Сп арматура композитная: Библиотека государственных стандартов

Содержание

Справочные материалы

«Стеклопластиковая арматура и стеклопластбетонные конструкции».

Автор: Н. П. Фролов; Москва, Стройиздат, 1980.

Скачать (Файл в формате .Pdf).

«Перспективы применения композитной арматуры».

Авторы: А.М. Уманский, Беккер А.Т.; Вестник инженерной школы ДВФУ. 2012. №2 (11).

Скачать (Файл в формате .Pdf).

«Работа балок, армированных композитной стеклопластиковой арматурой».

Авторы: В.П. Селяев, А.А. Соловьев, Р.Н. Парамонов, М.Ф. Алимов, И.Н. Шабаев; Региональная архитектура и строительство 2013, №3.

Скачать (Файл в формате .Pdf).

«Обзор литературы по применению в железобетонных пролетных строений мостов неметаллической композитной арматурой».

Авторы: А.О. Клементьев, М.Н. Смердов; Вестник Уральского государственного университета путей сообщения, №4 (20), 2013.

Скачать (Файл в формате .Pdf).

«Особенности испытаний и характер разрушения полимеркомпозитной арматуры».

Авторы: А.Р. Гиздатуллин, В.Г. Хозин, А.Н. Куклин, А.М. Хуснутдинов; Инженерно-строительный журнал, №3, 2014.

Скачать

(Файл в формате .Pdf).

«Инженерный метод расчета усиления железобетонных плит покрытия композитной арматурой».

Авторы: В.И. Римшин, А.И. Галубка, А.В. Синютин; Научно-технический вестник Поволжья, №3, 2014.

Скачать (Файл в формате .Pdf).

«Практические рекомендации и технико-экономическое обоснование применения композитной арматуры в железобетонных конструкциях зданий и сооружений».

Авторы: Ю.О. Кустикова, В.И. Римшин, Л.И. Шубин; Научно-технический и производственный журнал Жилищное строительство, №7, 2014.

Скачать (Файл

в формате .Pdf).

«Особенности испытаний композитной полимерной арматуры».

Авторы: А.В. Бенин, С.Г. Семенов; Промышленное и гражданское строительство, №9, 2014.

Скачать (Файл в формате .Pdf).

«Стеклопластиковая арматура для армирования бетонных конструкций».

Авторы: Ж.С. Теплова, С.С. Киски, Я.Н. Стрижкова; Строительство уникальных зданий и сооружений. ISSN 2304-6295. 9 (24). 2014. 49-70.

Скачать (Файл в формате .Pdf).

«Исследование теплостойкости композитов с разной степенью отверждения».

Авторы: Е.В. Атясова, А.Н. Блазнов, И.К. Шундрина, В.В. Самойленко, В.В. Фирсов, С.С. Гребнев, И.А. Родионов; Ползуновский вестник, №4 Т.1, 2016.

Скачать (Файл в формате .Pdf).

«Компьютерное моделирование и анализ эксплуатационных характеристик стеклопластиковой арматуры периодического профиля».

Авторы: Д. Н. Шабанов, Е.А. Зябкин, Е.А. Трамбицкий; Вестник Полоцкого государственного университета. Серия F. 2017.

Скачать (Файл в формате .Pdf).

«Исследование влияния температурного воздействия на работу стеклопластиковой арматуры в бетонных конструкциях».

Авторы: Т.А. Борисова, Т.А. Зиннуров, А.Н. Куклин; Известия КГАСУ, 2018, №2 (44). Строительные конструкции, здания и сооружения.

Скачать (Файл в формате .Pdf).

«Характеристики сцепления композитной арматуры с бетоном в условиях статического нагружения».

Автор: А.В. Замировский; Брестский государственный технический университет, Беларусь, 2018.

Скачать (Файл в формате .Pdf).

«Влияние вида анкеровки на адгезию композитной арматуры к бетону».

Авторы: И.В. Караваев, В.Е. Румянцева, В.С. Коновалова; ФГБОУ ВО «Ивановский государственный политехнический университет».

Скачать (Файл в формате .Pdf).

«Исследование свойств композитной арматуры».

Авторы: В. Тимоничев, Е.В. Мищенко; ФГБОУ ВПО Орел ГАУ.

Скачать (Файл в формате .Pdf).

«Композитная арматура как способ повышения долговечности строительных конструкций».

Авторы: С.В. Федосов, В.Е. Румянцева, В.С. Коновалова, И.В. Караваев; ФГБОУ ВО «Ивановский государственный политехнический университет».

Скачать (Файл

в формате .Pdf).

«Численное моделирование сцепления композитной арматуры с бетоном».

Авторы: Т.А. Зиннуров, А.А. Пискунов, Л.Г, Сафиюлина, О.К. Петропавловских, Д.Г. Яковлев; Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №4 (июль — август 2015).

Скачать (Файл в формате .Pdf).

«Пути повышения модуля упругости композитной арматуры».

Авторы: С.П. Максимов, Ю.Б. Башкова, Т.А. Микляева, А.Е. Максимова; «Технические науки» электронно-научный журнал. 2015. №11 (22).

Скачать (Файл в формате .Pdf).

«О нормировании характерстик стержневой неметаллической композитной арматуры».

Авторы: В.И. Римшин, С.И. Меркулов; Промышленное и гражданское строительство, №5, 2016.

Скачать (Файл в формате .Pdf).

«Компьютерное моделирование стеклопластиковой арматуры периодического профиля и вычислительный эксперимент оценки ее эксплуатационных свойств».

Авторы: Д.Н. Шабанов, Е.А. Зябкин, Е.А. Трамбицкий; Вестник Полоцкого государственного университета. Серия F. 2016.

Скачать (Файл в формате .Pdf).

«Механическое воздействие на бетон в железобетонных элементах, армированных стекловолоконной композитной арматурой».

Авторы: В.Е. Румянцева, И.В. Караваев; ФГБОУ ВО «Ивановский государственный политехнический университет».

Скачать (Файл в формате .Pdf).

«Специфика испытаний композитной полимерной арматуры».

Авторы: В.В. Тюрников, А.П. Литиков, А.Д. Ахмедов; Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. «Самарский государственный архитектурно-строительный университет».

Скачать (Файл в формате .Pdf).

«Приспособление анкерного типа для реализации натяжения композитной полимерной арматуры для преднапряженных бетонных конструкций».

Авторы: В.Ф. Степанова, А.В. Бучкин, Е.Ю. Юрин, Е.И. Никишов, И.В. Абрамов, Ю.В. Турыгин, П.В. Лекомцев; Вестник НИЦ «Строительство» 3(22) 2019.

Скачать (Файл в формате .Pdf).

на чем держится бетон — Реальное время

Какая бывает арматура

Без арматурного каркаса невозможна ни одна монолитная бетонная конструкция. Прочность, устойчивость к деформациям — все это обеспечивается именно арматурным каркасом. За много десятилетий все привыкли к тому, что арматура — это металлические прутья или проволока. Не так давно на рынке появилась композитная арматура — стеклопластиковая или стеклобазальтовая, под нее даже разработан свой собственный свод правил — СП 295.1325800.2018 «Конструкции бетонные армированные полимерной композитной арматурой». Разбираемся, в чем различия между этими двумя типами арматуры и в чем заключаются некоторые секреты обустройства металлического арматурного каркаса.

Как работает арматура

Монолитный бетон — и прочный, и долговечный, и универсальный материал. Но у него есть один большой изъян — он хрупкий. Именно поэтому, чтобы придать всей монолитной конструкции устойчивость к деформациям и разрушению, бетон укрепляется своеобразным «скелетом» — арматурным каркасом. Именно арматура удерживает общую конструкцию: например, стальной прут на растяжение прочнее бетона в две сотни раз — и после заливки и застывания вся масса приобретает единые свойства.

Так что, если мы хотим получить прочный бетонный монолит, нужно, чтобы внутри него обязательно был каркас из арматуры. Это касается подавляющего большинства случаев: и для фундамента, и в перекрытиях, и в лестницах, и в других монолитных конструкциях.

Арматурный каркас бывает плоским (горизонтальный или вертикальный) или пространственным. Выбирается способ монтажа в зависимости от того, какую работу должна выполнять конструкция.

Фото: sdelai-lestnicu.ru

Два типа арматуры

Металлическая арматура — это стальной прокат, длинные пруты разного сечения (от 6 до 40 мм). Пруты эти бывают гладкими или ребристыми. Гладкий профиль (класс А1) используют, чтобы делать конструкционные перемычки. Ребристый обеспечивает более серьезное сцепление с бетоном, поэтому из него собирают несущий каркас для ленточных и плитных фундаментов. Разумеется, ребристый профиль дороже. Чтобы строить дома, в качестве рабочей арматуры используют арматуру классов А300 и А400. Металлическая арматура может быть сварена в сетчатый каркас, но этого делать не рекомендуется: прут станет хрупким из-за перегрева. Лучше вязать ее специальной проволокой или пластиковыми хомутами.

Композитная арматура была придумана около сорока лет назад. Она чаще всего бывает стеклопластиковая, но иногда бывает и стеклобазальтовая (сделанная из расплава горной породы и выскопрочного полимерного волокна). Профиль композитной арматуры чаще всего ребристый, сечение может быть от 4 до 20 мм. Такой каркас связывается проволокой или пластиковыми хомутами.

К достоинствам стеклопластиковой арматуры причисляют:

  • повышенную прочность;
  • устойчивость к коррозии;
  • удобство в транспортировке и монтаже.

Пластиковая арматура никогда не заржавеет — а значит, не нужно пытаться во что бы то ни стало выдерживать защитный слой бетона. Она прочная — бетонная конструкция будет хорошо удерживать форму десятилетиями.

Фото: stpulscen.ru

Зато есть у «новичка» и серьезный недостаток — у стеклопластиковой арматуры модуль упругости примерно втрое меньше, чем у стальной. Иными словами, при пиковой нагрузке по упругости стальная арматура растянется, а стеклопластиковая — порвется, то есть плита перекрытия просто рухнет моментально. Так что многие профессионалы рынка не советуют использовать такую арматуру в фундаментах, особенно в ленточных и плитных.

И еще одна проблема стеклопластиковой арматуры — она не очень выгодна, армирование стальными прутьями выходит дешевле, даже с учетом сильного подорожания металла в строительстве за последнее время. Так что многие эксперты сомневаются в целесообразности использования подобных каркасов в частном домостроении.

Секреты армирования бетона

Прежде чем делать арматурный каркас, нужно все хорошо рассчитать: в зависимости от нагрузки, от типа грунта и уровня его промерзания. Есть умельцы, которые умеют рассчитать параметры «скелета» бетонной конструкции самостоятельно. Но если вы никогда этого не делали — лучше оставить эту работу специалистам. Но есть и общие правила, о которых было бы не лишне знать каждому начинающему домовладельцу.

  • Продольные стрежни в рабочем поясе должны быть одного диаметра. Но если пруты разные и это объясняется конкретными причинами — то в нижнем поясе должны быть прутья большего диаметра.
  • Шаг между прутами в продольном поясе должен быть не больше 40 см.
  • А между поперечинами и вертикальными элементами каркаса — от 30 до 80 см.
Фото: armaturniy.ru
  • Диаметр арматуры может быть 10 мм, если длина сторон фундамента больше трех метров. Если больше — продольные пруты не должны быть меньше 12 мм в диаметре.
  • Один из главных нюансов технологии изготовления железобетонных изделий — соблюдение толщины защитного слоя бетона. Иными словами, нельзя заливать арматуру так, чтобы кончики прутьев выглядывали наружу. Бетон защитит каркас от коррозии, но только если защитный слой будет достаточной толщины. В противном случае мы увидим такой знакомый нам пейзаж с кусками бетона, осыпающимися с проржавевшего каркаса. Минимальный защитный слой — 1 см, но это, повторимся, самый минимум. Если диаметр прута арматуры больше, то минимальный защитный слой нужно будет увеличить до этого значения.

Людмила Губаева

Недвижимость Татарстан

Расчёт композитной арматуры в ПК ЛИРА 10.6

Общие положения

Первые опыты применения композитной арматуры относятся к 70-м годам прошлого века. В силу различных причин в СССР такая композитная арматура не пользовалась большим спросом, хотя в западных странах используется достаточно активно. В настоящее время Российские строители все активнее перенимают опыт западных коллег, в том числе по использованию композитной арматуры в строительстве. Сейчас композитную арматуру начинают использовать все чаще, благодаря ее плюсам: композитная арматура отличается стойкостью к коррозии и агрессивным средам, что значительно увеличивает долговечность конструкций; обладает низкой теплопроводностью, что позволяет избежать появления мостиков холода; сравнительно невысокая стоимость и т.д.

К недостаткам можно отнести следующие:

  • Низкий модуль упругости.

  • Хрупкость и не пластичность.

  • Низкая пожаростойкость.

Приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 8 июля 2015 г. N 493/пр в СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции» были внесены изменения, касающееся расчёта и проектирования конструкций с применением композитной арматуры. Появилось приложение Л «Расчёт конструкций с композитной полимерной арматурой».

Согласно ГОСТ 31938-2012 «Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Общие технические условия», композитная арматура имеет следующую классификацию:

АСК – стеклокомпоизтная;

АБК – базальтокомпозитная;

АУК – углекомпозитная;

ААК – арамидокомпозитная;

АКК – комбинированная композитная.

Как говорилось выше, все расчётные положения для арматуры композитной полимерной (АКП) изложены в СП 63.13330.2012, приложение Л. В ПК ЛИРА 10.6 были реализованы положения, полностью отвечающие указанному нормативному документу.

Мы не будем здесь подробно рассматривать все расчётные положения приложения Л, в ПК ЛИРА 10.6 они реализованы в полном соответствии с нормативным документом, здесь лишь отметим одно значительное:

Л.2.5 Расчетное значение сопротивления АКП сжатию следует принимать равным нулю.

Это говорит о том, что композитная арматура в расчётах будет подбираться только при растяжении, это положение реализовано в ПК ЛИРА, и расчётчик должен об этом знать.

Реализация в ПК ЛИРА

Рассмотрим теперь функционал задания АКП в ПК ЛИРА 10.6.

Параметры проверки/подбора железобетонных сечений с применением АКП задаются в параметрах конструирования.

1. Заходим в параметры конструирования.

2. Выбираем железобетонные элементы, например ж. б. пластина по СП 63.13330.2012.

3. Нажимаем левой кнопкой мыши на класс арматуры (рис. 1)


Рисунок 1. Выбор в параметрах конструирования композитной арматуры

4. Для выбора класса арматуры необходимо нажать на соответствующий список (рис. 2).


Рисунок 2. Выбор класса композитной арматуры

Для вывода характеристик выбранной арматуры следует нажать на соответствующую кнопку.


Рисунок 3. Характеристики композитной арматуры.

Редактирование базы данных материалов

Если характеристики арматуры отличаются от той, что содержится в базе данных ПК ЛИРА, можно внести в базу данных собственные материалы, сохранить новую базу и использовать в дальнейшем.

Для создания новой базы данных материалов необходимо зайти в редактор материалов и нажать на кнопку «Редактор базы данных». Далее в появившейся таблице выбираем таблицу композитной арматуры. Проще всего скопировать уже существующий сортамент и вносить изменения в нем, для этого необходимо нажать соответствующую кнопку и ввести название добавляемого нового сортамента (рис. 4).


Рисунок. 4. Создание пользовательского сортамента композитной арматуры.

Таким образом мы рассмотрели вопрос расчёта железобетонных сечений с применением композитной арматуры в ПК ЛИРА 10.6, что открывает для конструкторов новые возможности по проектированию и расчёту.

Расчёт композитной арматуры в ПК ЛИРА 10.6

Общие положения

Первые опыты применения композитной арматуры относятся к 70-м годам прошлого века. В силу различных причин в СССР такая композитная арматура не пользовалась большим спросом, хотя в западных странах используется достаточно активно. В настоящее время Российские строители все активнее перенимают опыт западных коллег, в том числе по использованию композитной арматуры в строительстве. Сейчас композитную арматуру начинают использовать все чаще, благодаря ее плюсам: композитная арматура отличается стойкостью к коррозии и агрессивным средам, что значительно увеличивает долговечность конструкций; обладает низкой теплопроводностью, что позволяет избежать появления мостиков холода; сравнительно невысокая стоимость и т.д.

