Способ создания тестовых образцов для проведения исследований прочности в системе моноволокно - полимерная матрица (Drop - Sting test) и устройство для создания тестовых образцов
METHOD FOR CREATING TEST SAMPLES FOR CARRYING OUT STRENGTH STUDIES IN THE SYSTEM OF MONOFILAMENT - POLYMER MATRIX (DROP - STING TEST) AND A DEVICE FOR CREATING TEST SAMPLES

Изобретение относится к способу создания тестовых образцов для проведения исследований прочности в системе моноволокно - матрица (отвержденное реактопластичное связующее) для волокон различных размеров в том числе сверхтонких (диаметр волокна менее 10 мкм).
В современной промышленности широко используются волокнистые полимерные композиционные материалы (ПКМ), на основе реактопластичных матриц, армированные волокнами различной природы [Pedram Parandoush, Dong Lin A review on additive manufacturing of polymer-fiber composites // Composite Structures, 2017, V.182, pp.36-53; Kablov E.N. Composites: today and tomorrow // Metally Evrazii, 2015; Yao S.-S., Jin F.-L., Rhee K.Y., Hui D., Par S.-J. Recent advances in carbon-fiber-reinforced thermoplastic composites: A review // Composites Part B: Engineering, 2018, V.142, pp.241-250]. Деформационно-прочностные свойства армированных композитов определяются не только характеристиками матрицы и волокна, но и свойствами на межфазной границе волокно-матрица [Hughes J.D.H. The carbon fibre/epoxy interface - a review // Composites Science and Technology, 1991, V.41, pp.13-45]. Известно, что матрица равномерно распределяет нагрузку между волокнами, поэтому состояние граничного слоя в системе волокно-матрица во многом определяет степень реализации прочности армирующего наполнителя в композите. В связи с этим, для разработки современных волокнистых композиционных материалов, обладающих комплексом высоких физико-механических характеристик необходимо иметь надежную, воспроизводимую методику, позволяющую проводить адгезионные исследования на межфазной границе волокно-матрица в широком диапазоне характеристик компонентов.
Важно, что методики прямого измерения прочности в системе моноволокно-матрица, моделирующей элементарную ячейку волокнистого ПКМ [Karzov I.M., Alentiev A.Yu., Bogdanova Yu.G., Kostiina Yu.V., Shapagin A.V. The influence of "fibre-matrix" interface energetic characteristics on the polymer composite strength // Moscow University Chemistry Bulletin, 2010, V.51, N.6, p.462], позволяют избежать наложения на результат конструкционных, масштабных и других факторов, и получить истинные значения прочности, учитывающие только физико-химические свойства компонентов системы. Измерение адгезионной прочности микромеханической методикой в такой ячейке максимально соответствует процессам, происходящим в реальных полимерных композиционных материалах при разрушении.
Основная сложность при исследовании адгезионной прочности микромеханическими методами в системе моноволокно-матрица заключается в приготовлении тестовых образцов [Chand S. Review Carbon fibers for composites // J. of Materials Science, 2000, V. 35, pp. 1303-1313]. На сегодняшний день, лучшие прочностные свойства демонстрируют ПКМ, армированные углеродными волокнами (УВ), диаметры которых варьируются от 5 до 10 мкм. Сверхтонкие моноволокна характеризуются низкими абсолютными значениями когезионной прочности, что требует, при разработке микромеханической методики определения прочности, снижения поверхности контакта в адгезионной паре моноволокно-матрица до значений, исключающих когезионное разрушение моноволокна при его извлечении.
