Корреляция физико-механических свойств и микроструктуры композиционных материалов на основе арамидных тканей, модифицированных в СВЧ электромагнитном поле

Высокие прочностные и термостойкие характеристики тканей на основе арамидных нитей определяют их применение в качестве армирующих компонентов композиционных материалов. Из них можно изготавливать конструкционные элементы транспортных средств, в частности – летательных аппаратов. Конструкционные органопластики, армированные арамидными волокнами, относятся к самым легким полимерным композиционным материалам авиационного назначения. Из арамидных органопластиков изготавливают легкие обшивки планера вертолетов, обшивки хвостовых секций несущих винтов вертолетов, обшивки зализов и носков крыла самолетов и др. [1–11]. Разрушение органопластиков в отличие от стекло- и углепластиков сопровождается множественным разрушением самих армирующих волокон с образованием обширной поверхности разрушения. Такой механизм разрушения требует больших затрат энергии, что обуславливает высокую ударную стойкость органопластиков. Поэтому указанные материалы все шире применяются наряду с традиционными в авиастроении стекло- и углепластиками.

Композиционные материалы на основе арамидных нитей и тканей применяются не только как конструкционные, но и в качестве так называемых «баллистических» материалов, использующихся в качестве индивидуальных средств защиты 1-го и 2-го класса для экипировки служащих МЧС и персонала, работающего в экстремальных условиях, когда возможны аварийные ситуации, сопровождающиеся механическим поражением скоростными объектами, воздействием высоких температур или жидкостей под давлением. Хорошие защитные свойства арамидных тканей в сочетании с легкостью и гибкостью привели к их широкому применению в армии, авиации и во флоте [12, 13]. В России к одним из наиболее распространенных баллистических материалов на основе арамидных нитей относятся ТСВМ, «Русар» и некоторые другие в целом сходные по свойствам материалы [14, 15].

Постановка задачи

Исследования по повышению прочности органопластиков на основе арамидных тканей направлены на совершенствование технологий получения исходных компонентов и формирования тканей путем оптимизации плетения [16, 17], что усложняет и удорожает процесс, а также приводит к необходимости перестройки или перевооружения производства, что удлиняет цикл внедрения новых разработок. В этой связи целесообразно изыскание альтернативных методов повышения прочности и надежности изделий из композиционных материалов, содержащих арамидные нити и ткани, без изменений существующих технологий синтеза компонентов и формирования структуры. Одним из эффективных путей реализации данного подхода является модифицирование микроструктуры окончательно сформированных изделий в СВЧ электромагнитном поле. Поскольку в плане структуры и различий в физико-механических свойствах матрицы и наполнителя композиции, содержащие арамидные ткани в качестве армирующего компонента, мало отличаются от изученных нами материалов [18, 19], представляет интерес рассмотреть влияние СВЧ электромагнитного поля на механические свойства композиций арамидных тканей и дополнительно оценить изменение их защитных характеристик.

Целью исследования является изучение влияния воздействия микроволнового излучения на усилие прокола арамидных тканей ТСВМ-ДЖ артикул 56319А, являющихся армирующей основой конструкционных органопластиков и ряда защитных бронепакетов.

Методика исследований, оборудование и аппаратура

Во всех экспериментах использовали монослойные образцы в исходном состоянии и пропитанные клеем 88 с последующим отверждением. Последние представляли собой модели композиционных арамидных структур.

Эксперименты проводили на микроволновой установке «Жук-2-02» (ООО «АгроЭкоТех», г. Обнинск Калужской обл.), позволяющей регулировать мощность СВЧ электромагнитного поля частотой 2450 МГц путем изменения дистанции воздействия. Исследовали три уровня мощности: низкий, средний и высокий. Конкретные параметры удельной мощности не указываются в связи с проходящей процедурой патентования. Время обработки устанавливали равным 1, 4 и 8 минут.

Испытания образцов до и после обработки проводили на компьютерной установке, оснащенной тензометрическими датчиками усилий и червячным механизмом нагружения. Сигналы датчиков передавались через аналогово-цифровой преобразователь в компьютер. Обработка результатов измерения нарастания приложенной к образцу нагрузки по специальной заложенной в установке программе (LabVIEW, г. Орел) позволяла получить графики нагрузки (момента) в динамике от момента ее приложения до прокола образца, фиксируемого по спаду кривой нагружения. В экспериментах использовали образцы размерами 30×40 мм. Специальная оснастка позволяла зажимать образцы по контуру на блоке тензометрического датчика. В нагружающем рычаге установки закреплялся стальной индентор в виде конуса (90°) с радиусом округления вершины 0,1 мм. Микроструктуру образцов изучали при помощи электронного микроскопа MIRA II LMU (Tescan Ersay Holding, Чехия) в Лаборатории материалов специального назначения Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского.

Результаты и обсуждение

Анализ графиков кинетики нарастания усилия прокола исходных и пропитанных образцов (рис. 1) позволяет отметить следующие особенности.

