Разработка и исследование термочувствительных полимерных волокнистых композиционных материалов

Актуальность работы. Стремление к уменьшению габаритов и массы, удешевлению и повышению эффективности механических приводов, датчиков и различного рода деталей в таких областях техники, как микромеханика, робототехника, строительство, медицина, авиастроение и др., дало мощный импульс разработке и внедрению материалов, проявляющих высокую чувствительность к физическим полям различной природы и способных запрограммировано реагировать на внешнее воздействие. В настоящее время за рубежом (США, Японии и Европе) ведутся многочисленные исследования, в которых особое внимание уделяется поиску новых перспективных материалов, способных проявлять различные физические эффект, связанные с изменением геометрии или свойств при внешнем воздействии. К сожалению, исследования отечественных ученых сконцентрированы на уже хорошо известных биметаллах, пьезоэлектриках и материалах с памятью формы, широкое применение которых ограничивается довольно высокой стоимостью и сложностью технологий их изготовления.

Проведенный нами анализ поведения полимерных волокнистых композиционных материалов (ПВКМ) в условиях действия переменных температурных полей показал, что некоторые ПВКМ термочувствительны, недороги, а детали из них могут быть изготовлены простыми технологическими способами. Развиваемые в ПВКМ при изменении температуры термические напряжения вызывают в них значительные деформации, для предотвращения появления которых необходимо приложение больших внешних усилий.

Таким образом, некоторые ПВКМ могут быть применены в качестве чувствительных и активных материалов для датчиков температуры и, главным образом, механических активаторов. Однако, сведения о температурных деформационно-силовых характеристиках различных структур из ПВКМ и методиках их расчета довольно скупы и сводятся в основном к решению задач по снижению в деталях, изготовленных из них, термических напряжений.

Самостоятельное же применение ПВКМ в качестве основного материала датчиков температуры и механических активаторов в современной научной литературе не рассматривается.

В связи с этим представляется весьма актуальными исследования, направленные на установления влияния состава, структуры и схемы армирования ПВКМ, на величину и направленность деформаций и генерируемых ими при изменении температуры удельных сил. Полученные данные позволят обоснованно разрабатывать термочувствительные ПВКМ с заданными характеристиками для различных условий эксплуатации, будут способствовать повышению доступности их на предприятиях России вместо аналогов из других материалов.

Цель работы. Исследование влияния состава, структуры и схемы армирования ПВКМ на величину и направленность деформаций и генерируемых ими при изменении температуры сил и разработка на этой основе термочувствительных материалов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: среди многообразия структур ПВКМ выбрать такие, которые при изменении температуры проявляют значительные деформацииразработать математические модели, описывающие взаимосвязь величины деформации термочувствительных ПВКМ, возникающих при изменении температуры, с его составом (соотношением матрицы и наполнителя), типом и степенью анизотропии и материальными характеристиками компонентов (ТКЛР, модуль упругости, коэффициент Пуассона) — с помощью математических моделей определить такие материальные, структурные и пространственные характеристики термочувствительных ПВКМ, при которых они проявляют максимальные деформационно-силовые характеристикипровести экспериментальную проверку адекватности разработанных математических моделей и апробировать их при создании ПВКМ для сенсоров и активаторов с требуемым уровнем деформационно-силовых характеристик.

Научная новизна заключается в следующем:

— разработаны анизотропные полимерные волокнистые структуры, которые при изменении температуры способны генерировать значительные перемещения и силы. Среди них неуравновешенные ортотропные пластины (ТБП), материалы с цилиндрической анизотропией ТУС (ЦАТУС) и материалы, армированные кручеными волокнистыми структурами (АКС);

— разработаны физические и математические модели выбранных термочувствительных ПВКМ, связывающие между собой их материальные и геометрические характеристики с проявляемыми при изменении температуры деформациями и напряжениями. Эти модели позволяют расчетным путем оптимизировать состав, структуру и пространственную ориентацию наполнителя в термочувствительных ПВКМ. Различия количественных значений теоретических и экспериментальных данных не превышает 10%;

— установлено, что термочувствительные ПВКМ, изготовленные на основе стеклянных, углеродных и арамидных волокон, сочетаемых с термопластичными (полиэтилентерефталат, полисульфон) и термореактивными (полиэфир, полиэпоксид, полиимид) связующими, сохраняют стабильные обратимые деформационно-силовые характеристики до температур нагрева, не превышающих температуру стеклования (Тс) матричной фазы.

Практическая значимость работы. Разработаны структуры ПВКМ, проявляющие при изменении температуры перемещения и силы, достаточные для изготовления термочувствительных элементов, способных выполнять функции сенсоров и механических активаторов.

Разработана методика теоретической оптимизации материальных и пространственных характеристик термочувствительных ПВКМ, в основе которой лежат физические и математические модели элементов.

Предложена методика расчета деформационных и силовых характеристик термочувствительных ПВКМ, позволяющая сравнивать эти значения с аналогичными значениями для других материалов, чувствительных к другим полям.

Представленные результаты были получены при выполнении в 1999;2005 гг. научно-практических работ на темы: «Поисковые исследования по разработке научных основ создания „интеллектуальных“ материалов и конструкций.» (Договор № 1095 от 25.11.1999 г.) и «Поисковые исследования по разработке научных основ создания композиционных интеллектуальных высокопрочных конструкционных и функциональных материалов.» (Госконтракт № 1439), выполняемых по Постановлению правительства РФ № 440−3 от 17.04.1999 г. и № 876−48 от 30.12.2004 г.