Разработанные ранее методики прямого определения прочности имеют ряд недостатков, связанных со способами создания тестовых образцов. В микромеханической методике «трех волокон» [Горбаткина Ю.А., Иванова-Мумжиева В.Г. Адгезия модифицированных эпоксидов к волокнам // Москва, ТОРУС ПРЕСС, 2018, 216с.; Gorbatkina Yu.A. Adhesive Strength of Fibre-Polymer System // Ellis Horwood, New York, London, 1992] область контакта моноволокна и матрицы невозможно регулировать, так как она определяется диаметром вспомогательных стеклянных волокон. Методика, для которой приготовление тестовых образцов осуществляется этим способом, не может быть использована при исследовании моноволокон с диаметрами менее 10 мкм. Микромеханическую методику microbond [Day R.J., Caucih Rodrigez J.V.// Investigation of the micromechanics of the microbond test // Composites Science and Technology. 1998. V.58, Iss.6, pp.907-914; Wu Q., Zhao R., Zhu J, Wang F. //. Interfacial improvement of carbon fiber reinforced epoxy composites by tuning the content of curing agent in sizing agent// Applied Surface Science. 2020. V. 504. p. 12] невозможно использовать для измерений адгезионной прочности в системе углеродное моноволокно-матрица, так как диаметр углеродных моноволокон обуславливает малый размер капли отвержденного связующего (матрицы) при котором невозможно использовать оснастку для испытаний. Методика fragmentation test SFFT [Feih S., Wonsyld K., Minzari D. Wesermann P., Lolholt H. Testing Procedure for the Single Fiber Fragmentation Test // Roskilde: Risø National Laboratory, 2004 Report no.: Risø-R-1483(EN)] позволяет получать достоверные результаты для волокон практически любой толщины. Однако, ее использование существенно ограничивает сложность предварительных калибровочных процедур и обработки экспериментально полученных данных, а на точность и воспроизводимость результатов существенное влияние оказывает способ создания тестовых образцов. Одной из самых востребованных, наряду с методикой microbond является pull-out test в обеих модификациях (крепление в зажим сверху и фиксация ножом) [Sørensen B.F., Lolholt H. Fiber pull-out test and single fiber fragmentation test - analysis and modelling // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Volume 139, 37th Risø International Symposium on Materials Science 5-8 September 2016, Risø, Denmark; Di Francia S., Ward T.C., Claus R.O. The single-fibre pull-out test. 1: Review and interpretation // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 1996, V.27, Iss.8, pp.597-612.], но его возможности не позволяют определять прочность адгезионных систем со сверхтонкими углеродными моноволокнами, в связи с отсутствием условий для контроля площади поверхности адгезионного контакта.
Таким образом, на сегодняшний день для моноволокон с размерами менее 10 мкм не существует методик измерения прочности в системе моноволокно-реактопластичная матрица. Это связано с отсутствием в существующих способах создания тестовых образцов возможности достижения между компонентами системы площади контакта заданного размера, обеспечивающего разделение компонентов без когезионного разрушения моноволокна.
Настоящее изобретение включает в себя способ создания тестовых образцов для проведения исследований прочности в системе моноволокно-матрица для реактопластичных отвержденных связующих и волокон практически любых размеров. Название патентуемого способа создания тестовых образцов - Drop-Sting test было определено авторским коллективом.
Разработанный способ создания тестовых образцов для проведения микромеханических исследований Drop-Sting test позволяет с достаточной точностью воспроизвести процессы структурообразования в композиционных материалах, и лишена большинства недостатков, присущих имеющимся методикам. Неоспоримым достоинством способа является проведение исследований на моноволокне в отвержденном связующем. Это позволяет получать истинные значения прочностных характеристик в системе моноволокно-матрица, являющейся элементарной ячейкой ПКМ, исключая особенности, связанные с пропиткой нитей и, как следствие, с обработкой полученных результатов.
Технический результат заявленного изобретения - получение тестового образца для проведения деформационно-прочностных исследований системы моноволокно-матрица, пригодного для изучения межфазных взаимодействий в системах со сверхтонкими моноволокнами (менее 10 мкм).
Получаемый тестовый образец отличается от образцов других адгезионных микромеханических методик тем, что при его создании прецизионно контролируется площадь межфазной границы моноволокно - матрица. Малые глубины погружения (несколько десятков микрометров) позволяют снизить нагрузку разрушения адгезионной системы ниже нагрузки когезионного разрушения моноволокна.