Новые конструкционные материалы

д)

е)

Рис. 1. Кинетика нагружения коническим индентором до момента прокола монослойных образцов ткани ТСВМ-ДЖ в исходном состоянии ( а, в, д ) и пропитанных клеем 88 с последующим отверждением ( б, г, е ). Графики а и б относятся к контрольным образцам, графики в и г – к модифицированным в СВЧ электромагнитном поле малой удельной мощности в течение 1 минуты, графики д и е – в течение 4 минут

Процесс нарастания усилия прокола исходных образцов имеет ступенчатый характер, что может быть связано с постепенным растяжением и разрывом отдельных групп нитей тканного материала. Это отмечается как для контрольного, так и для обработанного в СВЧ электромагнитном поле образцов. Разброс значений усилия прокола для контрольного образца составляет от 0,12 до 0,22 Н (в 1,8 раза), для обработанного в течение 4 минут – от 0,4 до 0,6 Н (в 1,5 раза). Для композиционного материала этот параметр существенно отличается. Контрольные образцы имеют разброс значений усилий прокола от 0,26 до 0,65 Н (в 2,5 раза), обработанные – от 0,6 до 0,7 Н (в 1,17 раза). Таким образом, если для исходного материала разброс усилий как контрольного, так и обработанного образцов отличается незначительно, для пропитанных клеем 88 и отвержденных образцов различие весьма существенно. Обработанные в СВЧ электромагнитном поле образцы обеспечивают снижение разброса значений усилия прокола почти в 2 раза. Одно- временно можно констатировать практическое отсутствие ступенчатого характера нарастания нагрузки и относительно плавный характер графиков. Это возможно связано с тем, что эластичная клеевая матрица способствует выравниванию нагрузок, действующих на нити, также возможно влияние их объединения в жгуты, что также обеспечивает с одной стороны повышение значений максимальных усилий прокола, с другой стороны – нивелирует различия в прочности материала, вызванные погрешностями плетения и структуры нитей, состоящих из волокон и фибрилл. Одновременно эффект повышения прочности образца после обработки в СВЧ электромагнитном поле проявляется для композиции «арамидная ткань – клей 88» значительно в большей степени, чем для исходного монослоя (рис. 2–4).

а)                                                           б)

Рис. 2. Влияние мощности СВЧ электромагнитного поля и времени воздействия на изменение усилия прокола исходного монослоя ткани ТСВМ-ДЖ (1) и отвержденного монослоя, пропитанного клеем 88 (2).

Закономерность изменения усилия от времени воздействия (а), сравнительная диаграмма (б)

Рис. 4. Влияние времени воздействия СВЧ электромагнитного поля на изменение усилия прокола исходного монослоя ткани ТСВМ-ДЖ (1) и отвержденного после пропитки клеем 88 монослоя (2)

Рис. 3. Влияние связующего (клей 88) на изменение усилия прокола монослоя ткани ТСВМ-ДЖ в зависимости от вида обработки

График нарастания усилия в пропитанном клеем и отвержденном слое п о казывает его увеличение в 2 раза после обработки в течение 1 минуты. Зависимость имеет яв н ый участок крутого нарастания в период времени 0,5–2 минуты, затем становится более пологой. График зависимости для исходной ткани плавно повышается с увеличением времени нахождения образца в СВЧ электромагнитном поле. После 8 минут СВЧ обработки различие в прочност и исходной и пропитанной ткани составляет 1,5 раза и графики являются практически эквидистантными (рис. 2 а ). Данный результат может быть обоснован большей эффективностью влияния СВЧ электромагнитного поля на молекулы клеевой матрицы, элементы которой перестраиваются и приобретают

Новые конструкционные материалы большее число связей с волокнами и нитями армирующей ткани уже в первый момент помещения в поле.

С увеличением времени нарастает значение укрепления межфибрилльных связей волокон в арамидных нитях, что приводит к упрочнению армирующего компонент а . В то же в ремя, по-видимому, клеевая матрица после отверждения фиксирует фибриллы и препятствует и х взаимодействию, что замедляет упрочнение композита с течением времени СВЧ воздействия относительно исходного тканного материала.

Данное предположение иллюстрируется графиками влияния связую щ его и вре м ени СВЧ воздействия на эффект повышения усилия прокола и з учаемых материалов (см. рис. 3 и 4).

Видно, что проникновение клеевой матрицы между арамидными нитями сп о собствует увеличению прочности образца при испытаниях на прокол на 19–20 %. Воздействие СВЧ электромагнитного поля на отвержденный композит с данным составом в течение 1 минуты вызывает рост усилия на 120 %. Более длительная обработка (4 минуты) хотя и об е спечивает дальнейшее повышение прочности образца (см. рис. 2 а и б ), тем не менее вызывает относительно меньший рост прочности до 55 %. Аналогичные результаты дает и анализ зависимости от времени СВЧ воздействия увеличения прочности образцов при прокалывании индентором (см. рис. 4).