Термочувствительные элементы в виде колец прошли апробацию с положительным эффектом в ФГУП «ГНПП «Темп». По результатам апробации получено заключение о целесообразности использования разработанных термочувствительных ПВКМ в производстве изделий различного назначения.

Апробация работы: Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на международных конференциях «ТПКММ» (Москва, МГУ, 2003, 2005гг.) — на Российской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» (Москва, 2002, 2004гг.) — на Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005гг.).

I. Проблемы создания чувствительных и активных элементов из ПВКМ.

Одной из важных проблем современной техники является поиск или синтез новых материалов способных преобразовывать один вид энергии в другой или изменять характеристики в процессе эксплуатации. Такие «интеллектуальные» материалы (ИМ) [1, 2, 3, 4, 5, 6] необходимы для решения многих современных задач: миниатюризации механизмов, повышения долговечности, прочности и снижения веса изделий, создания структур с принципиально новыми механическими характеристиками, а так же упрощения и удешевления технологий производства изделий путем замены их отдельных громоздких узлов на небольшие элементы, выполняющие аналогичные функции. [7, 8, 9, 10].

Чувствительные и активные элементы известны в технике уже давно. Так, всевозможные термометры, барометры и т. д. содержат в своей структуре самые простейшие чувствительные элементы: столбик с ртутью, спиртом и др. Примером простейшего механического активатора может служить разогретое до высокой температуры металлическое кольцо, которое после нагревания надевается на место соединения двух труб и, охлаждаясь, стягивает их, делая это соединение прочным. Вторым поколением чувствительных и активных элементов можно условно считать электрические элементы, представляющие собой целые конструкции: переменные емкости, индуктивности и сопротивления. На их основе был сделаны многочисленные датчики перемещений, сил, температуры, давления, роторные электромоторы, индукционные пушки и т. д. К третьему поколению чувствительных и активных элементов можно отнести материалы и материальные структуры, преобразующие один вид энергии в другой, и решающие многие задачи на материальном уровне. К ним относятся пьезоэлектрические, ионообменные, электрои магнитострикционные материалы, материалы с «памятью» формы и т. д. [2, 3, 6, 7].

На основе чувствительных и активных элементов третьего поколения создаются «интеллектуальные» системы, для которых характерна биологическая схема функционирования: сенсор — процессор — активатор. Эти системы выигрывают в весе, простоте и эффективности благодаря новым материалам, применяемым в них.

Однако, чувствительные и активные элементы на основе уже известных пьезоэлектрических материалов, материалов с «памятью» формы и др. не решают всех стоящих перед ними задач. В частности, пьезоэлектрические материалы генерируют малые перемещения [11], а материалы с «памятью» требуют постоянного механического вмешательства для многократного «воспоминания» формы [12]. Кроме того, для широкого применения эти материалы весьма дороги. В связи с этим, настоящая работа посвящена разработке чувствительных и активных материалов на основе ПВКМ, которые могли бы быть использованы в качестве самостоятельных элементов (сенсоров и активаторов), а так же в качестве элементов «Интеллектуальных» конструкций.

Основные выводы.

1. Из ПВКМ созданы анизотропные структуры, которые при изменении температуры способны генерировать значительные перемещения и силы. Среди них двухслойные ортотропные пластины неуравновешенной структуры, кольца и пружины из ПВКМ с цилиндрической анизотропией термоупругих свойств, стержни и пластины, армированные кручеными волокнами. Установлено, что деформирование этих структур при изменении температуры обусловлено тем, что волокнистый каркас преобразует термическое расширение матрицы в деформации изгиба и кручения.

2. Разработаны математические модели выбранных анизотропных структур, которые связывают между собой материальные и геометрические характеристики термочувствительных ПВКМ с проявляемыми ими при изменении температуры деформациями и напряжениями. Показано, что эти зависимости являются линейными функциями температуры.

3. Проведена теоретическая оптимизация исследуемых ПВКМ, позволившая найти такие их материальные, структурные и пространственные характеристики, которые обеспечивают при изменении температуры максимальные перемещения и силы. Показано, что возникающие в исследуемых ПВКМ термические напряжения не превышают критических значений, если толщина материала не превышает 3 мм.

4. Экспериментальная проверка показала, что полученные математические модели довольно точно количественно (ошибка < 10%) описывают взаимосвязь деформаций и сил, проявляемых при изменении температуры, с материальными и пространственными характеристиками исследуемых ПВКМ.

5. В результате анализа экспериментально-теоретических данных показано, что исследуемые ПВКМ оптимальной структуры могут проявлять при изменении температуры на 100 °C линейные и угловые перемещения соизмеримые с их габаритами (100мм, 50°) и силы, значительно превосходящие их вес (>50Н). Установлено, что максимальные деформации в исследуемых ПВКМ проявляются при содержании матричной фазы в пределах 50−60 об.%, а максимальные силыпри 40−50 об.%.

6. Показано, что если структура ПВКМ проявляет значительные деформации, то уровень генерируемых ею удельных сил относительно невысок, и наоборот. При этом соотношение деформации-силы определяется жесткостью и в первую очередь абсолютной толщиной деталей. Однако совершаемая материалом удельная работа за счет преобразования тепловой энергии в механическую для рассмотренных ПВКМ не зависит от абсолютных размеров деталей и лежит в пределах 30−40 Дж/кг.

7. По данным, приведенным в литературных источниках, посвященных чувствительным и активным материалам, было проведено сравнение базовых свойств термочувствительных ПВКМ с другими чувствительными и активными материалами. Установлено, что по уровню деформаций и удельной работы на единицу массы термочувствительные ПВКМ уступают только материалам «с памятью формы».