К недостаткам композитной арматуры можно отнести следующие:

  • Низкий модуль упругости.
  • Хрупкость и не пластичность.
  • Низкая пожаростойкость.

Приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 8 июля 2015 г. N 493/пр в СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции» были внесены изменения, касающееся расчёта и проектирования конструкций с применением композитной арматуры. Появилось приложение Л «Расчёт конструкций с композитной полимерной арматурой».

Согласно ГОСТ 31938-2012 «Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Общие технические условия», композитная арматура имеет следующую классификацию:

  • АСК – стеклокомпоизтная;
  • АБК – базальтокомпозитная;
  • АУК – углекомпозитная;
  • ААК – арамидокомпозитная;
  • АКК – комбинированная композитная.

Как говорилось выше, все расчётные положения для арматуры композитной полимерной (АКП) изложены в СП 63.13330.2012, приложение Л. В ПК ЛИРА 10.6 были реализованы положения, полностью отвечающие указанному нормативному документу.

Мы не будем здесь подробно рассматривать все расчётные положения приложения Л, в ПК ЛИРА 10.6 они реализованы в полном соответствии с нормативным документом, здесь лишь отметим одно значительное:

Л.2.5 Расчетное значение сопротивления АКП сжатию следует принимать равным нулю.

Это говорит о том, что композитная арматура в расчётах будет подбираться только при растяжении, это положение реализовано в ПК ЛИРА, и расчётчик должен об этом знать.

Данное положение, на наш взгляд, кажется весьма странным, т.к. в том же ГОСТ 31938-2012, в таблице 4 приводятся характеристики АКП, и предел прочности при сжатии для всех типов композитной арматуры принимается не менее 300 Мпа.

Реализация расчета композитной арматуры в ПК ЛИРА

Рассмотрим теперь функционал задания АКП в ПК ЛИРА 10.6.

Параметры проверки/подбора железобетонных сечений с применением АКП задаются в параметрах конструирования.

  1. Заходим в параметры конструирования.
  2. Выбираем железобетонные элементы, например ж. б. пластина по СП 63.13330.2012.
  3. Нажимаем левой кнопкой мыши на класс арматуры (рис. 1)

4. Для выбора класса арматуры необходимо нажать на соответствующий список (рис. 2).

Для вывода характеристик выбранной композитной арматуры следует нажать на соответствующую кнопку.

Редактирование базы данных материалов

Если характеристики композитной арматуры отличаются от той, что содержится в базе данных ПК ЛИРА, можно внести в базу данных собственные материалы, сохранить новую базу и использовать в дальнейшем.

Для создания новой базы данных материалов необходимо зайти в редактор материалов и нажать на кнопку «Редактор базы данных». Далее в появившейся таблице выбираем таблицу композитной арматуры. Проще всего скопировать уже существующий сортамент и вносить изменения в нем, для этого необходимо нажать соответствующую кнопку и ввести название добавляемого нового сортамента (рис. 4).

Таким образом мы рассмотрели вопрос расчёта железобетонных сечений с применением композитной арматуры в ПК ЛИРА 10.6, что открывает для конструкторов новые возможности по проектированию и расчёту.

Сравнительные характеристики

Характеристики Арматура металлическая класса A-III (A400C) Арматура композитная полимерная стеклопластиковая (АКС) Описание
Материал Сталь Стеклоровинг, связанный полимером на основе эпоксидной смолы
Предел прочности при растяжении, МПа 390 1318 Чем выше показатель, тем лучше. Характеристика арматуры на разрыв — самый основной показатель при учете нагрузок на готовое изделие. Во всех готовых изделиях арматура работает именно на разрыв, кроме плит перекрытия в которых учитывается еще и её модуль упругости.
Модуль упругости, Мпа 200 000 64 000 Чем выше показатель тем лучше. Характеристика показывающая нагрузку на прогиб арматуры, в готовых изделиях. Учитывается только в межэтажных плитах перекрытия, перемычках, мостостроении и т.п.
Относительное удлинение, % 25 2,2 Чем ниже показатель, тем лучше. Характеристика которая помогает избежать трещин в фундаменте. Стеклопластик в отличие от металла практически не растягивается. Является немаловажным фактором при заливке полов, при изготовлении дорожных плит. Отрезок дороги в г. Пермь по ул. Карпинского(От путепровода через транссибирскую железнодорожную магистраль до ул. Стахановская) был изготовлен 9 лет назад с применением композитной арматуры до сих пор полностью отсутвуют продольные и поперечные трещины и разрушение асфальтобетонного покрытия(!).
Плотность, т/м3 7 1,9 Влияет на вес изделия.
Коррозионная стойкость к агрессивным средам Коррозирует Нержавеющий материал Характеристика позволяющая использовать материал в агрессивной среде и в местах непосредственного контакта с водой (укрепление береговой линии, колодцы, водоотливы, бордюры и т.п.), а также дающая экономию бетона при производстве плит, за счёт уменьшения защитного слоя (который для металлической арматуры значительно больше).
Теплопроводность Теплопроводна Нетеплопроводна Данная характеристика позволяет увеличить сохранение тепла в зданиях на 35% больше, чем металлическая в случае применения в качестве гибких связей внешних стен с отделочным материалом (т.к. в отличие от стальной арматуры не образует мостиков холода).
Электропроводность Электропроводна Неэлектропроводна — диэлектрик В отличие от стальной арматуры, не создает «экрана», который мешает работе сотовой связи.
Выпускаемые профили, мм 6 — 80 4 — 24 В разработке другие размеры, а также арматура различной конфигурации.
Длина Стержни длиной 6 — 12 м В соответствии с заявкой покупателя. Любая строительная длина. Возможна поставка в бухтах. Данная характеристика дает экономию за счет уменьшения или практически полного отсутвия обрезков по сравнению с металлической арматурой а так же дает преимущество исключая связку хлыстов между собой, так как длина в бухте 100 и более метров
Экологичность Экологична Нетоксична, по степени воздействия на организм человека и окружающую среду относится к 4 классу опасности (малоопасна) Вреда для здоровья не выявлено. Имеется гигиенический сертификат.
Долговечность В соответствии со строительными нормами около 50 лет. Неизвестно Так как материал не корозирует и не вступает в реакцию с агресивными средами то о его долговечности можно только догадываться.
Параметры равнопрочного арматурного каркаса при нагрузке 25 т/м2 При использовании арматуры 8 А-III размер ячейки 14 x 14 см. вес 5,5 кг/м2 При использовании арматуры 8 АКС размер ячейки 23 x 23 см. вес 0,61 кг/м2. Уменьшение веса в 9 раз. Меньший вес композитной арматуры позволяет добиться значительной экономии на доставке и удобства при погрузо-разгрузочных работах.

Сдерживающие факторы использования композитной арматуры



В статье представлена информация о свойствах композитной арматуры, основных ее достоинствах и недостатках по сравнению с традиционной стальной арматурой. Рассмотрены области применения композитной арматуры, приведены примеры, в которых использовать данный вид арматуры целесообразно. Сделан обзор российской и зарубежной нормативной литературы. Все выводы подтверждены числовыми данными.

Ключевые слова: арматура, стеклопластик, стекловолокно, композитная арматура, стальная арматура, бетон, свойства арматуры, коррозия

Полимеркомпозитная арматура (ПКА) представляет собой инновационную разработку в области современных материалов для строительной индустрии. Такая арматура превосходит стальные аналоги по прочности, устойчивости к действию внешних факторов и ценовым характеристикам. Она активно используется при армировании бетонных конструкций, укреплении дорожного полотна, строительстве фундаментов и прочих строительных процессах.

В результате производства ПКА получается материал, который в полной мере удовлетворяет всем современным требованиям качества, безопасности и надежности. Кроме того, композитная арматура отличается неприхотливостью в эксплуатации. Ее можно использовать в большом температурном диапазоне — от -70°C до +100°C. При этом ПКА обладает длительным сроком службы и отличается высокой степенью устойчивости к коррозии [1–3].

Однако применение полимеркомпозитной арматуры возможно лишь с определенной осторожностью. Это связано с тем, что нормативная база развита недостаточно, и для широкого использования ПКА при проектировании должна быть разработана на основе всесторонних исследований.

Обзор литературы

Железобетон был создан ненамеренно в середине XIX в. и принципиально изменил развитие строительной науки и техники. К первой трети XX в. железобетон уже завоевал лидирующие позиции в строительстве и до сих пор остается основным современным конструкционным материалом. Как показала строительная практика, несмотря на многочисленные преимущества, железобетон обладает рядом недостатков, в результате чего в настоящее время ведутся исследования по разработке нового материала, который исключит недостатки арматурной стали и будет иметь все ее преимущества. Альтернативой стальной арматуре, как заявляют изобретатели, становится композитная (полимеркомпозитная) арматура [4].

Последние 15 лет композитные материалы стали наиболее выгодными при применении их в изгибаемых бетонных конструкциях. В настоящее время каждый год в мире используется более 10 миллионов погонных метров такой арматуры [5].

Первые упоминания о полимеркомпозитной арматуре относятся ко второй половине XX в., а исследования по созданию высокопрочной неметаллической арматуры, изучению ее свойств и рациональной области использования были начаты в СССР и США еще в 1960-м году. Позже в ряде других стран (Япония, ФРГ, Великобритания, Канада) ПКА довольно успешно была внедрена на некоторых объектах нового строительства. На строительном рынке сегодня работает более 50 производителей композитной арматуры.

Первыми крупными производителями неметаллической арматуры являются знаменитые компании из Канады и Соединенных Штатов Америки: Marshall Vega Corporation (Маршал Вега Корпорэйшион) — компания наладила производство в 1974 году; другая компания Хьюгз Брозерз (Hughes Brothers, расположенная в Небраске, США) — изготовление композитной арматуры было начато в 1984 году. Эта компания до сих пор является одной из крупнейших на территории Северной Америки; а крупнейший производитель в Канаде, находится в Квебеке — это компания Пултрал — современные производственные площадки обеспечивают изготовление неметаллической арматуры с 1987 года.

Большой вклад в изучение композитных материалов внесли известные ученые XX в., такие как О. Я. Берг, А. А. Гвоздев, Н. Г. Литвинов, В. Ф. Набоков, Л. С. Фридман, В. М. Власов, а также более современные, в том числе молодые ученые, исследующие вопросы ПКА и по сей день, такие как В. Ф. Савин, О. С. Середина, А. Е. Лапшинов, Т.Елсайед и другие [6].

Соотношение преимуществ инедостатков ПКА

В рамках реализации плана мероприятий «Развитие отрасли производства композитных материалов», согласно распоряжению Правительства РФ от 24 июля 2013 г N° 1307-р, создана группа научных производственных предприятии, специализирующихся на разработке, производстве и маркетинге композитной стеклопластиковой арматуры. Указанные предприятия должны выполнять работы по распространению композитных материалов, обеспечивающие полный цикл использования: от расчетов в проектной документации до сопровождения строительно-монтажных работ на объекте.

Рис. 1. Композитная арматура [7]

Одним из самых продолжительных этапов, в частности на крупных объектах, является обоснование необходимости применения ПКА и разработка специальных технических условий на конструктивную часть проектной документации с последующим согласованием их в ООО «НИИЖБ» г. Москва и Министерстве строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации. Этот этап является дополнительным и необходимым для использования той продукции, чья нормативная база недостаточна для свободного применения [8–11].

В постановлении правительства РФ N1521 «Об утверждении перечня национальных стандартов и сводов правил (частей таких стандартов и сводов правил), в результате применения которых на обязательной основе обеспечивается соблюдение требований Федерального закона «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» обязательно к использованию упомянут раздел СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения». В этом документе есть лишь упоминания о расчётных предпосылках для композитной арматуры, но в п. 6.2.2 в качестве арматуры упоминается только металлическая арматура, что однозначно исключает использование композитной.

Помимо этого существенного недостатка, композитная арматура имеет ряд преимуществ по сравнению со стальной арматурой, основным из которых, например, является то, что ПКА не подвержена коррозии [12–14]. Кроме того, сравнивая физико-механические характеристики материалов, представленные в таблице 1, можно сделать вывод о том, что ПКА во многом не уступает классической стальной арматуре [15].

Таблица 1

Физико-механические характеристики стальной инеметаллической арматуры

Характеристики

Арматурная сталь Класса А-Ш (А400С) по ГОСТ 5781

Неметаллическая композитная арматура АНК-С

Материал

Сталь горячекатаная 35 ГС, 25 Г2С, Ст3КП, Ст3ПС и др.

Стеклянные волокна, связанные полимером

Предел прочности при растяжении (временное сопротивление), МПа

590

600–1750

Модуль упругости при растяжении, МПа

200000

45000–70000

Относительное удлинение, %

14

1,5–3,0

Характер поведения под нагрузкой (зависимость «напряжение-деформация»)

Кривая линия с площадкой текучести под нагрузкой

Прямая линия с упруголинейной зависимостью под нагрузкой до разрушения

Плотность, т/м3

7,8

1,8–1,9

Коррозионная стойкость к агрессивным средам

Коррозирует с выделением продуктов ржавчины

Нержавеющий материал первой группы химической стойкости, в том числе к щелочной среде бетона

Теплопроводность

Теплопроводна

Нетеплопроводна

Электропроводность

Электропроводна

Неэлектропроводна-диэлектрик

Наружные диаметры выпускаемых профилей, мм

6–40

4–80

Длина стержня, м

6–12

Любая длина по требованию заказчика

Экологичность

Экологична

Не выделяет вредных и токсичных веществ при хранении и эксплуатации

Долговечность

В зависимости от условий эксплуатации и антикоррозийной защиты

Не менее 50 лет, даже в морской воде

Замена по физико-механическим свойствам

6А-III, 8A-III, 12A-III, 14A-III, 16A-III и т. д.

АСП-4, АСП-6, АСП-8, АСП-10, АСП-12

Параметры равнопрочного арматурного каркаса при нагрузке 25 т/м2

При использовании арматуры 8A-III, размер ячейки 14х14 см. Вес 5.5 кг/м2

При использовании арматуры АСП-8 размер ячейки 23х23 см. Вес 0,61 кг/м2

Уменьшение веса в 9 раз

Сравнительная длина и масса арматур

6А-III — 4504 м/т

8A- III — 2531 м/т

12A- III — 1126 м/т

14A- III — 826 м/т

16A- III — 632 м/т

АСП-4–48780 м/т

АСП-6–20618 м/т

АСП-8–11299 м/т

АСП-10–7092 м/т

АСП-12–4897 м/т

Но углубляясь в нормы и рассматривая другие нормативные документы, можно увидеть, что в СП 14.13330.2014 «Строительство в сейсмических районах» также представлены уточняющие положения по расчёту только для металлической арматуры, что также является сдерживающим фактором для широкого использования ПКА.

Согласно п. Л.2.5 СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положение» ПКА не работает на сжатие, и расчётное сопротивление сжатию необходимо принимать равным нулю. Кроме того, наблюдается значительно худшая работа материала по второй группе предельных состояний (прогиб и трещинностойкость). Модуль упругости композитной арматуры (50 ГПа), что примерно в 4 раза меньше чем металлической арматуры (210 ГПа).

Что касается европейских норм — Еврокодов, по которым производится расчет несущих конструкций, — согласно требованию п. 3.2.1 EN 1992–1-1 Еврокод 2 «Проектирование железобетонных конструкций. Часть1–1. Общие правила и правила для зданий» в железобетонных конструкциях допускается применение только стальной арматуры. Таким образом, на данный момент в России и Европе отсутствует нормативный документ, регламентирующий расчет и проектирование конструкций с применением стеклопластиковой арматуры.

При монтаже, на строительной площадке, ПКА имеет следующие недостатки: невозможность гнуть арматуру (необходимо сразу заказывать на заводе гнутую в размер арматуру), а также невозможность стыковать арматуры сваркой (обязательно применять соединения либо «внахлёст», либо на хомутах) [16–22].

Также, необходимо отметить, что минимальный процент армирования у композитной арматуры больше, чем у металлической. Наглядный пример представлен в таблице 2.