Технический результат достигается тем, что:
моноволокно помещают в зажим, позволяющий без механических повреждений, надежно зафиксировать его вертикально, свободный конец моноволокна имеет длину не менее глубины погружения в связующее;
подложку из медной (серебряной, алюминиевой) проволоки (диаметр 100÷500 мкм) размещают на термостатируемом столике вертикально под моноволокном;
каплю реактопластичного связующего наносят на подложку (на торец проволоки);
совмещают конец моноволокна и вершину капли, позиционирование осуществляют при помощи гониометрического стола микромеханическими винтами по осям oX, oY и при помощи прецизионного шагового двигателя по оси oZ, контроль осуществляется оператором через видео камеру горизонтального микроскопа;
погружают моноволокно в каплю связующего на заданную глубину, прецизионным перемещением вверх подложки на термостатируемом столике;
адгезионную систему нагревают до температуры отверждения связующего и выдерживают до фиксации компонентов системы (до точки гелеобразования);
полное отверждение системы проводят в термостатируемом шкафу, для увеличения скорости создания тестовых образцов;
тестовый образец вклеивают в держатель для проведения деформационно-прочностных испытаний.
Устройство для создания тестового образца позволяет опустить моноволокно на определенную глубину в реактопластичное связующее и посредством отверждения связующего при заданной температуре зафиксировать систему моноволокно-матрица. Формирование адгезионного соединения происходит с микроскопическим контролем на разработанном оригинальном прецизионном устройстве и включает:
зажим для крепления моноволокна, обеспечивающий надежную фиксацию;
систему прецизионного позиционирования моноволокна относительно матрицы по осям оX и оY, состоящую из гониометрического стола с микромеханическими винтами регулировки по осям oX и oY;
систему управления позиционированием по оси oZ, в состав которой входит шаговый двигатель с редуктором, для погружения моноволокна в матрицу на заданную глубину;
термостатируемый столик для поддержания температуры в диапазоне от 20 до 220°С;
горизонтальный оптический микроскоп, оснащенный видео камерой для контроля за позиционированием;
компьютер для обработки видеоизображения с микроскопа.
Сущность заявленного изобретения в дальнейшем поясняется детальным описанием и иллюстрациями, на которых изображено следующее:
Фиг.1. Фотоизображение устройства создания тестовых образцов по способу Drop-Sting test и вспомогательного оборудования, где:
А - устройство создания тестовых образцов;
Б - горизонтальный оптический микроскоп с видеокамерой;
В - монитор компьютера с изображением тестового образца;
Г - блок управления устройством (температурой и глубиной погружения);
Фиг. 2. Фотоизображения видов: спереди, сбоку и на термостатируемый столик устройства создания тестовых образцов по способу Drop-Sting test, где:
1 - зажим;
2 - подложка;
3 - термостатируемый столик;
4 - реактопластичное связующее;
5 - гониометрический стол;
6 - микромеханический винт по оси oX;
7 - микромеханический винт по оси oY;
8 - прецизионный шаговый двигатель по оси oZ;
9 - горизонтальный оптический микроскоп;
Фиг. 3. Изображение тестового образца, полученное через объектив горизонтального микроскопа, где:
2 - подложка;
4 - реактопластичное связующее;
10 - моноволокно;
Фиг. 4. Тестовый образец в держателе, где:
2 - подложка;
4 - реактопластичное связующее;
10 - моноволокно;
11 - держатель
Фиг. 5. Прожигание держателя тестового образца перед проведением деформационно-прочностных исследований, где:
11 - держатель;
12 - зажимы физико-механического оборудования;
13 - электрод;
Фиг. 6. Пример адгезионограммы, полученной при разрушении тестового образца, созданного по способу Drop-Sting test;
Фиг. 7. СЭМ-изображение извлеченного из матрицы моноволокна с отмеченными геометрическими параметрами контактирующей с матрицей поверхности, где:
10 - моноволокно;
14 - мениск отвержденного связующего;
l - длина
d - диаметр
Фиг. 8. Оптическое изображение разрушенного тестового образца после деформационно-прочностных испытаний, где:
2 - подложка;
4 - реактопластичное связующее;
10 - моноволокно;
14 - мениск отвержденного связующего;
15 - полый канал после извлечения моноволокна из матрицы.
Конкурентное преимущество способа создания тестовых образцов Drop-Sting test - отсутствие требований к минимальной толщине волокна и к его когезионной прочности, так как разработанный способ принципиально отличается от описанных ранее тем, что специальное устройство для создания тестовых образцов элементарных ячеек ПКМ позволяет регулировать глубину погружения моноволокна в связующее с последующей его фиксацией при отверждении. Таким образом, варьируя поверхность контакта моноволокна в матрице, достигается условие, когда прочность адгезионной системы моноволокно-матрица ниже когезионной прочности моноволокна. Соблюдение этого условия при приложении к тестовому образцу растягивающей нагрузки исключает когезионное разрушение моноволокна. Пороговая глубина фиксации моноволокна в матрице определяется эмпирически, исходя из условия, что абсолютное значение прочности адгезионного соединения должно быть ниже, чем предварительно экспериментально определенное значение прочности моноволокна.