а)

б)

в)

г)

Рис. 5. Внешний вид отвержденного монослоя ткани ТСВМ-ДЖ, пропитанного клеем 88. Контрольные образцы (а, в), образцы, модифицированные в СВЧ электромагнитном поле (б, г). Поле зрения 2 мм (а, б) и 0,33 мм (в, г)

Изучение микрофотографий структуры отвержденного после пропитки клеем 88 образца арамидной ткани ТСВМ-Дж (рис. 5 и 6) подтверждает высказанные нами выше предположения о механизме упрочнения данного материала. При малом увеличении в поле зрения 2 и 0, 3 3 мм не отмечаются существенные различия в структуре поверхности и ме ж слоевой с т руктуре контрольного и модифицированного в СВЧ электро м агнитном поле образцов (рис. 5). Тем не менее в поле зрения 0,33 мм видны тонкие клеевые связки между нитя м и, в то время как промежутки между нитями обработанного образца частично или полностью за п олнены монолитными клеевыми агломератами (рис. 5 в и г ).

View field: 65.45 pm   Det: SE

WD: 8.934 mm      SM: DEPTH

а)

б)

в)

г)

Рис. 6. Внешний вид отвержденного монослоя ткани ТСВМ-ДЖ, пропитанного клеем 88. Контрольные образцы ( а, в ), образцы, модифицированные в СВЧ электромагнитном поле ( б, г ). Поле зрения 65,45 мкм (а), 66,62 мкм (б), 33,07 мкм ( в, г )

При большем увеличении (поле зрения 66,62–33,07 мкм) хорошо ви д но, что арамидные волокна контрольного образца покрыты слоем клеевого связующего в виде тонкой об о лочки и связаны между собой тонкими (5–10 мкм) пленочными мостиками. Расстояние между волокнами составляет 10 мкм и более, т. е. структура достаточно р ыхлая со слабыми связями между нитями и волокнами. В целом структура имеет вид округлых систем с плавными сопряжениями на относительно небольшом количестве участков.

Структура модифицированных в СВЧ электромагнитном поле образцов имеет существенно отличный вид. Все нити и волокна размещены достаточно близко друг от друга, что свидетельст-

Новые конструкционные материалы вует о плотном контакте между ними. Клеевая матрица имеет вид не тонких пленок, а объемных агломератов с развитой поверхностью с многочисленными острыми выступами. Агломераты имеют угловатую форму и полностью заполняют промежутки между нитями на участках значительной протяженности.

Аналогичная структура отмечалась нами у отвержденных армированных углеродными волокнами композиционных материалов с квазиизотропной структурой [9], что свидетельствует о сходном механизме влияния СВЧ электромагнитного поля на полимерные диэлектрики. Очевидно, в результате взаимодействия с электромагнитным полем сверхвысоких частот происходит интенсивная дегидратация полимерной матрицы, приводящая к деформациям сжатия и уменьшению размеров агломератов, которые в процессе сжатия стягивают арамидные нити, уплотняя структуру и повышая сопротивление проникновению индентора. Одновременно молекулы полимера поляризуются и совершают колебания с частотой СВЧ электромагнитного поля. В условиях дегидратации и некоторого снижения пластичности и повышения твердости это вызывает значительные внутренние напряжения, приводящие к микрорастрескиванию и появлению характерной угловатой формы агломератов с большим количеством точек контакта. Последнее наряду с уплотнением структуры способствует увеличению количества механических связей матрицы и нитей и дополнительному повышению прочности арамидного композита.

Заключение

Таким образом, установлено, что модифицирование в течение 1–2 минут в СВЧ электромагнитном поле малой удельной мощности композиционных материалов на основе клея типа 88 с наполнителем из монослоя арамидной ткани ТСВМ-ДЖ приводит к увеличению сопротивления проникновению конического индентора до 2 раз при одновременном двухкратном повышении равномерности данного показателя по поверхности образца и в партии. Наибольший эффект по упрочнению достигается в первые 2 минуты модифицирования. Причиной данных изменений механических характеристик может быть установленный на основе изучения электронных микрофотографий факт изменения вида контактного механического взаимодействия матрицы и армирующих нитей. Редкие тонкие пленочные связи замещаются на агломерированные структуры с развитой угловатой поверхностью, обеспечивающей многоточечный контакт.

Указанное повышение прочностных характеристик изделий из композиционных арамидных материалов может быть использовано при конструировании облегченных несущих элементов и оболочек фюзеляжа, несущих плоскостей и оперения малогабаритных летательных аппаратов с высокими маневренными характеристиками, а также при совершенствовании легких систем бро-незащиты личного состава ВВС, МЧС и вооруженных сил.

Исследования выполнены при поддержке гранта РФФИ № 17-03-00720 «Методология оптимизационного микроконструирования композиционных материалов для объектов сложной формы повышенной динамической прочности, послойно формируемых электротехнологическими методами».