Таблица 2

Минимальный процент армирования согласно СП 63.13330.2012

Условие использования сечения по СП 63.13330.2012

Арматура

Металлическая— п.10.3.6

Композитная— п. Л.5.4

При использовании в изгибаемых, внецентренно растянутых элементах и внецентренно сжатых элементах при гибкости (для прямоугольных сечений )

0,10

0,13

При использовании во внецентренно сжатых элементах при гибкости (для прямоугольных сечений )

0,25

0,33

Для обеспечения требований по пожарной безопасности защитные слои при использовании композитной арматуры будут существенно выше, чем при использовании стальной. Деградация свойств композитной арматуры наступает при нагреве до +1000С, для стальной — при +6000С. Например, для колонны сечением 200х200 мм:

‒ при требовании R30 защитный слой композитной арматуры составит не менее 50 мм, стальной арматуры — 20 мм;

‒ при требовании R60 — композитная арматура уже теряет несущую способность, так как всё сечение прогревается более чем на 100 0С, а при использовании стальной арматуры защитный слой составит лишь 30 мм.

Помимо уже перечисленных сдерживающих факторов использования ПКА можно еще назвать и то, что на текущий момент не существует расчётных комплексов, в которых можно подобрать композитную арматуру автоматизированным способом, а, следовательно, необходимо производить ручной расчёт с подбором арматуры по первому и второму предельным состояниям (по прочности — I предельное состояние, по трещиностойкости и прогибам — II второе предельное состояние) [23].

Выводы

Таким образом, композитную арматуру можно применять на тех объектах, конструктивные решения которых не проходят экспертизу, либо имеют специфические требования, например, по коррозионной стойкости, что являлось бы обоснованием использования ПКА.

Кроме того, применение композитной арматуры без преднапряжения приводит либо к образованию трещин и увеличению прогибов конструкций, либо к завышению армирования для исключения прогибов и трещин [24].

На основании всего вышесказанного можно заключить, что область рационального применения композитной арматуры весьма ограничена: армирование дорожного полотна либо железнодорожных шпал, дорожных и тротуарных плит, в меньшей степени — протяженных фундаментов, либо настилов и ограждений мостов.

Литература:

  1. Behаviоr оf slаbs reinfоrсed using squаre gfrp rebаrs / Tаrek E., Heshаm H., Аwаd H., Hаssаn А. // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета.2010. № 1(13). С.78–88.
  2. Власенко Ф. С. Применение полимерных композиционных материалов в строительных конструкциях// Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов.2013. № 8.С.3.
  3. Полилов А. Н., Татусь Н. А. Экспериментальное обоснование критериев прочности волокнистых композитов, проявляющих направленный характер разрушения // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2012. № 2. С. 140–166.
  4. Староверов В. Д., Бароев Р. В., Цурупа А. А., Кришталевич А. К. Композитная арматура: Проблемы применения // Вестник гражданских инженеров. 2015. № 3(50). С. 171–178.
  5. Гиль А. И., Бадалова Е. Н., Лазовский Е. Д. Стеклопластиковая и углепластиковая арматура в строительстве: преимущества, недостатки, перспективы применения // Вестник полоцкого государственного университета. Серия f: строительство. Прикладные науки. 2015. № 16. С. 48–53.
  6. Птухина И. С., Туркебаев А. Б., Тлеуханов Д. С., Бижанов Н. Ж., Далабаева А. Е., Далабаев А. С. Эффективность использования инновационных композитных материалов в строительстве // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2014. № 9(24). С.84–96.
  7. Теплостандарт проект [Электронный ресурс]. URL: http://ts-project.ru (дата обращения 16.06.2016).
  8. Пономарев А. Н., Моспан Е. А. Анализ направлений использования нанокомпозитной арматуры «астрофлекс» в промышленном и транспортном строительстве // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2011. № 3. С. 69–74.
  9. Лапшинов А. Е. Исследование работы СПА и БПА на сжатие//Вестник МГСУ. 2014. № 1. С. 52–57.
  10. Cередина O. C. Стеклопластиковая арматура в современном строительстве // Молодежь и научно-технический прогресс в дорожной отрасли юга России материалы международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет». 2013. С. 63–70.
  11. Польской П. П., Маилян Д. Р. Композитные материалы — как основа эффективности в строительстве и реконструкции зданий и сооружений // Инженерный вестник дона. 2012. № 4–2(23). С. 162
  12. Окольникова Г. Э., Герасимов С. В. Перспективы использования композитной арматуры в строительстве // Экология и строительство. 2015. № 3. С.14–21.
  13. Фролов Н. П. Стеклопластиковая арматура и стеклопластбетонные конструкции. -М.: Стройиздат, 1980. -104 с.
  14. Корнюшин В. М., Кущев И. Е., Коченов В. В. Стеклопластиковая и базальтопластиковая композитная арматура // Новые технологии в науке, образовании, производстве. 2014. С. 440–447.
  15. ООО НПО «Структура» [Электронный ресурс]. URL: http://npostruktura.com (дата обращения 12.08.2016).
  16. Gscheider Alfred. Anwendungsbeispiele fur das Auftragschwei-Ben nach dem Ellira-Verfahren. “SchwiBtechnik” (Oster) № 10. -2012. -P. 113–115.
  17. Испытания на длительную прочность стержней из композиционных материалов/Блазнов А. Н., Волков Ю. П., Луговой А. Н., Савин В. Ф.//Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2006. № 2. С. 44–52.
  18. Башара В. А., Савин В. Ф. Стеклопластиковая арматура в современном домостроении//Строительные материалы. 2000. № 4. С. 6–8.
  19. Студенцов В. Н., Черемухина И. В., Кузнецов В. А. Применение полимерных стержней из реактопластов для армирования цементных бетонов// Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. Т. 4. № 1. С. 118–121.
  20. Янковский А. П. Идентификация структур армирования композитных конструкций на основе результатов теплофизических экспериментов об установившихся колебаниях температуры// Инженерно- физический журнал. 2011. Т. 84. № 2. С. 324–333.
  21. Мустакимов В. Р., Авхадеев Р. Р. К вопросу остаточной прочности строительных конструкций. Оптимально достаточные способы их восстановления при реконструкции// Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2011. № 1 (15). С. 104–108.
  22. Логвин В. А., Жолобов А. А., Котиков П. Ф. Преимущества лезвийной обработки для формообразования валов суперкаландров // Вестник Белорусско-Российского университета. 2011. № 3. С. 82–91.
  23. Rаffаellо F. Limit Stаtes design оf соnсrete struсtures reinfоrсed with FRP BАRS [Электронный ресурс]. Систем. требования: AdobeAcrobatReader. URL: http://www.fedoa.unina.it/1896/1/Fico_Ingegneria_dei_Materiali_e_delle_Strutture.pdf (дата обращения 17.09.2013)
  24. Адищев В. В., Демешкин А. Г., Роот В. В. Экспериментальное исследование процесса возникновения трещин нормального отрыва в изгибаемых армированных элементах // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2012. № 3. С. 119–126.

Основные термины (генерируются автоматически): композитная арматура, III, стальная арматура, арматура, Канада, металлическая арматура, дорожное полотно, защитный слой, коррозионная стойкость, неметаллическая арматура.

Стеклопластиковая арматура в Самаре и Новокуйбышевске

СНиП 52-01-2003 Бетонные и железобетонные конструкции.  Расчёт конструкций с композитной полимерной арматурой для гражданского и промышленного строительства. Изменения к СП 63.13330.2012 от 13 июня 2015 года.

ГОСТ 31384-2008  ЗАЩИТА БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ОТ КОРРОЗИИ. Общие технические требования.

ГОСТ 31938-2012  Межгосударственный стандарт. Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Общие технические условия.

ГОСТ 32486-2013  Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Методы определения характеристик долговечности.

ГОСТ 32487-2013  Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Методы определения характеристик стойкости к агрессивным средам.

ГОСТ 32492-2013  МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ. АРМАТУРА КОМПОЗИТНАЯ ПОЛИМЕРНАЯ ДЛЯ АРМИРОВАНИЯ БЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ. Методы определения физико-механических характеристик.

СНИП 52-01-2003  СИСТЕМА НОРМАТИВНЫХ ДОКУМЕНТОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ НОРМЫ И ПРАВИЛА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ БЕТОННЫЕ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

СП 63.13330.2012  СВОД ПРАВИЛ. БЕТОННЫЕ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

СП 164.1325800.2014  СВОД ПРАВИЛ. УСИЛЕНИЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИМАТЕРИАЛАМИ. Правила проектирования.

ТР 013-1-04ТР 013-1-04  ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ КОМПОЗИТНОЙ АРМА ТУРЫ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ В БЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ.

ГОСТ Р 54923 – 2012  Композитные гибкие связи.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАСЧЕТУ КОНСТРУКЦИЙ СО СТЕКЛОПЛАСТИКОВОЙ АРМАТУРОЙ Р-16-78СО СТЕКЛОПЛАСТИКОВОЙ АРМАТУРОЙ Р-16-78

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПОЗИТНОЙ АРМАТУРЫ

Полимеры | Бесплатный полнотекстовый | Свойства при растяжении композитов, армированных трехмерными печатными волокнами

1. Введение

Армированные волокном композиты представляют собой новый класс материалов, которые все чаще исследуются для широкого спектра применений, включая биомедицинские, энергетические, упаковочные и передовые структурные приложения [1 , 2,3,4,5]. Среди всех технологий обработки электроспиннинг получил широкое внимание как один из самых простых и понятных методов изготовления волокон для композитного армирования [6,7].Волокна, полученные с использованием этой технологии, имеют большое отношение длины к диаметру и большую площадь поверхности. Высокая степень вытяжки и удлинение, испытываемые волокнами в процессе электропрядения, выравнивают молекулярные цепи вдоль оси волокна. Это объясняет, почему электропряденые волокна могут демонстрировать повышенную механическую прочность и жесткость по сравнению с их объемными аналогами [8,9,10,11]. Эти свойства электропряденых волокон делают их подходящими кандидатами в качестве армирующих элементов в композитах [6]. Помимо повышения прочности и жесткости композитов, электропряденные волокна также могут использоваться для улучшения тепловых, оптических или проводящих свойств композитов [12,13,14,15,16,17,18,19,20,21 ].В большинстве исследований сообщается о двух распространенных методах изготовления композитов, армированных электропряденым волокном: методы нанесения покрытия погружением и укладки пленки [6,16,17,22,23,24,25]. Армирующий эффект электропряденых волокон в этих композитах в значительной степени зависит от толщины волоконных мембран, дисперсии и расположения волокон в матрице. Несмотря на преимущества электроспиннинга при производстве композитов, армированных волокном, использование обычной установки электроспиннинга имеет ограниченный успех в создании контролируемых трехмерных архитектур для композитного армирования.Утверждается, что внедрение хорошо контролируемых трехмерных волокнистых структур в композит может дополнительно улучшить механические характеристики композитов, армированных волокном [15,16,17,18,19,20,21,22]. В последнее время в некоторых исследованиях изучалась установка электропрядения из расплава для контролируемого осаждения волокон [26,27,28]. В пишущей установке для электроспиннинга из расплава напряжение электроспиннинга и расстояние между соплом для электроспиннинга и коллектором снижаются. Поскольку струя полимера, выбрасываемая из сопла для электропрядения, не испытывает нестабильности при взбивании, это гарантирует, что волокна могут быть нанесены точным образом для получения трехмерных рисунков волокон [27].

Целью данного исследования является демонстрация того, что письмо методом электроспиннинга из расплава, которое обычно используется для производства трехмерных каркасов для тканевой инженерии, также может использоваться для создания трехмерных волокнистых структур для композитных армирующих приложений. На первом этапе трехмерные сеточные узоры были изготовлены с использованием записи методом электроспиннинга из расплава. Сетчатые узоры, полученные с использованием записи методом электроспиннинга из расплава, были основаны на волокнах поликапролактона (PCL). PCL был выбран в этом исследовании из-за его низкой температуры плавления (≈ 60 ° C) и способности создавать трехмерные структуры с использованием записи методом электроспиннинга из расплава.Эти трехмерные сетчатые структуры из волокон были затем погружены в матрицу из поливинилового спирта (ПВС) и исследованы их механические деформации. ПВС был выбран в качестве материала матрицы из-за его растворимости в воде и способности образовывать пленки. Поскольку волокна выдавливались из расплава из сопла и затем осаждались на коллекторе, поверхность волокон имела тенденцию плавиться с волокнами, на которые они были нанесены. Это также гарантировало, что волокна, присутствующие в соединительных точках внутри сетки, прочно связаны друг с другом.Включение этих волоконных структур в матрицу продемонстрировало улучшение механических свойств композита.

2. Экспериментальная

2.1. Electrospinning Writing

Поликапролактон (PCL, M w = 80 000) был получен от Sigma Aldrich (North Ryde, NSW, Australia) для электропрядения Writing. Коммерческий аппарат электроспиннинга (Novaspider, Гипускоа, Испания) использовался в этом исследовании в качестве 3D-принтера для получения волокнистых структур PCL. Управление и мониторинг прибора осуществлялся через веб-интерфейс (OctoPrint, OctoPrint.org). Запись методом электроспиннинга из расплава выполнялась в условиях окружающей среды. Гранулы PCL подавали в экструдер, который был установлен на платформе трансляции XYZ, и его движение контролировалось с помощью компьютерной программы, написанной в G-коде. Экструдер нагревали до 120 ° C, чтобы PCL оставался в расплавленном состоянии. Затем PCL экструдируют через сопло диаметром 0,4 мм. Расстояние между пластиной коллектора и соплом составляло 5 мм, а прикладываемое напряжение составляло 3 кВ. Волокна были собраны в сетку размером 100 мм × 100 мм.

2.2. Изготовление композита

Композиты получали заливкой 90 мг электропряденого PCL в поливиниловый спирт (PVA, M w = 130 000, North Ryde, NSW, Australia). Для этого сначала готовили 10 мас.% Раствора ПВС растворением ПВС в воде. Затем раствором наполняли шприц и распыляли поверх печатных волокон PCL. После этого образцы оставляли сушиться в вакуумном эксикаторе на 72 часа. При этом производился ПВС, армированный волокнами PCL.

2.3. Характеристика

Микроструктуру образцов исследовали с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM, JEOL, JSM-6700F, JEOL Asia, Singapore) при ускоряющем напряжении 5 кВ. Образцы были покрыты напылением (Joel JFC-1600, JEOL Asia, Singapore) тонким слоем золота (18 мА, 60 с) перед исследованием с помощью SEM.

Дифференциальная сканирующая калориметрия (DSC, DSC Q20 TA Instruments, TA Instruments, Singapore) была использована для исследования температуры плавления образцов.Температуру увеличивали на 3 ° C · мин -1 от -60 до 250 ° C в атмосфере азота со скоростью потока 40 мл · мин -1 .

Спектры инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR) образцов получали с использованием спектрометра Bruker Alpha (Bruker Singapore Pte. Ltd, Сингапур). Спектры FTIR были записаны с разрешением 4 см -1 , в среднем 256 сканирований при комнатной температуре.

Образцы для испытания на растяжение были обрезаны с использованием встроенной в компьютер лазерной резки (GCC LaserPro Spirit GLS Hybrid, Uscribe, Wendouree, Victoria, Australia), чтобы избежать деформации образцов при растяжении или сдвиге.Образцы были вырезаны лазером при 40% регулировании мощности и скорости двигателя 2032 мм · с -1 . Концы образцов были осторожно приклеены к листу картона с помощью суперклея, чтобы обеспечить надежный захват образцов во время испытаний. Размеры образцов были зафиксированы на уровне 25 мм × 5 мм (Д × Ш). Толщина образцов составляла ≈ 120 мкм. Во время испытания использовался тензодатчик 100 Н, и образцы тянули со скоростью 5 мм · мин -1 . Для каждого типа композита было испытано не менее шести образцов.Микроскоп отраженного света Hirox (HIROX-USA, inc., Хакенсак, Нью-Джерси, США) использовался для получения изображения области разрушения образцов после механических испытаний.

