ. Дальнейшее увеличение приводит к росту ударной вязкости, связанному с возникновением кластерных образований и ростом прочности КМ (рис.3.34-3.36).

Так как плотность сшивки термореактивных полимеров в граничных слоях у поверхности наполнителя ниже, чем в ненаполненном полимере, то происходит уменьшение степени отверждения полимерного КМ [33].

С увеличением содержания наполнителя толщина прослойки полимерной матрицы между зернами уменьшается. При начальных степенях наполнения в состояние граничных слоев вовлекается все большее количество «объемного» полимера, но эффективная толщина граничного слоя, в котором заторможена сегментальная подвижность, при этом не меняется. Поскольку при = 0,34 весь полимер переходит в состояние граничного

слоя, то дальнейшее наполнение приводит к перекрыванию слоев и уменьшению их толщины. При этом наблюдается ограничение групповой и сегментальной подвижности в граничных слоях полимера, причем более интенсивно в случае высокомодульных наполнителей (диабаз, маршалит, гранитный порошок), что приводит к снижению прочностных показателей.

Одним из важных факторов, влияющих на свойства наполненных полимерныхкомпозитов, являетсядисперсностьнаполнителя[37, 51, 115-122].

С целью определения влияния удельной поверхности наполнителя на физико-механические свойства композитов, исследовали изменение динамического модуля упругости, твердости, предела прочности при одноосном сжатии и прочности на растяжение при изгибе в зависимости от дисперсности наполнителя. Произвели наполнение эпоксидного, полиэфирного, эпоксиполиуретанового композитов маршалитом, диабазом, цементом, аэросилом (составы № 2-17, 19-34, 36-51) с удельными

76

поверхностями: 96 м2/кг, 192 м2/кг, 384 м2/кг, 762 м2/кг. Объемное содержание наполнителей оставалось постоянной величиной, равной = 0,4.

Установлено, что введение наполнителя с различной дисперсностью существенно изменяет физико-механические свойства полимерного наполненного КМ. Из полученных графиков зависимостей следует, что с увеличением удельной поверхности наполнителей происходит линейный рост динамического модуля упругости, твердости и предела прочности при одноосном сжатии (рис. 3.37-3.39).

Рис. 3.37. Влияние дисперсности наполнителей на упругие свойства КМ: 1 – состав 9; 2 – состав 5; 3 – состав 13; 4 – состав 17

160

Рис. 3.38. Влияние дисперсности наполнителей на прочностные свойства КМ: 1 – состав 9; 2 – состав 5; 3 – состав 13; 4 – состав 17

77

Рис. 3.39. Влияние дисперсности наполнителей на прочностные свойства КМ: 1 – состав 9; 2 – состав 5; 3 – состав 13; 4 – состав 17

Данный эффект объясняется тем, что по мере роста дисперсности наполнителя снижается пористость структуры композитного материала, соответственно усиливается упругость и ослабляется демпфируемость материала. Это свидетельствует о том, что тонкодисперсный наполнитель наиболее эффективен в усилении прочности эпоксидных, полиэфирных и эпоксиполиуретановых композитов.

Установлено, что внутренние напряжения напрямую не зависят от размеров частиц, но энергия деформации вокруг крупных частиц, обусловленная остаточными напряжениями, гораздо выше, чем около более мелких. Увеличение размеров частиц приводит к уменьшению их поверхностной энергии, что влечет за собой уменьшение энергии разрушения и тем самым приводит к снижению прочности полимерного КМ, что соответствует концепции Девиджа-Грина [4].

Определили влияние механической обработки на физико-механические свойства дисперсно-наполненных КМ, в соответствии с методами, приведенными в Главе 2 (рис.3.21, 3.31, 3.33; прил. 2).

Установлено, что физико-механические свойства необработанных образцов выше, чем обработанных. С увеличением технологических параметров механической обработки происходит снижение прочностных и упругих характеристик КМ.

В этой связи механическую обработку осевыми инструментами эпоксидных, полиэфирных, эпоксиполиуретановых композитов следует

78

вести с такими геометрическими параметрами режущего инструмента и режимами резания (V , S , t), при которых Ra=2-8 мкм.

При механической обработке термореактивных наполненных композитов происходит деструкция полимерного вяжущего и разрушение дисперсного наполнителя (рис 3.40). В результате этих процессов образуется деструктировано-диспергированный слой, ухудшающий эксплуатационные характеристики изделий из полимерных композитов.

Рис. 3.40. Внешний вид поверхностей КМ, полученных механической обработкой (а) на входе сверла (х3) и (б) на внутренней поверхности (х20) (ЭД – 20 – 100 мас.ч., ПЭПА – 11 мас.ч., ДБФ – 5 мас.ч., маршалит =0,3): 1 – сколы; 2 – отверстие 15; 3 – полимерный КМ; 4 – трещина

Деструктированный слой образуется под действием механических напряжений, теплоты и окислительных процессов поверхностного слоя, претерпевшего механохимические превращения полимера и диспергирование наполнителя.

При контактном взаимодействии полимера с металлом (инструментом) возбуждается механохимический процесс, повышающий кинетическую активность системы. Данный процесс протекает с массовым образованием свободных радикалов за счет разрыва ковалентных связей макромолекул.

Впроцессе механической обработки контакт ювенильных поверхностей металла и полимера, приводит, с одной стороны, к пластифицированию металлической поверхности, а с другой – к углублению процесса деструктирования макромолекул, вызываемого каталитическим действием металла.

Наличие кислорода резко изменяет механизм и скорость деструктивных процессов [123, 124]. Интенсивные окислительные процессы, происходящие в зоне обработки, углубляют процесс деструкции полимера.

Врезультате деструкции в зоне механической обработки образуются продукты деструкции – это метиленовая, гидроксильная, карбонильная и

79

альдегидная группы, углеводные комбинации, являющиеся поверхноактивными веществами, вызывающие специфический вид износа инструмента. Также выделяются токсичные летучие вещества.

Изменение эксплуатационных характеристик поверхностного слоя эпоксидного, полиэфирного, эпоксиполиуретанового композита зависит от глубины деструкции. На величину и интенсивность деструктивных процессов влияет главным образом теплота, выделяемая в зоне резания и механическое воздействие, приводящее к разрыву молекулярных цепей полимера [125].

При механической обработке полимерных композитов под действием больших локальных механических напряжений, высокой температуры, превышающей теплостойкость органических составляющих материала, и интенсивных окислительных процессов происходит деструкция полимера, приводящая к ухудшению эксплуатационных свойств поверхностного слоя материала. Продукты деструкции, являющиеся ПАВ (поверхностноактивными веществами), ускоряют процесс изнашивания режущего инструмента.

На рис.3.41 представлена структура поверхностного слоя термореактивного композита после механической обработки.

Рис.3.41. Схема деструктированного поверхностного слоя термореактивного КМ: 1 – адсорбированная пленка; 2 – модифицированный слой;

3 – уплотненный, собственно деструктированный слой; 4 – раздробленный и разрыхленный слой; 5 – переходной слой; 6 – исходная структура материала

80