Деформационно-прочностные испытания тестовых образцов по способу Drop-Sting test проводят на физико-механическом оборудовании, которое должно обеспечивать приложение к тестовым образцам растягивающей нагрузки со скоростью в диапазоне 0,1÷10 мм/мин и регистрацию нагрузки с высокой точностью в диапазоне 0÷1 Н.
Способ создания тестового образца осуществляется следующим образом.
моноволокно помещают в зажим, позволяющий без механических повреждений, надежно зафиксировать его вертикально, свободный конец моноволокна имеет длину не менее глубины погружения в связующее;
подложку (2) из медной (серебряной, алюминиевой) проволоки (диаметр 100÷500 мкм) размещают на термостатируемом столике (3) вертикально под моноволокном;
каплю реактопластичного связующего (4) наносят на подложку (на торец проволоки);
совмещают конец моноволокна и вершину капли, позиционирование осуществляют при помощи гониометрического стола (5) микромеханическими винтами по осям oX, oY (6, 7) и при помощи прецизионного шагового двигателя по оси oZ (8), контроль осуществляется оператором через видео камеру горизонтального микроскопа (9);
погружают моноволокно (10) в каплю связующего на заданную глубину, прецизионным перемещением вверх подложки на термостатируемом столике;
адгезионную систему нагревают до температуры отверждения связующего и выдерживают до фиксации компонентов системы (до точки гелеобразования);
полное отверждение системы проводят в термостатируемом шкафу, для увеличения скорости создания тестовых образцов;
тестовый образец вклеивают в держатель (11) для проведения деформационно-прочностных испытаний.
Держатель с тестовым образцом помещают в зажимы физико-механического оборудования (12) и перед нагружением боковые поверхности держателя прожигают омически разогретым электродом (13), что исключает механическое повреждение тестового образца (фиг. 5). Приложение растягивающей нагрузки в результате перемещения зажима (12) с заданной скоростью испытания, приводит к извлечению моноволокна из матрицы. В результате деформационно-прочностных испытаний системы моноволокно-матрица регистрируется адгезионограмма (фиг. 6). Проверку глубины погружения моноволокна в матрицу и оценку характера разрушения системы рекомендуется проводить посредством анализа извлеченных моноволокон в сканирующем электронном микроскопе (фиг. 7) или оптическом микроскопе (фиг. 8) с увеличением, обеспечивающем достаточное для анализа разрешение. Анализ микрофотографий (фиг. 7) позволяет определить диаметр (d) моноволокна и его глубину погружения (l) в связующее по фрагментам на моноволокне материала (14) матрицы (мениска). Из этих данных рассчитываем площадь поверхности (S) моноволокна на межфазной границе с матрицей по формуле
2
S=πdl+π(d/2).
Р
Полученные деформационно-прочностные зависимости (фиг. 6) позволяют рассчитать прочность системы моноволокно-матрица, как максимальное напряжение при разрушении (σ) тестового образца по формуле
Р
Р
σ=F/S,
и дифференцировать процесс разрушения, выделяя локальные пики на адгезионограмме, что важно при проведении как прикладных работ, так и фундаментальных - по изучению механизма разрушения элементарных ячеек ПКМ моноволокно-матрица.
Таким образом, в лаборатории структурно-морфологических исследований Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН разработан микромеханический способ Drop-Sting test создания тестовых образцов для определения прочности элементарной ячейки ПКМ моноволокно-матрица для реактопластичных связующих и для моноволокн с размерами от сотен до единиц микрометров. Способ, помимо прикладного применения для оценки качества адгезионного контакта посредством прямого измерения, полезен при проведении фундаментальных работ по изучению смачивания, адгезионных характеристик и механизма разрушения в системах моноволокно-матрица. Для реализации способа разработано оригинальное устройство создания тестовых образцов моноволокно-матрица.