3. Результаты и обсуждение

Морфология и размер волокон, полученных с помощью записи методом электроспиннинга из расплава, могут сильно зависеть от параметров обработки, таких как температура расплава, расстояние между соплом и коллектором, используемое напряжение и скорость XY. головки экструдера [27,28]. В нашем исследовании мы использовали напряжение электроспиннинга расплава 3 кВ и расстояние между соплом и коллектором 5 мм.Использование низкого напряжения гарантировало, что струя полимера, выбрасываемая из сопла, не испытывала нестабильности взбивания. Струя полимера двигалась по прямому пути к коллектору, что позволяло укладывать волокна контролируемым образом. На рис. 1А показано изображение волокон PCL, полученное в оптическом микроскопе с использованием метода записи с электроформованием из расплава. Из микроструктуры (рис. 1) было очевидно, что волокна были нанесены точно и контролируемым образом для получения сетчатого рисунка.На рис. 1В показано поперечное сечение волоконной структуры. Изображение поперечного сечения было получено путем разрушения образца в жидком азоте. Изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), показывает, что волокна внутри квадрата были нанесены друг на друга точным и контролируемым образом. Когда волокна выдавливались из расплава из сопла, казалось, что они сплавляются с соседним слоем волокон, когда их кладут друг на друга. Средний диаметр волокон в этой сетке был определен как ~ 30 мкм из изображений SEM (рис. 1B, C).Размер волокон можно дополнительно уменьшить, контролируя параметры электропрядения. Размер волокна, полученного с использованием техники записи методом электроспиннинга из расплава, был меньше размера волокна, полученного с помощью традиционного моделирования методом наплавления (FDM). Размер волокон, которые обычно получаются с использованием FDM, составляет 100 мкм или больше [29,30,31]. Эти поперечно-волокнистые структуры затем были встроены в матрицу PVA для получения PVA, армированного волокнами PCL. Использование этих поперечно-волокнистых структур должно сыграть роль в улучшении механических свойств матрицы ПВС.Традиционно мембраны из нетканых волокон, полученные с помощью обычного электропрядения, используются для упрочнения полимерных матриц. Армирующий потенциал волокон не используется полностью при использовании нетканых мембран, поскольку волокна не сплавлены друг с другом, и, следовательно, волокна имеют тенденцию скользить друг по другу при приложении нагрузки. Напротив, эти перекрестно-волокнистые структуры, полученные с помощью записи методом электроспиннинга из расплава, имели переплетенные волокна в точках пересечения (рис. 1С).Было показано, что эти точки пересечения структурно устойчивы, что играет значительную роль в укреплении матрицы [29,30,31]. На рисунке 1D показана морфология поверхности волокон. Видно, что морфология поверхности некоторых волокон грубая. Это может указывать на то, что полимер не успел полностью расплавиться в процессе экструзии. Для приготовления композита раствор ПВС подавали в шприц, и раствор распыляли электрораспылением на трехмерную структуру волокна PCL с постоянной скоростью. и по длине волокон как в X, так и в Y направлениях.Видно, что раствор ПВС легко смачивает волокна ПКЛ и заполняет пористые области между волокнами. Затем образцы оставляют сушиться в вакуумном эксикаторе при комнатной температуре. На рис. 2 показано изображение композита, полученное с помощью микроскопа. Изображение SEM, показанное на рисунке 2, демонстрирует морфологию поверхности композита. По-видимому, ПВС проник в волокнистую структуру, образуя матричную фазу. Он также показал, что волокна действительно были погружены в фазу ПВС. Толщина образцов составила ≈120 мкм.Для сравнения был также получен образец чистого ПВС с использованием идентичных этапов. Отношение волокна к матрице в композитах поддерживалось на уровне 1: 1 (вес / вес). FTIR-спектры волокон PCL, чистого ПВС и ПВС, армированного волокнами PCL, показаны на рисунке 3. Спектры FTIR также записываются для определения любое химическое взаимодействие между PCL и PVA. FTIR-спектр композита показывает присутствие характерных функциональных групп, связанных как с PCL, так и с PVA. Например, широкий пик, обнаруженный при 3250 и 1410 см. –1 , соответствует растяжению O – H и изгибу O – H гидроксильных групп ПВС [32].Колебательные пики, наблюдаемые при 2906 см, –1 и 2940 см, –1 , относятся к асимметричному растяжению метиленовой группы C – H 2 ПВС. Пики, возникающие между 1700 и 1640 см, -1, , относятся к C = C-валентным и C = O-группам ПВС, в то время как пик между 1078-1300 cm -1 отнесен к C-O-валентным колебаниям [33] . Эти пики также видны в спектрах композита. Точно так же все характерные пики, связанные с PCL, были также обнаружены в PVA, армированном волокнами PCL.Например, пики при 2943 см -1 и 2864 см -1 были связаны с асимметричным и симметричным валентным колебанием групп ПКЛ CH 2 [34,35]. Характерный пик PCL при 1290 см -1 связан с валентным колебанием C – C. Кроме того, пики при 1720, 1240 и 1164 см -1 соответствуют C = O (карбонильное растяжение), валентным колебаниям C – O и валентным колебаниям C – O – C групп PCL. Все эти пики также были очевидны в спектрах FTIR, записанных для композитного образца.Интересно отметить, что интенсивность пиков при 3289 см −1 и 2943 см −1 , соответствующих группе –OH и –CH–, зарегистрированных в спектрах композита, уменьшилась по сравнению с пиками ПВА. Аналогичным образом, интенсивность пика при 2940 см, -1, в композите, соответствующем группе –CH–, увеличилась по сравнению с пиком, зарегистрированным в спектрах PCL. Эти результаты показывают, что существует некоторая степень взаимодействия между карбоксильными и гидроксильными группами волокон PCL и матрицы PVA [36].На следующем этапе было исследовано тепловое поведение образцов. На рисунке 4 показаны тепловые сканы DSC, записанные для чистых волокон PCL, чистого ПВС и ПВС, армированного композитом волокон PCL. Сканирование методом ДСК для чистого ПКЛ и ПВС, армированного волокнами ПКЛ, показывает острый пик кристаллического плавления, который связан с плавлением кристаллов ПКЛ [37,38]. PVA, армированный волокнами PCL, показывает два пика плавления. Первый пик плавления, наблюдаемый при 60 ° C, приписывается плавлению кристаллов в фазе PCL, а второй пик, наблюдаемый при 225 ° C, приписывается плавлению кристаллов в фазе PVA.Степень кристалличности в фазе PCL для образцов определялась путем взятия отношения между экспериментальной теплотой плавления, определенной для образцов, и теоретической теплотой плавления для чистого кристалла (136 Дж / г) [39]. Было определено, что степень кристалличности чистого образца волокна PCL составляла 34%, в то время как степень кристалличности в фазе PCL в ПВС, армированном волокнами PCL, составляла 30%. Отмечено умеренное снижение степени кристалличности в фазе PCL.Однако было очевидно, что пик плавления в чистых волокнах PCL был более резким и длинным. С другой стороны, пик плавления ПКЛ в композите был шире и мельче. Это может быть связано с потерей влаги из гидрофильного ПВС внутри композита. После этого было исследовано поведение механической деформации чистого ПВС и ПВС, армированного волокнами PCL. Для этого были взяты чистые образцы ПВС и образцы ПВС, армированного волокнами ПКЛ известных размеров, которые были закреплены на обрезанном картонном листе, как показано на Рисунке 5.Образец и картонный лист были закреплены между зажимами устройства для испытания на растяжение, и картонный лист был разрезан таким образом, чтобы нагрузка воспринималась образцом. Поведение при механической деформации оценивалось на основании испытания на растяжение, а зависимость напряжения от деформации для обоих. образцы были определены. Среднюю пористость в композите измеряли с использованием стандартной функции измерения пористости Image J. Пористость в композите измеряли по трем SEM-изображениям, взятым из разных областей образца.Пористость композитных образцов была определена как 5,05% и вычтена из исходной площади для определения инженерных напряжений и деформаций. Модуль Юнга чистого ПВС и ПВС, армированного волокнами PCL, был определен из данных инженерного напряжения по сравнению с деформацией и составил 0,23 МПа и 0,3 МПа соответственно. Улучшение модуля можно отнести к наличию волокон PCL в матрице. Однако было зарегистрировано только умеренное улучшение значения модуля. Умеренное улучшение модуля может быть связано с уменьшением% кристалличности фазы PCL, присутствующей в композите.Чтобы лучше понять усиливающий эффект волокон PCL в композите, была определена плотность матрицы внутри композита. Плотность матрицы в композите не учитывалась при определении инженерного напряжения. Подобный подход к определению механических свойств полученных из полимеров текстильных материалов и тканевых композитов описан в литературе [40,41,42]. Эти исследования определили плотность композитных материалов для получения отношения прочности к массе.Этот подход позволил им определить удельное напряжение, испытываемое композитом во время испытаний на растяжение. Плотность матрицы внутри композита определялась из отношения массы ПВС внутри композита к объему композита. Плотность матрицы составила 0,084 г / см 3 . Затем для обоих образцов определяли удельное напряжение как функцию деформации. Удельное напряжение, испытываемое образцами, определялось соотношением инженерного напряжения и плотности материала матрицы в образце.На рис. 6 показаны характерные зависимости удельного напряжения от деформации для чистого ПВС и ПВС, армированного волокнами PCL. Средняя удельная прочность ПВС и ПВС, армированных волокнами ПКЛ, составила 2,23 ± 0,21 МПа · см 3 / г и 11,34 ± 0,51 МПа · см 3 / г соответственно. площадь под кривыми зависимости удельного напряжения от деформации. Аналогичный подход использовался в литературе для определения удельной вязкости композитов, армированных волокном [43,44].Средняя удельная ударная вязкость ПВС и ПВС, армированных волокнами PCL, составила 2,05 ± 0,75 Дж / г и 7,81 ± 1,81 Дж / г, соответственно. Было видно, что композитный образец прочнее и жестче объемной матрицы (ПВС). Это можно объяснить взаимодействием между карбонильной и гидроксильной группами фазы PCL и PVA, как определено с помощью FTIR. Взаимодействие между этими группами было обусловлено взаимодействием Ван-дер-Ваальса или водородной связью между карбонильной и гидроксильной группами.Композитный образец демонстрирует способность выдерживать более высокие нагрузки, позволяя возникать более крупную деформацию. Нагрузка в композитных волокнах распределялась как на волокна, так и на матрицу. Композитные образцы поглощают большее количество энергии, пытаясь тянуть волокна в направлении приложенной нагрузки. Деформация при разрыве, зарегистрированная для композитного образца, оказалась в ≈ 0,4 раза выше, чем деформация при разрыве, наблюдаемая в образце ПВС. Blond et al. [44] сообщили об аналогичных значениях удельной ударной вязкости для матрицы ПВС, полученной с использованием метода литья из раствора.Они обнаружили, что удельная вязкость ПВС составляет 2,5 Дж / г. На следующем этапе они приготовили раствор ПВС, диспергированный с 0,43 об.% Углеродных нанотрубок, и электропрядили этот раствор, чтобы получить мембрану ПВС, армированную нанотрубками. Удельная вязкость этих композитов составила 11 Дж / г. Мы показали, что удельная вязкость композита ПВС, армированного волокнами PCL, составляет 7,81 Дж / г. Прочность можно еще больше повысить, если улучшить межфазное взаимодействие между фазами матрицы и волокна.Эти результаты показывают, что волокна, полученные с использованием записи методом электроспиннинга из расплава, могут быть использованы для армирования.

Необычайный синергизм механических свойств композитов с полимерной матрицей, армированных двумя наноуглеродами

Реферат

Одно из применений наноматериалов — это армирующие элементы в композитах, где небольшие добавки наноматериалов приводят к значительному улучшению механических свойств. В литературе проводились обширные исследования композитов, в которых полимерная матрица армирована одним наноматериалом, таким как углеродные нанотрубки.В этой статье мы исследуем значительные синергетические эффекты, наблюдаемые при включении двух разных типов наноуглеродов в полимерную матрицу. Таким образом, бинарные комбинации наноалмаза, многослойного графена и однослойных нанотрубок были использованы для усиления поливинилового спирта. Механические свойства полученных композитов, оцененные методом наноиндентирования, демонстрируют исключительную синергию, улучшая жесткость и твердость на целых 400% по сравнению со свойствами, полученными с использованием одиночного наноуглеродного армирования.Эти результаты предлагают способ разработки усовершенствованных материалов с исключительными механическими свойствами путем включения небольших количеств двух наноматериалов, таких как графен плюс наноалмаз или наноалмаз плюс углеродная нанотрубка.

Среди множества уникальных свойств наноматериалов следует особо отметить их большое отношение поверхности к объему и выдающиеся механические свойства. Эти объекты предлагают места для интересных областей исследований, а также для технологических инноваций. Таким образом, важное применение наноматериалов заключается в армировании полимерных матриц с использованием преимуществ сверхвысокой жесткости и твердости, которые они демонстрируют.Недавние исследования показали, что небольшие добавки (до ≈1 мас.%) Определенных наноматериалов, таких как углеродные нанотрубки, заметно улучшают механические свойства, иногда на целых 100% (1–8). Хотя точный механизм, ответственный за это резкое улучшение, не совсем понятен, обычно считается, что взаимодействия на молекулярном уровне между наноматериалами и полимерными матрицами играют важную роль. Большая площадь интерфейса, доступная для таких взаимодействий, несомненно, является ключом к значительному улучшению механических свойств.

Из множества наноматериалов, синтезированных и охарактеризованных в последние годы, особый интерес представляют наноуглероды различных размеров, например, наноалмаз, нанотрубки и графен с размерностями 0, 1 и 2 соответственно (1–3). Были проведены обширные исследования механических свойств композитов из полимерных матриц с одним из наноуглеродов в качестве фазы армирования (1–8). Можно ожидать, что характер взаимодействия наноуглеродной составляющей с матрицей будет меняться в зависимости от размерности.Например, углеродные нанотрубки, добавленные к полимеру, могут взаимодействовать по всей длине полимерной цепи, тогда как частица наноалмаза может взаимодействовать только в одной точке, возможно, на концах полимерной цепи. Хотя каждый из наноуглеродов улучшает механические свойства полимерной матрицы, мы интуитивно чувствовали, что включение 2 наноуглеродов может привести к синергетическим эффектам в механических свойствах, поскольку каждый из них по-разному взаимодействует с матрицей. Поэтому мы провели исследование влияния включения различных бинарных комбинаций наноуглеродов, наноалмаза (НА), однослойных нанотрубок (ОСНТ) и многослойного графена (ФГ) на механические свойства полимера. матричные композиты (ПМК), сформированные на основе поливинилового спирта (ПВС).Мы рассмотрели все 3 возможных комбинации подкрепления: ND плюс FG, FG плюс SWNT и ND плюс SWNT. Результаты были действительно впечатляющими и не совсем ожидаемыми.

Результаты и обсуждение

PVA представляет собой водорастворимый полимер и, следовательно, облегчает синтез композитов с равномерным распределением наночастиц. НА, ОСНТ и ФГ, функционализированные кислотной обработкой с образованием поверхностных карбоксильных и гидроксильных групп (2, 9, 10), хорошо взаимодействуют с матрицей ПВС. Максимальное содержание наноуглеродного армирования составляло 0.6 мас.%, Поскольку более высокие уровни армирования могут вызвать агломерацию наноматериалов в матрице. При различных пропорциях основной (0,4) и второстепенной (0,2) наноуглеродных добавок модуль упругости E и твердость H PMC оценивали методом наноиндентирования.

На рис. 1 A и B мы показываем изменение нанотвердости H и модуля упругости E PMC, содержащих одно наноуглеродное армирование, в зависимости от содержания наноуглерода.Эти данные служат ориентиром для сравнения исследованных нами многократно армированных композитов. Все 3 наноуглерода заметно улучшают механические свойства ПВС, добавление ОСНТ увеличивает H в ≈7 раз и E на порядок. Эти улучшения наблюдаются даже при добавлении 0,2 мас.% SWNT, причем свойства выходят на плато при дальнейшем увеличении содержания SWNT, вероятно, из-за объединения SWNT в пучок при более высоком содержании армирования (11).Такое объединение может снизить эффективный объем взаимодействия. В отличие от композитов SWNT-PVA, композиты ND-PVA и FG-PVA показывают постепенное увеличение E и H с увеличением содержания наноуглерода, причем скорость увеличения выше в первом случае.

