Метод упрочнения углеродных лент модифицированными нанотрубками на основе применения ультразвуковых резонаторов

В настоящее конструкции из полимернокомпозиционных материалов (ПКМ), находят все большее применение в самых различных отраслях техники, в том числе в изделиях, которые работают в условиях повышенных нагрузок. Ряд исключительных свойств, которые могут быть получены при производстве этих конструкций, важнейшим среди которых является низкий удельный вес, делает исследование ПКМ наиболее перспективным направлением в современном материаловедении. Существующие подходы к решению задачи повышения прочности изделий из ПКМ имеют ряд проблемных вопросов. На данный момент наиболее перспективным способом повышения прочности ПКМ является внедрение в связующее небольшого количества углеродных нанотрубок (УНТ), что приводит к повышению прочности, появлению проводимости и радиопоглощающих свойств[1]. Однако, для получения таких свойств требуется равномерное распределение УНТ в объеме связующего и образование ковалентных связей между УНТ и связующим. Без дополнительной модификации УНТ склонны к образование агломератов, т.е. к неравномерному распределению, что существенно снижает эффект от их внедрения. Создание дешевого и эффективного метода, позволяющего решить описанную выше

Салаев Роман Андреевич, аспирант.

проблему, в настоящее время является одной из важнейших задач в вопросах связанных с использованием УНТ в композитных материалах.

При проведении ряда экспериментов, по внедрению и распределению УНТ в объем связующего, было замечено, что наиболее равномерное распределение удается получить при воздействии на связующее ультразвуком.

Помимо исследований по внедрению УНТ в связующее авторским коллективом был разработан другой метод повышения прочности ПКМ, который может использоваться как в качестве альтернативы внедрению УНТ в связующее, так и совместно с ним. Сущность предлагаемого метода заключается во внедрении УНТ при помощи ультразвукового резонатора в структуру углеродной ленты до пропитки связующим с использованием ультразвукового ветра. Такой метод позволит существенно повысить прочностные характеристики ленты, при минимальных затратах на оборудование и УНТ.

В настоящее время авторским коллективом проводятся дальнейшие исследования по использованию ультразвука для перемешивания и внедрению УНТ в связующее и структуру углеродной ленты, целью которых является установление закономерностей протекающих при этом процессов и выбор оптимальных условий, т.е. интенсивности и мощности ультразвукового ветра и количество УНТ, обеспечивающих наибольшее упрочнение ленты и получение ПКМ с наилучшими с точки зрения дальнейшей эксплуатации изделий свойствами.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В данной работе использовались УНТ, полученные путем химического осаждения УНТ из

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 20, № 4(3), 2018

паровой фазы (метод MOCVD) с использованием смесей летучих металлоорганических соединений и углеводородных прекурсоров в токе инертного газа при 650-900 оС [3]. Для внедрения УНТ в структуру непропитанной углеродной ленты использовалась установка, схема которой представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема установки

В данной установке в небольшую емкость 4 засыпаются нанотрубуки, количество которых варьируется исходя из скорости движения конвейера, а также толщины ленты. Далее при помощи ультразвукового ветра, который создается ультразвуковым резонатором УРСК-7Н-22 3 (рис. 2.),происходит внедрение УНТ в структуру углеродной ленты 1, которая движется по конвейеру с небольшой скоростью по всему её объему до пропитки ее связующим. Это дает наиболее равномерное распределение УНТ в структуре материала, тем самым повышая его прочностные характеристики. Резиновые изоляторы 2, необходимы для создания герметичного соединения, для избегания повышенного расхода материала и попадания УНТ в окружающую среду, т.к. при внедрении УНТ ультразвуковым ветром происходит их разброс в большом диапазоне. После окончания процесса внедрения УНТ, углеродная лента снимается с конвейера.

Следующим шагом является изготовление связующего с УНТ для пропитки углеродной ткани с включенными в структуру УНТ

Для приготовления связующего использовались:

• -    Смола эпоксидная ЭД-20 – 89,9 м.ч.

• -    Отвердитель ТЭТТА – 10 м.ч.

• -    Модифицированные углеродные нанотрубки – 0,1 м.ч.

• -    Лабораторные весы МАССА-К ВК-300.

• -    Специализированная тара для приготовления связующего.

В специальной таре, предварительно взвешенные компоненты размешиваются с использованием ультразвуковой установки, т.к.

Рис. 2. Ультразвуковой резонатор УРСК-7Н-22

при размешивании ультразвуком связующего с УНТ, происходит наиболее равномерное распределение УНТ в составе связующего. После приготовления связующего проходит дальнейшая пропитка углеродной ткани в специальной емкости, где в несколько слоев выкладывается углеродная ткань с нанесенными на ее поверхность УНТ, наносится связующее из тары, затем при помощи валика происходит дальнейший процесс пропитки слоев ткани. Готовый препрег выкладывали слоями и устанавливали под пресс гидравлический с нагревом на 24 часа.

Рис. 3. Полученные образцы

Таблица 1. Результаты испытания образцов

Образцы	Е, ГПа	Разрушающее напряжение при растяжении, МПа
Образец без добавления УНТ	250	2000
Образец с добавлением УНТ в связующее	275	2200
Образец с добавлением УНТ в связующее и структуру углеродной ленты	300	2400

Полученные образцы (рис. 3) устанавливаются в разрывную машину УМЭ-10ТМ, где проводятся прочностные испытания при разных скоростных режимах разрыва образцов.

Параллельно, для сравнения прочностных характеристик, проводились испытания для образцов без УНТ, а также образцов с УНТ добавленными только в состав связующего. После проведения лабораторных испытаний на разрывной машине УМЭ-10ТМ, был проведен анализ полученных результатов, который представлен в таблице 1.

ВЫВОДЫ

Полученные в результате экспериментальных исследований результаты позволяют сделать вывод о том, что внедрение небольшого количества УНТ в углеродную ткань при помощи ультразвукового ветра, а также добавление УНТ в связующее и дальнейшая пропитка им углеродной ленты повышает прочность конструкций из ПКМ на 20 – 30%. Учитывая дешевизну УНТ и оборудования для их нанесения, предложенный метод повышения прочности изделий из ПКМ является экономически выгодным и после завершения дополнительных исследований и установления оптимальных режимов обработки может быть рекомендован к внедрению в производство изделий, прочность которых является одним из важнейших эксплуатационных свойств.