Рисунок 1.

Механические свойства твердости ( A ) и модуля упругости ( B ) в зависимости от содержания наноуглерода. Нанокомпозиты, армированные SWNT, обладают превосходными механическими свойствами по сравнению с FG и ND.

Улучшение механических свойств ПВС связано с индукцией кристаллизации полимера с добавлением наноматериалов (4, 6, 7). Дифференциальная сканирующая калориметрия не показывает изменения температуры плавления T m ПВС в исследованных композитах, но кристалличность увеличивается. Значения степени кристалличности композитов, определяемые как отношение тепла, необходимого для плавления 1 г сухого образца PMC, к стандартной энтальпии чистого кристаллического ПВС (ΔH≈138.6 Jg -1 ), приведены в таблице 1 вместе с механическими свойствами. Данные показывают, что добавление наноуглерода к ПВС увеличивает χ. Чтобы проверить, определяет ли χ улучшение механических свойств, мы построили графики E и H относительно относительного изменения χ на рис. 2. Значения чистого ПВС (таблица 1), обработанного и оцененного в тех же условиях, что и ЧВК использовались для справки. Рис. 2 предполагает, что кристалличность и механические свойства связаны между собой в PMC, содержащих ND и FG.Механические свойства PMC, содержащих SWNT, по-видимому, не зависят от кристалличности.

Таблица 1.

Механические свойства композитов ПВС и ПВС-наноуглерод

Рис. 2.

Изменение процентного относительного изменения твердости ( A ) и модуля упругости ( B ) с относительным изменением кристалличности. ( H и E ) увеличивается с увеличением относительного изменения кристалличности для композитов, армированных FG и ND, тогда как для композитов, армированных SWNT, они не зависят от относительного изменения кристалличности.

Было бы целесообразно сделать несколько комментариев по поводу значительных изменений механических свойств, наблюдаемых в композитах SWNT-PVA, поскольку о таких изменениях до сих пор не сообщалось в литературе. Существует ограниченное количество исследований композитов нанотрубка-полимер, и они, как правило, предполагают высокое содержание армирования (1, 2, 11–15). Кроме того, многие исследования относятся к композитам, армированным многослойными углеродными нанотрубками. Лю и др. (12), которые исследовали композит PVA-0.8 SWNT, сообщают об увеличении на 78% для E и на 48% в прочности на разрыв, значения намного меньше, чем те, которые наблюдались нами в настоящем исследовании.Эти исследователи не наблюдали увеличения кристалличности и объясняли улучшение механических свойств однородным распределением наполнителей в матрице. Zhang et al. (13) исследовали композиты ПВС с ОУНТ, обработанными КОН, и сообщили, что H и E увеличиваются на 78% и 110% соответственно, тогда как Li et al. (11) сообщают об увеличении на 30% и 75% для 5 мас.% SWNT-эпоксидного композита. Эти исследователи отмечают, что интеркаляция нанотрубок является причиной относительно плохого улучшения механических свойств.Cadek et al. (4) объясняют повышение механических свойств композитов межфазной связью между матрицей и нанотрубками, что отражается в увеличении кристалличности. Они также утверждают, что механические свойства композитов критически зависят от аспектного отношения нанотрубок, которое в их случае составляло ≈100. В настоящем исследовании ОСНТ имели соотношение сторон от 700 до 1400. Кроме того, кислотная функционализация ОСНТ могла способствовать лучшему связыванию с полимером из-за присутствия поверхностных карбоксильных и гидроксильных групп.

На рис. 3 A и B мы показываем вариацию E и H в 2 композитах, содержащих 2 наноуглерода разной размерности, PVA-0.4ND-xSWNT и PVA-0.4FG-xND, соответственно. . В таблице 2 мы суммировали механические свойства различных композитов ПВС, сформированных с 2 наноуглеродами. Синергетический эффект от добавления 2 различных наноуглеродов оценивался следующим образом, как показано на примере PVA-0.2SWNT-0.4ND композит. Добавление только 0,2SWNT к ПВС приводит к увеличению содержания ПВС H на p , как показано на фиг. 1 A . Аналогичным образом, q представляет собой увеличение H PVA за счет добавления только 0,4 ND. Синергетический эффект или процент синергизма, достигнутый при добавлении 0,2SWNT и 0,4ND к PVA, был рассчитан по следующему соотношению: Здесь M H — измеренное значение для композита. Это уравнение является уникальным для случаев, когда свойства линейно увеличиваются с увеличением содержания арматуры.

Рис. 3.

Изменение модуля упругости (E) и твердости (H) для двух бинарных композитов PVA-0.4ND-xSWNT ( A ) и PVA-0.4FG-xND ( B ).

Таблица 2.

Механические свойства армированных композитов с двумя наноуглеродами

На рис. 4 мы построили процентную синергию для различных композитов. Синергетический эффект впечатляет в композитах НД плюс ФГ с 4- и 1,5-кратным увеличением для E и H , соответственно, для ПВС-0.Композит 4ФГ-0,2НД. В случае композита ПВС-0,4НД-0,2ФГ синергетический эффект несколько меньше и составляет 92% и 71% соответственно у E и H . Синергия не так очевидна в композитах SWNT + ND, поскольку добавление только SWNT дает довольно большие значения E и H . Вариация процентной кристалличности (%) PMC с 2 наноуглеродами составляет около ≈2%, предполагая, что увеличение кристалличности не является причиной наблюдаемого синергизма.

Рис. 4.

Процент синергизма твердости и модуля упругости для различных бинарных композитов. Процентное изменение синергизма — это улучшение механических свойств композита за счет наличия двойного армирования с учетом индивидуальных свойств композитов.

Чтобы изучить возможность дальнейшего увеличения синергетических преимуществ за счет включения большего количества наноуглеродов, мы исследовали механические свойства PVA-0.4ND-0.6SWNT композит. Значения H и E этого композита составили 534,3 ± 90,6 МПа и 12,96 ± 1,22 ГПа соответственно. Эти свойства превосходят свойства композитов наноуглерод-полимер, о которых сообщается в литературе. Возможная причина высоких значений E и H в композите PVA-0.4ND-0.6SWNT может заключаться в том, что частицы НА предотвращают кластеризацию ОСНТ из-за ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Поверхностно-активные вещества обычно используются для создания изолированных ОСНТ, но здесь, похоже, частицы НА способны делать то же самое.Из рис. 4 интересно отметить, что в целом синергетические преимущества как для модуля упругости, так и для твердости накапливаются вместе. Возможной причиной такой сильной корреляции может быть тот факт, что наноуглеродные арматуры взаимодействуют с полимерными цепями на молекулярном уровне. Такое взаимодействие не только увеличивает жесткость полимерной цепи (тем самым увеличивая общий модуль упругости композита), но также его сопротивление пластическому течению, что, в свою очередь, приводит к увеличению твердости. Настоящие результаты предлагают возможные интересные способы получения композитов с полимерной матрицей с высокими эксплуатационными характеристиками.

Заключение

В заключение, можно приготовить композиты из поливинилового спирта с 2-мя добавками наноуглерода. В то время как наноалмаз, однослойные нанотрубки и графен по отдельности приводят к значительному улучшению механических свойств ПВС, включение бинарных комбинаций этих наноуглеродов приводит к необычайному синергизму механических свойств. Однако следует отметить, что наше исследование ограничено измерениями твердости и модуля упругости и не включает пластичность и вязкость.В любом случае наши результаты показывают, что действительно было бы выгодно исследовать полимерные композиты с такими бинарными усилениями.

Материалы и методы

FG был получен расслоением оксида графита по методике, описанной недавно (3). ОСНТ были приготовлены методом дугового разряда постоянного тока. После приготовления ОУНТ обрабатывали HCl и несколько раз нагревали в H 2 для удаления металлических наночастиц и аморфного углерода (16). НА с чистотой фазы выше 98% и средним размером частиц около 5 нм был приобретен у Tokyo Diamond Tools.

Все 3 наноуглерода функционализировали кислотной обработкой по следующей методике. Смесь концентрированной азотной кислоты, концентрированной серной кислоты, воды и соответствующего наноуглерода нагревали в микроволновой печи в течение 5–8 мин в гидротермальных условиях. Смесь нагревали при 100 ° C в течение 6–8 ч в печи. Полученный таким образом продукт промывали дистиллированной водой и фильтровали через воронку из пористого стекла. Полученный таким образом продукт функционализировали группами -CO 2 H и -OH (2, 9, 10).Композиты ПВС с функционализированным наноуглеродом были приготовлены в водных средах. Поскольку механические свойства ПВС чувствительны к содержанию влаги, композиты были высушены над CaCl 2 в течение 7 дней или более перед проведением экспериментов по наноиндентированию.

Эксперименты по наноиндентированию были выполнены с использованием трибоиндентора Hysitron с наконечником Berkovich (3-сторонний пирамидальный алмазный наконечник) для определения твердости и модуля упругости. В каждом случае делали по десять вдавливаний, и среднее значение принимали как свойство композита.Максимальная нагрузка 1 мН использовалась при скоростях нагружения и разгрузки 0,1 мН / с с временем выдержки 10 с при пиковой нагрузке. Во всех случаях заботились о том, чтобы глубина проникновения была <1000 нм. Твердость и модуль упругости определяли по методу Оливера-Фарра (17). Измерения методом дифференциальной сканирующей калориметрии проводили в диапазоне 50–250 ° C с образцами массой ≈8 мг при скорости сканирования 0,16 К / с с использованием оборудования Mettler-Toledo DSC. Кривые ДСК показаны на рис. S1.

Благодарности

Авторы выражают признательность за помощь, оказанную г-ном.Ракеш Воггу и доктор А. Говиндарадж в подготовке SWNT.

Сноски

  • 1 Кому следует направлять корреспонденцию. Эл. Почта: cnrrao {at} jncasr.ac.in
  • Вклад авторов: K.E.P., B.D. и U.M. проведенное исследование; К.Е.П. проанализированные данные; U.R. и C.N.R.R. спланированное исследование; и У. и C.N.R.R. написал газету.

  • Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

  • Эта статья содержит вспомогательную информацию на сайте www.pnas.org/cgi/content/full/04106/DCSupplemental.

(PDF) Механический отклик на растяжение композитного материала, армированного волокнами сахарного тростника

привлекательные волокна благодаря своим механическим свойствам и большому количеству. Жмых — это отходы, которые остаются

после измельчения сахарного тростника для получения сока. Он состоит в основном из целлюлозы, гемицеллюлозы

и лигнина, которые соединены в сеть, чтобы придать волокну сопротивление [12].Текущие исследования

указывают на возможность армирования различных полимерных матриц волокнами SCB, до нано,

,

микромасштаба или макромасштаба для расширения областей применения полимерных композитов [13,14]. Saccharum

officinarum, более известный как сахарный тростник, является тропической и субтропической культурой и является основным источником сахара

во всем мире. Общая площадь посевов сахара составляет приблизительно 31,3 миллиона гектаров, из которых

сахарного тростника составляют 70% [15].Мировое производство SCB недавно было зарегистрировано на уровне 1,6х103 млн

тонн в год [16]. Большая часть сахарного тростника состоит из мягкого материала, называемого сердцевиной, а его внешняя часть состоит из твердого волокнистого материала, называемого кожурой. Сердцевина содержит мелкие волокна и большую часть сахарозы, в то время как кожура

состоит из длинных, твердых и тонких волокон. Свойства композитов, армированных волокнами корки

, лучше, поскольку она имеет более высокую плотность [17].

SCB в основном используется в качестве топлива для выработки пара и электричества на сахарных заводах, а также как сырье

в бумажной промышленности. Однако это не единственные приложения SCB. Например, исследование

продемонстрировало способность этого побочного продукта укреплять композитный цемент,

, бережно относящийся к окружающей среде, который может использоваться в различных внутренних и внешних строительных приложениях

[18]. Некоторые из потенциальных применений композитов, армированных натуральным волокном, в автомобильной промышленности

включают двери и приборные панели, упаковочные лотки, перчаточные ящики, подлокотники и спинки сидений [19].

В дополнение к экспериментальным исследованиям, композиты могут быть оценены с помощью прогнозных моделей, обычно с помощью

средств моделей анализа конечных элементов (FEA). Композитные материалы были и остаются одним из

основных направлений исследований в области вычислительной механики в последние десятилетия. Основные усилия

сосредоточены на изучении ламинатов и композитных структур [20]. Недавно была разработана явная унифицированная форма граничных условий

для анализа элемента представительного объема (RVE) с использованием метода конечных элементов

для однонаправленных слоистых материалов с различной угловой ориентацией, чтобы спрогнозировать упругие свойства

материалы.Результаты, полученные с помощью этого метода, были подтверждены экспериментальными испытаниями

, показав низкий процент ошибок [21,22].

В данной работе был получен композитный материал на основе эпоксидной матрицы R744, армированный непрерывными волокнами сахарного тростника

. Для этого был промыт SCB и извлечены волокна, изготовлены образцы эпоксидной смолы R744

. Получены механические свойства матрицы и армирования композита

.Механические испытания по стандарту ASTM 3039 [23] на растягивающие нагрузки были выполнены на композитах

[24]. Наконец, механическое поведение композитного материала, подверженного растягивающим нагрузкам

, было изучено численно с помощью анализа методом конечных элементов.

2. Материалы и методы

2.1. Экспериментальные испытания

Испытательная машина MTS BIONIX использовалась для проведения испытаний на растяжение волокон сахарного тростника и образцов эпоксидной смолы

R744 в соответствии со стандартом ASTM 3039 [23].Испытательная машина была отрегулирована

на скорость перемещения головки 2 мм / мин для получения почти постоянной скорости деформации волокон

и образцов эпоксидной смолы. Значения приложенной силы и перемещения подвижной головки

испытательной машины регистрировались автоматически с частотой восемь данных в секунду.

SCB получали после экстракции сока, содержащегося в стеблях сахарного тростника. Этот процесс

осуществляется с помощью мельницы.Для улучшения адгезии между волокнами и эпоксидной смолой

жмых погружали в кипящую воду на 30 минут для удаления пастообразных тканей и остатков

, приставших к поверхностям волокон. После этого его сушили на 72 часа в условиях окружающей среды

. Волокна были вручную вычтены из кожуры жома, где обнаружены самые длинные и наиболее устойчивые волокна

, это было выполнено с помощью скальпеля. Пучки волокон были нарезаны

длиной 100 мм, имея приблизительный диаметр 0.5 мм, рисунок 1 (а). Чтобы определить механические свойства волокна

, десять пучков волокон были подвергнуты испытаниям на растяжение в соответствии со стандартом

ASTM.

Влияние выравнивания волокон на псевдопластичность и микротрещины в цементирующем композитном материале из углеродного волокна

Обзор и область применения

Эта публикация направлена ​​на то, чтобы пролить свет на корреляцию между общим откликом композитного материала, армированного углеродным волокном, во время механических испытаний (e .грамм. предел прочности и способность к деформации при изгибной и растягивающей нагрузке) и механизм результирующего повреждения, в частности взаимосвязь между выравниванием волокон в плоскости и результирующим поведением микротрещин.

Проверяется возможность измерения ориентации волокна и индикаторов повреждения (особенно роста микротрещин в объеме) с помощью рентгеновской компьютерной томографии высокого разрешения в сочетании с передовыми методами сегментации миниатюрных изгибаемых балок, и данные коррелируют с макроскопическими механическими характеристиками.Мы намерены показать причины перехода от пластичного к хрупкому поведению материала, когда выравнивание волокон начинает отклоняться от направления действующей растягивающей нагрузки.

Наряду с КТ используются другие мощные методы для получения более полной картины процесса разрушения. В частности, применяется DIC для наблюдения на месте роста поверхностных трещин (с использованием более крупных образцов в форме собачьей кости) [35] и акустико-эмиссионный анализ (с использованием миниатюрных изгибаемых балок) для дальнейшего анализа механизма разрушения посредством частотного анализа.Настройка миниатюрных балок во время испытаний на трехточечный изгиб и определения системы координат и используемых углов показаны на рис. 1.

Рис. 1

Настройка образца и описание углов во время испытаний и анализа соосности. a Система координат с гипотетическим объектом под углом. Угол между осью x и y описывает выравнивание в плоскости (называемое \ (\ theta \) — углом или рысканием). Угол, исходящий от положительной оси Z и описываемого объекта, представляет собой выравнивание вне плоскости (называемое \ (\ varphi \) — угол или шаг). b Ориентация изгибаемых балок в системе координат. Балки выровнены по длине с осью x и по ширине с осью y . b Затем волокна, которые лежат в направлении растягивающей силы, возникающей во время изгиба, помечаются как имеющие угол θ , равный 0 °. c \ (\ varphi \) — углы описывают наклон вверх и вниз, при этом угол 90 ° полностью параллелен плоскости x y

Подготовка образцов миниатюрных балок

Все образцы для испытаний были приготовлены, как описано в предыдущей публикации нашей рабочей группы [15], в которой описан состав, адаптированный для обеспечения превосходной дисперсии волокон и прочности связи между волокном и матрицей. Используемый цемент представлял собой CEM I 52.Тип 5 R, поставляемый Schwenk Zement KG с цементного завода в Карлштадте. Углеродные волокна были приобретены у компании Teijin Ltd., которая продается под торговой маркой Tenax-J HT C261. Углеродные волокна, которые равномерно нарезаны до длины 3 мм, имеют следующие характеристики: диаметр: 7 мкм, предел прочности на разрыв: 4000 Н / мм 2 , модуль Юнга: 238 ГПа. Перед использованием в цементном тесте волокна были подвергнуты окислительной термообработке в открытой печи при 425 ° C в течение 2 часов для удаления замазки и окисления поверхности углеродного волокна, улучшения смачиваемости и связывания волокна с матрицей [15, 36, 37 ].Сульфат бария добавляют для увеличения поглощения рентгеновских лучей цементирующей матрицей и, таким образом, для увеличения контраста электронной плотности по сравнению с другими внедренными материалами, особенно углеродными волокнами [38]. Все компоненты, используемые для подготовки проб, приведены в таблице 1.

Таблица 1 Сырье и состав смеси для производства цементного композиционного материала

Цемент (CEM I 52.5 R, Schwenk Zement KG, Ульм, Германия), микрокремнезем ( EFACO, Egyptian Ferro-Alloys Company, Эдфу, Египет) и сульфат бария (Acros Organics, Geel, Бельгия) добавляют в емкость для смешивания и перемешивают вручную.Деионизированная вода и суперпластификатор (MasterGlenium ACE 430, BASF Construction Solutions GmbH, Тростберг, Германия) предварительно смешиваются в стеклянном стакане. Жидкие компоненты смешивают со связующим с помощью подвесного смесителя Heidolph Hei-TORQUE Precision 400 (Heidolph Instruments GmbH & CO. KG, Швабах, Германия) при 400 об / мин в течение 90 с до тех пор, пока все твердые частицы не диспергируются гомогенно. После соскабливания недиспергированных остатков со стенок мешалки и контейнера пасту снова перемешивают в течение 90 с при 2000 об / мин. После этого этапа углеродные волокна (Tenax-J HT C261, длина 3 мм, диаметр 7 мкм, Teijin Ltd., Токио, Япония) примешивают к пасте и перемешивают при 70 об / мин в течение 30 с. Пасту, армированную волокном, экструдируют через одноразовый шприц объемом 10 мл с диаметром сопла 2 мм (B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Германия). Было обнаружено, что волокна в основном оставались неповрежденными на протяжении всего процесса, с видимым лишь очень небольшим уменьшением длины. Некоторая дополнительная информация включена в дополнительные материалы к этому документу. Смешивание волокон приводит к очень заметному увеличению вязкости пасты.Испытания в таблице потока с использованием стола Хэгермана (диаметр конуса 100 мм) показывают значение текучести 181 мм для пасты без волокон, 152 мм для пасты, содержащей 1 об.% Волокон и 117 мм для пасты, содержащей 3 об.% Волокон. после 15 ударов.

Этот процесс приводит к почти однонаправленному выравниванию волокон вдоль пути движения сопла; Ориентация волокон в элементах репрезентативного объема испытуемых образцов количественно определяется с помощью рентгеновской компьютерной томографии. Для получения образцов с определенным выравниванием волокон в плоскости направляющие шаблоны, способствующие экструзии цементной пасты по заранее заданным линиям, были напечатаны и помещены под прозрачный кусок поликарбонатного пластика.Шприц направляли по линиям шаблона, получая пластину размером приблизительно 100 × 50 × 3 мм. Этот процесс можно увидеть на рис. 2.

Рис. 2

Принцип процесса выравнивания волокна. a Экструзия композитного материала через плотное сопло шприца приводит к однонаправленной ориентации волокон. Длинная ось волокон выравнивается параллельно траектории движения. b Направляя шприц по траектории наклонного шаблона, можно создавать образцы с определенным выравниванием. c Изображение с помощью оптического микроскопа выровненных волокон в трещине испытательного образца после разрушения

Плитам давали затвердеть в течение 24 часов при относительной влажности 100%, храня их в герметичном эксикаторе над водой. По истечении этого срока его хранили под водой еще 6 дней. После этого образцу дали высохнуть и хранили в герметичном эксикаторе при относительной влажности 59% в течение 21 дня. Уровень влажности регулировали, поддерживая резервуар с перенасыщенным раствором бромида натрия в эксикаторе.Все тесты проводились после 28 дней хранения. После 7 дней хранения образцы были вручную притирены до толщины примерно 2 мм с использованием порошка карбида вольфрама. Эта процедура также обеспечила устранение остаточной шероховатости поверхности образца. Для испытаний на трехточечный изгиб плиты затем разрезали на миниатюрные образцы в форме балки размером 60 × 4 × 2 мм с помощью низкооборотной пилы Buehler IsoMet (Buehler, Lake Bluff, IL, USA).

Испытания на трехточечный изгиб миниатюрных балок

Прочность на изгиб миниатюрных балок проверяли с использованием ZwickRoell zwickiLine Z5.{2}} $}} $$

(1)

где l — расстояние между опорами (установлено на 50,0 ± 0,1 мм), w и h — ширина и высота образца соответственно. {2}}} \ cdot 100 {\ text {\%}} $$

(2)

где h — высота образца, а l — пролет между опорами (установлен на 50.0 ± 0,1 мм).

Визуализация трещин с использованием корреляции цифровых изображений

Поскольку небольшой размер миниатюрных изгибающих балок сильно ограничивает использование более чувствительных инструментов для измерения деформации, таких как тензодатчики, большие образцы для испытаний изготавливаются в соответствии с процессом, описанным в разд. 2.2 с использованием 3D-принтера для бетона, разработанного в Мюнхенском техническом университете. Испытания проводятся при одноосной растягивающей нагрузке с использованием образцов в форме собачьей кости с содержанием углеродного волокна 1% по объему.Их длина составляет 450 мм, поперечное сечение в средней точке образца составляет 50 × 50 мм, затем кость расширяется к обоим концам до поперечного сечения 100 × 50 мм (рис. 3а). Образцы испытываются с зажатыми концами, чтобы минимизировать эксцентрическую нагрузку, вызванную развитием трещин и смещением центральной линии (рис. 3b). Для этого собачий костяк приклеивается дюромерным клеем MC-DUR 1280 (MC-Bauchemie Müller GmbH & Co. KG, Боттроп, Германия) в опорные плиты, соединенные с испытательной машиной.

Рис. 3

Размеры образцов в форме собачьей кости, используемых для испытаний на растяжение. Интересующая область заштрихована серым цветом ( a ) и создает влияние момента незатянутых концов образца во время испытания с развитием трещины ( b )

Поскольку процесс разрушения материала за пределами линейно-упругой области сильно характеризующиеся небольшими и очень локализованными процессами деформации, тензодатчики и DIC используются для более точного описания деформации образца.В частности, ДИК является мощным инструментом для визуализации образования и роста трещин на всем образце.

Образцы в форме собачьей кости были испытаны на универсальной испытательной машине SCHENK 400 с прикрепленным датчиком нагрузки 400 кН. Программа испытаний контролировалась деформацией со скоростью 0,18 мм / мин. Максимальное усилие ( F ), измеренное датчиком нагрузки, преобразуется в предел прочности на разрыв ( f ct ) путем нормализации силы к несущей поверхности ( A ) поперечного сечения в соответствии с:

Деформацию измеряли с помощью тензодатчиков FLAB-3-11 (Tokyo Measuring Instruments Laboratory Co., Ltd., Токио, Япония) и стереокамеру GOM Aramis (GOM GmbH, Брауншвейг, Германия).

Дополнительно проверяется прочность на изгиб на образцах в форме балок в установке для трехточечного изгиба. Размеры представляют собой удлиненную версию стандартной балки, указанной в DIN EN 196-1. Их размеры 40 × 40 × 220 мм, полезный пролет 180 мм, нагрузка приложена в средней точке. Стандартизированные образцы балок были приготовлены с содержанием углеродного волокна 2% по объему, поскольку более простая геометрия позволяла печатать с более высоким содержанием волокна.Все образцы были изготовлены в соответствии с составом смеси, приведенным в таблице 1.

Используя фотограмметрию в сочетании с DIC, можно сделать видимым развитие локальной деформации на поверхности и измерить ширину трещин. Даже трещины, невидимые невооруженным глазом, можно визуализировать без дополнительной трудоемкой подготовки (например, проникновения красителя) [39]. По этой причине ДИК широко используется для характеристики процессов разрушения строительных материалов [40, 41]. Образцы готовят путем нанесения белой краски на поверхность и распыления случайного точечного рисунка с черным графитовым лаком сверху.Во время тестирования подготовленный участок постоянно фотографируется. Первое сделанное изображение используется в качестве эталона на этапе без загрузки, с которым соотносятся следующие изображения. Чтобы отслеживать смещения, область делится на маленькие грани, и из-за случайного точечного рисунка каждая грань имеет свой собственный отпечаток пальца, который можно найти на каждом изображении. Движение граней используется для расчета реальных перемещений и деформаций.

Измерения с помощью рентгеновской трехмерной компьютерной томографии (рентгеновской КТ)

Измерения рентгеновской компьютерной томографии были выполнены на миниатюрных образцах пучка с использованием сканера нанотомов Phoenix m (GE Inspection Technologies LP, Льюистаун, Пенсильвания, США).Одно сканирование состояло из 2000 отдельных изображений, снятых со временем интегрирования 2000 мс. Рентгеновское излучение было создано с использованием ускоряющего напряжения 70 кВ и тока пучка 190 мкА. Размер вокселя для всех сканирований составлял 1,9 мкм. Чтобы получить как можно больше информации о зоне процесса разрушения, каждый образец сканировали четыре раза в разных положениях по его длине. Реконструкция проводилась для каждого частичного сканирования с использованием программного обеспечения Phoenix datos | x. Процесс реконструкции был откалиброван с использованием модуля datos | x «agc» («автоматическая калибровка геометрии»), были применены фильтр уменьшения кольцевых артефактов и фильтр сглаживания Гаусса.Восстановленный скан был сохранен в формате .raw и импортирован в метрологическое программное обеспечение Dragonfly Pro 4.1 (Object Research Systems (ORS) Inc., Монреаль, Канада) для анализа. Разрешение сканирования было уменьшено в 2 раза по сравнению с исходным размером вокселя 1,9 мкм до 3,8 мкм во время процесса импорта, чтобы уменьшить вычислительную нагрузку. перекрывающиеся регионы.

Процедура сегментации рентгеновской КТ

Основная проблема во время процедуры сегментации заключается в том, что контраст между углеродными волокнами и цементирующей матрицей довольно низкий, а значения шкалы серого для каждого материала перекрываются, а не разделяются на отдельные пики на гистограмме .Таким образом, процедура сегментации, основанная исключительно на пороговых значениях для каждого материала, неосуществима. Вместо этого сканирование фильтруется с помощью алгоритма локального выравнивания, который подчеркивает локальное отклонение значений шкалы серого. Поскольку внутри самих волокон имеется очень небольшое отклонение, они будут отображаться в виде черных линий в яркой (хотя и зашумленной) матрице. Затем черная часть локально выровненного изображения может быть сегментирована путем определения порогового значения вручную. Оставшиеся артефакты и шум можно удалить, выполнив анализ связности и преобразовав связанные воксели в дискретные объекты.Удалив из сегментации объекты, которые не соответствуют геометрическим параметрам волокна (например, сферические объекты с соотношением сторон, приближающимся к 1, и объекты, которые слишком далеко отклоняются от геометрического объема волокна), можно добиться хорошего соответствия сегментированных вокселей материалу волокна в сканирование может быть достигнуто. Стратегии сегментации, основанные на схожих принципах, часто встречаются в литературе, когда сегментация, основанная исключительно на серых значениях, терпит неудачу. [42, 43].

Микротрещины также были сегментированы из изображений, прошедших через фильтр локальной коррекции.Поскольку трещины являются относительно дискретными объектами, они не были сегментированы с использованием глобального порога шкалы серого, а скорее с помощью инструмента заполнения области, который добавляет связанную область с тем же значением шкалы серого к текущей сегментации. Объекты, которые были ошибочно идентифицированы как принадлежащие к трещине (например, волокна, проходящие через трещину), были удалены путем скелетонирования, а затем расширения сегментированной области.

Анализ акустической эмиссии

Испытания на акустическую эмиссию небольших образцов из различных армированных волокном материалов в прошлом проводились несколькими рабочими группами.Эти эксперименты включают множество различных материалов, таких как керамика, армированная SiC [44], армированные стекловолокном поилмеры (GFRP) [45] и бетон, армированный стальным волокном [46]. В большинстве публикаций рассматриваются полимеры, армированные углеродным волокном (CFRP), и делается попытка определения механики разрушения [47, 48]. Для этого применяются частотный анализ локализации источника и методы подсчета событий. В рамках этого исследования, акустическая эмиссия используется для мониторинга развития повреждений в миниатюрных образцах балок с содержанием углеродного волокна 1 об.% Под статической трехточечной изгибающей нагрузкой [49].Целью было пространственное и временное разрешение образования трещин и разрушения волокна. Четыре малогабаритных датчика резонансной акустической эмиссии (АЭ) были прикреплены к образцу с помощью горячего клея. Из-за резонансной частотной характеристики используемых датчиков АЭ и необходимости проведения частотного анализа, формы сигналов дополнительно регистрировались лазерным доплеровским виброметром (LDV). Используемый LDV обеспечивает квазилинейную частотную характеристику от 30 кГц до 24 МГц и разрешение 0,1 пм / Гц 0.5 . Нагрузка была приложена с помощью силовой рамы Wolpert 10 кН и датчика нагрузки 500 Н. Акустические волны, возникающие в результате разрыва волокна или матрицы из-за механической нагрузки и распространяющиеся через образец, регистрировались датчиками АЭ и LDV. Затем сигнал индуцированного напряжения передавался в восьмиканальную систему сбора данных Elsys, где он оцифровывался с частотой дискретизации 20 МГц. На рис. 4 представлен обзор экспериментальной установки. Анализ данных проводился с помощью собственного кода на основе MATLAB®.

Рис. 4

Экспериментальная установка для испытаний на статический трехточечный изгиб миниатюрных образцов балок. Позиция 1 представляет образец. Отражающая фольга для лазерного доплеровского виброметра расположена в позиции 2. Датчики акустической эмиссии, пронумерованные от одного до четырех, прикреплены к краям образца

Чтобы получить координаты источника акустической эмиссии, решающий шаг это выбор начала. Поскольку для каждого эксперимента регистрируется несколько тысяч событий акустической эмиссии, необходимо применять методы автоматического определения начала.В этом исследовании используется метод выбора, основанный на информационном критерии Акаике (AIC) [50]. Первое предположение для начала определяется адаптивным порогом, действующим на преобразование Гильберта сигнала, как описано в [51]. При условии правильного времени начала для каждого датчика, можно рассчитать местоположение события \ (x_ {e} \), фазовую скорость распространения \ (c \) и время начала \ (t_ {0} \), решив систему уравнений, приведенную в Уравнение (4) в смысле наименьших квадратов.

$$ {\ varvec {A}} | b = \ left [{\ left.{\ begin {array} {* {20} c} {\ begin {array} {* {20} c} 1 & 1 & {- S_ {x1}} \\ 1 & 1 & {- S_ {x2}} \\ \ end {array}} \\ {\ begin {array} {* {20} c} 1 & {- 1} & {S_ {x3}} \\ 1 & {- 1} & {S_ {x4} } \\ \ end {array}} \\ \ end {array}} \ right | \ begin {array} {* {20} c} {\ begin {array} {* {20} c} {t_ {a1} } \\ {t_ {a2}} \\ \ end {массив}} \\ {\ begin {array} {* {20} c} {t_ {a3}} \\ {t_ {a4}} \\ \ end {array}} \\ \ end {array}} \ right] $$

(4)

\ (S_ {xi} \) обозначает положение датчика в направлении x, а \ (t_ {ai} \) — время прибытия на датчик \ (i \).Неизвестный параметр \ (a_ {1,1} \) соответствует \ (t_ {0} \), \ (a_ {1,2} \) к \ ({\ raise0.7ex \ hbox {$ {x_ {e }} $} \! \ mathord {\ left / {\ vphantom {{x_ {e}} c}} \ right. \ kern- \ nulldelimiterspace} \! \ lower0.7ex \ hbox {$ c $}} \) , а \ (a_ {1,2} \) равно \ ({\ raise0.7ex \ hbox {$ 1 $} \! \ mathord {\ left / {\ vphantom {1 {c * S_ {x2}}}}} \ right. \ kern- \ nulldelimiterspace} \! \ lower0.7ex \ hbox {$ {c * S_ {x2}} $}} \). Таким образом, для каждого события мы получаем скорость распространения соответствующего типа волны. Вместе со значением кривизны AIC (введенным в литературе как «значение DD» [50]) события можно классифицировать на реальные переходные сигналы и шум или реверберацию.Значение DD представляет собой вторую производную функции AIC вблизи глобального минимума. Кроме того, может быть получена оценка качества начального процесса комплектации. На рисунке 5 показано соотношение между скоростью события и значением DD на двумерной гистограмме. События со значением DD выше 380 и скоростью в диапазоне от 1000 до 5000 м / с выделяются синим фоном и рассматриваются для дальнейшей обработки.

Рис. 5

Распределение скорости и значения DD.Синим прямоугольником отмечены события, которые считаются единичными переломами или разрывом волокна. Эти события используются для дальнейшей обработки.

События низкой скорости возникают либо из-за вторичных фаз прихода, либо из-за отражений, либо из-за ошибок выбора. Чтобы гарантировать последовательную локализацию, рассчитывается скорость для трех и четырех времен прихода. Отклонения между этими двумя решениями, превышающие 500 м / с, рассматриваются как ложные выборы, а не как второстепенные фазы. Пороговое значение выводится из стохастических входных данных в систему уравнений при поиске искаженных синтетических времен прихода.При рассмотрении частоты дискретизации было обнаружено, что совокупные ошибки выбора 0,5 мкс или 10 отсчетов приводят к ошибкам скорости 1000 м / с. Поэтому скорость 500 м / с считается разумной, чтобы избежать ложных локализаций. После успешной локализации источника можно исследовать механику источника. Исследования, проведенные разными авторами, как указано в таблице 2 (см. Также, например, [52]), показывают, что частотный состав акустической эмиссии подходит для идентификации режима отказа. Они выполнили измерения акустической эмиссии на материалах, армированных волокном, во время различных режимов нагружения и вывели зависимости между частотой и видами отказов.В таблице 2 показаны отношения частоты и режима отказов из предыдущих исследований. Описанные корреляции дополнены подробностями об используемом сенсорном оборудовании и испытанных материалах. Основное влияние на найденные частоты оказывает используемая сенсорная технология и метод оценки.

Таблица 2 Классификация видов отказов по частоте из предыдущих исследований

Интегрированное обнаружение повреждений в композитах, армированных волокном, с чрезвычайно низким содержанием углеродных нанотрубок

Разработана гибридная композитная система с нанотехнологиями, с интегрированными возможностями обнаружения повреждений при чрезвычайно низком углеродном нанотрубке ( CNT) содержимое.Используемая простая техника нанесения покрытия распылением обеспечивает хороший пространственный контроль и возможность локального осаждения УНТ, особенно вблизи границы раздела волокно / матрица, решая традиционные проблемы, связанные с включением нанонаполнителей в армированные волокнами композитные ламинаты, такие как повышенная вязкость смолы и эффекты фильтрации. Кроме того, применяемая технология распыления имеет хороший потенциал для промышленного масштабирования. In situ обнаружение повреждений на основе стандартных испытаний композитов было впервые продемонстрировано на гибридных композитах из стекловолокна / УНТ с использованием чрезвычайно низких нагрузок УНТ (ниже 0.1 вес.%) И демонстрирует большой потенциал для локального мониторинга состояния структур путем контролируемого осаждения УНТ в зонах, подверженных повреждению.

1. Введение

В связи с растущей тенденцией использования армированных волокном пластиков для замены традиционных конструкционных материалов, таких как металлы, для различных применений, включая авиацию и автомобилестроение, мониторинг состояния конструкций в композитах стал как никогда важным. Благодаря своей ламинированной природе, выдающиеся характеристики в плоскости сопровождаются относительно слабыми характеристиками вне плоскости как у стекловолокна, так и у пластиков, армированных углеродным волокном.Традиционные методы неразрушающего контроля включают в себя мониторинг видов внутреннего отказа, обычно связанных со свойствами вне плоскости, такими как расслоение или разрушение при межслойном сдвиге, и включают такие методы, как рентгенография или ультразвуковое сканирование. К сожалению, проверка такой детали часто связана со значительным простоем и всегда приводит к дополнительным затратам на обслуживание. Следовательно, in situ и интегрированный мониторинг состояния структурных композитов очень желательны для промышленности.

Благодаря своим превосходным механическим и электрическим свойствам углеродные нанотрубки (УНТ) стали одними из наиболее часто используемых наполнителей для улучшения характеристик композитов [1–5]. Использование УНТ для этой цели имеет дополнительные преимущества, поскольку эти проводящие нанонаполнители позволяют создавать многофункциональные композиты с интегрированными сенсорными возможностями [6–10], особенно для мониторинга состояния конструкций и обнаружения повреждений [11–14]. Различные внешние стимулы могут быть уловлены сетками УНТ, пронизывающими полимерные матрицы, такие как деформация [15–18], температура [8], газ [19, 20] и деградация полимера [21].Тостенсон и Чоу [9] показали, что при использовании процессов смешения с высоким усилием сдвига УНТ можно диспергировать в эпоксидных смолах с целью обнаружения повреждений во время специально разработанного испытания на растяжение. Традиционно нанонаполнители, такие как УНТ, вводятся путем смешивания их с объемными смолами, такими как эпоксидные смолы, перед последующим производством композитов, что приводит к увеличению вязкости смол, что мешает производственным процессам, таким как формование с переносом смолы (RTM) или предварительная обработка. Более того, даже после диспергирования УНТ имеют тенденцию к агломерации с течением времени [22], что сводит на нет их преимущество в качестве нанонаполнителя.Кроме того, поток этих смол, модифицированных УНТ, через текстильные заготовки, такие как тканые ткани, может привести к эффектам фильтрации [23] этих текстильных заготовок и неравномерному распределению нанонаполнителя по всей композитной части. Следовательно, пространственное управление УНТ в эпоксидной матрице невозможно с использованием таких традиционных стратегий смешивания.

Решение этой проблемы заключается в покрытии поверхностей волокон УНТ с использованием таких методов, как осаждение с помощью электрофореза или выращивание in situ, .Kepple et al. [24] показали улучшенную вязкость межслойного разрушения примерно на 50% с функционализированными УНТ in situ , выращенными на тканях из углеродного волокна. Другой метод — вводить их в проклейку волокна. Gao et al. [25] вводили УНТ в композитные ламинаты через модифицированный размер УНТ с целью определения на месте повреждения удара. Однако сложные этапы обработки и стоимость этих методов ограничивают производительность и возможность масштабирования.

Методы распыления являются одними из самых простых методов осаждения и диспергирования наноматериалов на подложках с использованием сильных воздушных потоков для создания очень мелких капель, создавая распыление, которое может непосредственно наноситься на пленки, ткани или волокна [26].Совсем недавно появились сообщения об исследованиях, основанных на технологии распыления для механического армирования армированных волокном пластиков (FRP) [26–28]. Джоши и Дикшит [28] нанесли УНТ на пленку, а затем перенесли ее на препреги для упрочнения, а Yavari et al. [29] напыляли графеновые нанопластинки на стеклянные волокна для улучшения усталостных свойств, в то время как Thakre et al. [30] нанесли одностенные углеродные нанотрубки на волоконные заготовки для повышения вязкости межслойного разрушения, хотя сообщаемые улучшения были ограниченными.Zhang et al. применили этот метод для нанесения УНТ на препреги из углеродного волокна и получили улучшенные механические свойства [12]. Однако, насколько известно авторам, никаких исследований по использованию этого простого и эффективного метода для нанесения УНТ в армированный стекловолокном пластик (GRP) для целей обнаружения повреждений не проводилось.

В данной работе впервые используется техника аэрографии для интеграции возможности обнаружения повреждений в стеклопластик. Показано, что такой метод напыления обеспечивает хорошее распределение, локализацию и пространственный контроль УНТ.Таким образом, работа демонстрирует, что можно преодолеть существующие проблемы обработки, такие как повышенная вязкость смолы, путем введения УНТ в смолы, поскольку нанонаполнители вводятся в заготовку волокна, а не в смолу. В то же время напыление представляет собой дешевый и легко масштабируемый метод, который можно применять к любой поверхности волокна с возможностью локализации УНТ в областях, подверженных повреждению.

2. Материалы и методы
2.1. Материалы

Композитная система в этом исследовании была основана на саржевом стекловолокне размером 2 × 2 (Sigmatex Ltd., Великобритания) и систему эпоксидной смолы RTM6-2 (HexFlow). Нефункциональные многослойные углеродные нанотрубки (MWCNT) с высоким соотношением сторон (> 150), полученные методом химического осаждения из паровой фазы (CVD), были использованы в том виде, в каком они были получены от Nanocyl S.A. (номер продукта NC7000), подробные характеристики которых можно найти в [31, 32]. В качестве растворителя для суспензии УНТ использовали метанол (Sigma-Aldrich).

2.2. Метод нанесения покрытия распылением

Различные этапы процесса схематически изображены на рисунке 1. Измеренные количества УНТ были диспергированы в метаноле с использованием ультразвукового зонда для разрушения агломератов УНТ с максимальной амплитудой 20% и энергией 5000 джоулей.После обработки ультразвуком раствор УНТ помещали в контейнер для аэрографа для распыления осаждения. Установка для аэрографии (Iwata Performance plus, модель h5001 HP-CPLUS) была соединена с воздушным компрессором (серия Iwata studio), обеспечивающим давление воздуха 30 фунтов на квадратный дюйм (2,0 бара) при расстоянии 10 см между распылительным соплом и субстратом. Процесс нанесения покрытия распылением повторяли с постоянным рисунком для покрытия всей заготовки до тех пор, пока приготовленная суспензия УНТ не закончилась.


Для образца для испытания на вязкость при межслойном разрушении использовались шесть слоев стекловолоконной ткани, все в конфигурации 0/90 °, при этом пять слоев одностороннего напыления с 4 мг УНТ на каждый слой.Для образцов для испытаний на прочность при межслойном сдвиге (ILSS) использовались те же процедуры распыления, но здесь на каждый слой было нанесено 10 мг УНТ вместо 4 мг. Процесс напыления повторяли контролируемым образом до тех пор, пока весь раствор УНТ не был нанесен на тканевую подложку.

2.3. Изготовление и подготовка образцов

Две части эпоксидной смолы были предварительно нагреты до 80 ° C, прежде чем они были смешаны с массовым соотношением между эпоксидной смолой и отвердителем 59,5-40,5. После дегазации эпоксидной смолы в течение 30 минут в вакуумном сушильном шкафу процесс настаивания проводили под вакуумом 1 бар при 90 ° C.Вакуумная инфузия смолы (VARI) использовалась для изготовления композитных ламинатов с последующим типичным циклом отверждения, который включал 140 ° C в течение 1,5 часов и постотверждение при 180 ° C в течение еще 2 часов. После отверждения композитные ламинаты разрезали на образцы с двойной консолью (DCB) размером 135 мм × 20 мм для межслойных испытаний в режиме I. Открытые края на концах образцов соединяли медной проволокой и серебряной краской. Что касается определения прочности короткого пучка (SBS) для испытаний ILSS, в испытании на измерение использовались как плоскостное, так и сквозное направление, как показано на рисунке 2.Тонкая медная проволока располагалась на обоих концах образца для измерений в плоскости, в то время как для измерения сквозной толщины на поверхность и дно образца наносилась серебряная проводящая краска, прежде чем медная проволока была прикреплена с помощью эпоксидного клея с серебряным наполнением.

2.4. Определение характеристик

Для электрических измерений использовался цифровой мультиметр (Agilent 34401A) для измерения объемного сопротивления каждого образца с использованием двухзондовой установки для измерения постоянного тока. Электроды напрямую соединялись медными проволоками от краев образца, как показано на рисунке 2.Для испытаний на вязкость межслойного разрушения были проведены испытания с двойной консольной балкой в ​​соответствии с ASTM D5528 [33] с использованием универсальной испытательной машины Instron 5566 при скорости испытания 1 мм / мин, а для оценки прочности на межслойный сдвиг (ILSS) — испытания SBS. были выполнены в соответствии с ASTM D2344 на той же испытательной машине при скорости ползуна 1 мм / мин.

Сканирующий электронный микроскоп (SEM), используемый в этой работе, представляет собой модель Inspect F от FEI. Морфология осажденных УНТ на поверхности стекловолокна, а также поверхности излома образцов после испытаний были исследованы с помощью СЭМ.Перед исследованием поверхность излома была покрыта золотом.

3. Результаты и обсуждение

Тонкая просачивающаяся сетка УНТ на стеклянные волокна наблюдается после нанесения покрытия распылением (Рисунки 3 (a) и 3 (b)). Никаких очевидных крупных агрегатов УНТ не наблюдается, и локализация УНТ в предрасположенной к повреждению межфазной зоне была достигнута. УНТ, нанесенные методом аэрографии, располагаются не только на поверхности волокна, но также вблизи межфазных поверхностей или областей матрицы между отдельными волокнами.Это объясняется двумя основными факторами: во-первых, сильным воздушным потоком во время осаждения аэрографом, который непосредственно размещает УНТ в пределах промежутка между отдельными стеклянными волокнами, и, во-вторых, процессом инфузии во время VARI, который допускает некоторую миграцию УНТ в пучки стекловолокна, особенно когда в результате протекания смолы через толщину.

Из изображений поверхности излома, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа, композитных ламинатов, испытанных в режиме I (рис. 3 (c)), можно увидеть, что стеклянные волокна покрыты эпоксидной смолой, что указывает на хорошую адгезию между волокнами и смолой с присутствием УНТ.УНТ также можно найти как на поверхности волокон, так и на связанных межфазных областях между волокнами и матрицей, что может способствовать усилению передачи напряжения по сравнению с композитами на основе чистых смол. Хорошо рассредоточенная электропроводящая сеть УНТ в этих слоистых стекловолоконных материалах теперь может использоваться для обнаружения повреждений посредством мониторинга изменений удельного сопротивления с прогрессирующим растрескиванием. На рисунках 3 (d) и 3 (e) показаны площади поперечного сечения эталонного образца GRP и гибридного образца CNT / GRP после испытаний SBS, соответственно, где наблюдались очень явные разрушения межслоевого сдвига.

При использовании технологии нанесения покрытия распылением УНТ в концентрации всего 0,012 мас.% Могут придавать электропроводность композитным ламинатам, что указывает на превосходное образование сетки. Эта чрезвычайно низкая загрузка УНТ выбрана из-за нашего предыдущего опыта зондирования, основанного на перколированных сетях, что чувствительность композитов к внешним стимулам будет снижена, если загрузка УНТ будет значительно выше порога перколяции [15, 34]. Полагают, что полученная электропроводность связана не только с первоначальным диспергированием УНТ на поверхности волокна, но и с результатом процесса «динамической перколяции» [15, 34], происходящего после процесса инфузии, но до полного пересечения. соединение эпоксидной смолы.

На рис. 4 (а) показаны результаты определения повреждений вместе с типичной кривой нагрузка-смещение из испытания DCB. Последовательные спады на кривой нагрузки связаны с распространением трещин. Одновременно измеряемое удельное сопротивление увеличивается с четкими ступенями, которые напрямую коррелируют с падением нагрузки и происходит из-за того, что на просачивающуюся сеть УНТ влияет распространение трещин. Эта корреляция подтверждает, что покрытая распылением проводящая сеть УНТ на стекловолоконных тканях может использоваться в качестве измерительного инструмента для обнаружения повреждений в композитных образцах во время механической деформации.

Для дальнейшего подтверждения корреляции между механическими характеристиками и электрическими сигналами датчиков на график нанесены относительные изменения силы и удельного сопротивления (в процентах) (рисунок 4 (b)). Относительное изменение нагрузки и сопротивления было взято из данных отдельно и нанесено на график как функция смещения. Наблюдается отличная корреляция между этими двумя сигналами, что указывает на надежность этого метода для обнаружения повреждений расслоения в композитных ламинатах. Хотя измеренная вязкость межслойного разрушения () модифицированных УНТ ламинатов (кДж / м 2 ) была лишь немного выше, чем у эталонного ламината (кДж / м 2 ), метод нанесения покрытия распылением действительно показал некоторые перспективы улучшения межслойная вязкость с учетом крайне низкой концентрации УНТ (0.012 мас.%). Это снова подчеркивает преимущество локализации УНТ в зонах, подверженных повреждению, или межфазных областях для повышения ее эффективности.

Работа по обнаружению повреждений in situ также применялась в испытаниях SBS для проверки его эффективности при нагрузках на изгиб. Как в плоскости, так и в направлении по толщине использовалось электрическое поле для измерения; К сожалению, в образцах на всю толщину не было зарегистрировано никаких электрических сигналов. Считается, что это связано с двумя основными причинами: (i) относительно низкой загрузкой УНТ в композитах (0.072 мас.%) И (ii) появление богатых смолой областей вблизи поверхности образцов, приводящее к более высокому электрическому сопротивлению. Следовательно, только результаты измерения в плоскости были успешно получены и использованы для анализа внутренних повреждений во время испытания SBS.

На рисунке 5 показаны кривые нагрузки вместе с нормализованными электрическими сигналами датчиков. Для испытания SBS сила начинает нарастать с начала испытания до тех пор, пока не произойдет разрушение межслоевого сдвига, что приведет к очевидному падению силы до конца испытания.Очевидно, что в начале теста на сигнал считывания не сильно влияла приложенная нагрузка, но он поддерживается на начальном начальном уровне. Стоит отметить, что электрическое сопротивление фактически немного уменьшилось при увеличении нагрузки, что было связано с деформацией изгиба, которая включает частичное сжатие образца и немного уменьшенный зазор между УНТ внутри сети. Этот вывод согласуется с данными других исследований [16, 35]. Когда происходит нарушение межслойного сдвига, сильно нарушается сетевая структура перколированных УНТ, что приводит к резкому изменению сигналов восприятия.Из увеличенного графика около предельной разрушающей нагрузки (рис. 5 (b)) очень ясно видно, что здесь также измеренные электрические сигналы датчиков хорошо коррелируют с приложенной нагрузкой, причем наибольшее изменение сопротивления происходит около окончательного отказа образец.

Таблица 1 суммирует наблюдаемые механические свойства наноинженерных гибридных композитов. Как и ожидалось, при чрезвычайно низких нагрузках на УНТ, использованных в этом исследовании, не наблюдалось значительных улучшений как в вязкости межслойного разрушения, так и в прочности на межслойный сдвиг.Однако, что более важно, уровни механических свойств поддерживались на начальном уровне, в то время как в то же время была введена многофункциональность за счет способности распознавания повреждений.

2 ) 9059 905 905

Каталожный номер С напылением УНТ Относительное изменение (%) Загрузка УНТ (мас.%)
0,44 (± 0.05) 0,52 (± 0,09) + 18% 0,012
ILSS (МПа) 38,35 (± 2,12) 40,25 (± 0,82) + 5%
4. Выводы

Гибридный микронанокомпозит с интегрированными возможностями обнаружения повреждений был приготовлен с использованием чрезвычайно низких концентраций УНТ. Определение повреждений на месте было установлено на основе стандартных композитных испытаний.Техника аэрографии оказалась высокоэффективным методом диспергирования и осаждения УНТ на заготовки из волокнистого текстиля с большим пространственным контролем и возможностью локализации, благодаря чему в многослойных стекловолоконных композитных материалах появилась возможность обнаружения повреждений. Помимо простоты и универсальности, распыление также позволяет относительно легко масштабировать производство. Полученные высокоэффективные перколированные сети УНТ были использованы для обнаружения межслойных повреждений в режиме реального времени, одновременно обеспечивая некоторое улучшение механических свойств.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.

Благодарность

Данная исследовательская работа проводилась в рамках Европейской исследовательской программы «IMS & CPS» в рамках Седьмой рамочной программы.

Агломерация углеродных нанотрубок в армированных композитах: обзор

[1] Иидзима С. (1991) Спиральные микротрубочки графитового углерода. Природа 354: 56–58. DOI: 10.1038 / 354056a0
[2] Чжу X, Чжао Ю.Г., Ву М. и др. (2016) Влияние исходного размера частиц алюминиевого сплава на повреждение углеродных нанотрубок во время шаровой мельницы. Материалы 9: 173. doi: 10.3390 / ma

73
[3] Thostenson ET, Ren Z, Chou TW (2001) Достижения науки и технологии углеродных нанотрубок и их композитов: обзор. Compos Sci Technol 61: 1899–1912. DOI: 10.1016 / S0266-3538 (01) 00094-X
[4] Бакш С.Р., Лахири Д., Агарвал А. (2010) Композиты с металлической матрицей, армированные углеродными нанотрубками — обзор. Int Mater Rev. 55: 41–64. DOI: 10.1179 / 095066009X12572530170543
[5] Дай Х (2002) Углеродные нанотрубки: возможности и проблемы. Surf Sci 500: 218–241. DOI: 10.1016 / S0039-6028 (01) 01558-8
[6] Чу К., Го Х., Цзя С. и др. (2010) Термические свойства композитов углеродные нанотрубки-медь для приложений терморегулирования. Nanoscale Res Lett 5: 868–874. DOI: 10.1007 / s11671-010-9577-2
[7] Sun Y (2010) Механические свойства композитов углеродные нанотрубки / металл [кандидатская диссертация].Университет Центральной Флориды, США.
[8] Гарсия Э.Дж., Харт А.Дж., Уордл Б.Л. и др. (2007) Изготовление и тестирование нанокомпрессии упорядоченных нанокомпозитов углерод-нанотрубка-полимер. Adv Mater 19: 2151–2156. DOI: 10.1002 / adma.200700237
[9] Yengejeh SI, Kazemi SA, Öchsner A (2017) Углеродные нанотрубки как упрочнение в композитах: обзор аналитических, численных и экспериментальных подходов. Comput Mater Sci 136: 85–101. DOI: 10.1016 / j.commatsci.2017.04.023
[10] Wardle BL (2009) Нанокомпозиты и нанотехнологические композиты, усиленные ориентированными углеродными нанотрубками. Труды 17-й Международной конференции по композитным материалам, Эдинбург, Великобритания, 27–31.
[11] Мунир К.С., Кингшотт П., Вен С. (2014) Армированные углеродными нанотрубками композиты с металлической матрицей титана, полученные методом порошковой металлургии — обзор. Crit Rev Solid State 40: 38–55.
[12] Khare R, Bose S (2005) Композиты на основе углеродных нанотрубок — обзор. J Miner Mater Char Eng 4: 31–46.
[13] Аджаян П.М., Шадлер Л.С., Браун П.В. (2003) Наука и технология нанокомпозитов, Германия: Wiley-VCH, 1–75.
[14] Брейер О., Сундарарадж У. (2004) Большие выгоды от малых волокон: обзор композитов полимер / углеродные нанотрубки. Polym Compos 25: 630–645. DOI: 10.1002 / pc.20058
[15] Ян Б.Дж., Чо К.Дж., Ким Г.М. и др.(2014) Влияние агломерации УНТ на электропроводность и порог перколяции нанокомпозитов: подход, основанный на микромеханике. Comp Model Eng Sci 103: 343–365.
[16] Пан Y, Weng GJ, Meguid SA и др. (2011) Порог перколяции и электропроводность двухфазного композита, содержащего случайно ориентированные эллипсоидальные включения. J Appl Phys 110: 123715. DOI: 10.1063 / 1.3671675
[17] Азарния А., Сафави М.С., Совизи С. и др. (2017) Металлургические проблемы в нанокомпозитах с металлической матрицей, армированной углеродными нанотрубками. Металлы 7: 384. doi: 10.3390 / met7100384
[18] Лю Х, Гао Б., Хе Ф и др.(2017) Углеродные наноматериалы, измельченные в шаровой мельнице, для энергетики и защиты окружающей среды. ACS Sustain Chem Eng 5: 9568–9585. DOI: 10.1021 / acssuschemeng.7b02170
[19] Ван Д., Чен Л. (2010) Дисперсии «умных» углеродных нанотрубок, чувствительные к температуре и pH. В: Баласубраманиан К., Бургхард М., Углеродные нанотрубки: методы и протоколы, 1 изд., Нью-Йорк: Humana Press, 27–38.
[20] Schlagenhauf L, Nuesch F, Wang J (2014) Высвобождение углеродных нанотрубок из полимерных нанокомпозитов. Волокна 2: 108–127. DOI: 10.3390 / fib2020108
[21] Метнер М., Кроуфорд С., Джерачи С. (2012) Оценка потенциального выброса углеродных нановолокон в воздух во время подготовки, измельчения и резки нанокомпозитного материала на основе эпоксидной смолы. J Occup Environ Hyg 9: 308–318. DOI: 10.1080 / 15459624.2012.670790
[22] Голанский Л., Гио А., Прас М. и др. (2012) Высвобождение нанонаполнителей из различных наноматериалов (в сторону приемлемости нанопродукта). J Nanopart Res 14: 962. DOI: 10.1007 / s11051-012-0962-x
[23] Рашад М., Пан Ф, Тан А. и др.(2015) Разработка композита нанопластинок магния и графена. J Compos Mater 49: 285–293. DOI: 10.1177 / 0021998313518360
[24] Jiang LY, Huang Y, Jiang H, et al. (2006) Закон когезии для границ раздела углеродные нанотрубки / полимер, основанный на силе Ван-дер-Ваальса. J Mech Phys Solids 54: 2436–2452.DOI: 10.1016 / j.jmps.2006.04.009
[25] Hertel T, Walkup RE, Avouris P (1998) Деформация углеродных нанотрубок под действием поверхностных сил Ван-дер-Ваальса. Phys Rev B 58: 13870–13873. DOI: 10.1103 / PhysRevB.58.13870
[26] Ямамото Т., Мияучи Ю., Мотоянаги Дж. И др.(2004) Усовершенствованный метод обработки ультразвуком в ванне для диспергирования отдельных однослойных углеродных нанотрубок с использованием нового поверхностно-активного вещества на основе трифенилена. Jpn J Appl Phys 47: 2000–2004.
[27] Субраманиан Дж., Ситхараман С., Гупта М. (2015) Обработка и свойства композитов на основе алюминия и магния, содержащих аморфное армирование: обзор. Металлы 5: 743–762. DOI: 10.3390 / met5020743
[28] Ballóková B, Sülleiová K, Besterci M, et al. (2016) Микромеханизмы разрушения композита на основе магния после сверхпластической деформации. Powder Metall Prog 16: 117–122. DOI: 10.1515 / pmp-2016-0010
[29] Ли Дж. Х., Ри К. Ю. (2009) Обработка углеродных нанотрубок силаном и ее влияние на трибологическое поведение углеродных нанотрубок / эпоксидных нанокомпозитов. J Nanosci Nanotechno 9: 6948–6952.
[30] Чен Ю., Конвей М., Фитцджеральд Дж. (2003) Углеродные нанотрубки, образованные в графите после механического измельчения и термического отжига. Appl Phys A 76: 633–636.
[31] Reich S, Thomsen C, Maultzsch (2004) Углеродные нанотрубки — основные понятия и физические свойства. ChemPhysChem 5: 1914–1915. DOI: 10.1002 / cphc.200400387
[32] Гонсалес-Домингес Дж. М., Мазер В., Бенито А. и др. (2008) Дисперсия углеродных нанотрубок в сторону интеграции полимеров. NanoSpain2008, Брага, Португалия.
[33] Инам Ф., Пейджс Т. (2007) Повторная агломерация углеродных нанотрубок в двухкомпонентной эпоксидной системе; влияние концентрации. Труды 5-й Международной конференции Бурбхана по прикладной науке и технологиям, Исламабад, Пакистан.
[34] Song WS (2016) Анализ перколяции, электропроводности и электромагнитного экрана композитов УНТ [тезис BD]. Технологический институт Джорджии, США.
[35] Дерябина О., Лебовка Н., Булавин Л и др.(2013) Регулирование дисперсии углеродных нанотрубок в смеси хороших и плохих растворителей. arXiv 1304.5679.
[36] Араи С., Сайто Т., Эндо М. (2010) Композитные пленки Cu – MWCNT, полученные электроосаждением. J Electrochem Soc 157: D147 – D153. DOI: 10.1149 / 1.3280034
[37] Смарт СК, Рен В.С., Ченг Х.М. и др.(2007) Укороченные двустенные углеродные нанотрубки с помощью высокоэнергетической шаровой мельницы. Int J Nanotechnol 4: 618–633. DOI: 10.1504 / IJNT.2007.014756
[38] Simões S, Viana F, Reis MAL и др. (2016) Микроструктурная характеристика нанокомпозитов алюминий-углеродные нанотрубки, полученных с использованием различных методов диспергирования. Microsc Microanal 22: 725–732. DOI: 10.1017 / S143192761600057X
[39] Simões S, Viana F, Reis MAL и др. (2014) Улучшенная дисперсия углеродных нанотрубок в алюминиевых композитах. Compos Struct 108: 992–1000. DOI: 10.1016 / j.compstruct.2013.10.043
[40] Рашад М., Пан Ф, Асиф М. и др.(2015) Улучшение механических свойств «композитов на основе магния» с гибридами титана и алюминия. J Магниевый сплав 3: 1–9. DOI: 10.1016 / j.jma.2014.12.010
[41] Ламура Дж., Андреон А., Ян Й. и др. (2007) Высококристаллические маты из углеродных нанотрубок с одинарными и двойными стенками, выращенные методом химического осаждения из газовой фазы. J Phys Chem C 111: 15154–15159. DOI: 10.1021 / jp073940f
[42] Лотт Дж. З. (2009) Исследование формирования сетки углеродных нанотрубок в эпоксидных матрицах для улучшения электропроводности [кандидатская диссертация]. Технический университет, Германия.
[43] Вальехо С.С. (2014) Разработка композитов с никелевой матрицей, армированной углеродными нанотрубками: обработка, микроструктура и физические свойства [кандидатская диссертация].Саарландский университет, Германия.
[44] Pham VT, Bui HT, Tran BT и др. (2011) Влияние температуры спекания на механические свойства нанокомпозита Cu / CNT, полученного методом порошковой металлургии. Adv Nat Sci Nanosci Nanotechnol 2: 015006. DOI: 10.1088 / 2043-6262 / 2/1/015006
[45] Neubauer E, Kitzmantel M, Hulman M (2010) Возможности и проблемы композитов с металлической матрицей, армированных углеродными нановолокнами и углеродными нанотрубками. Compos Sci Technol 70: 2228–2236. DOI: 10.1016 / j.compscitech.2010.09.003
[46] Тиан Л., Чжэн Л., Рен Л. и др. (2018) Перспективы будущего композитного материала с металлической матрицей, армированного углеродными нанотрубками. Res Dev Material Sci 3: 226–228.
[47] Эсави АМК, Морси К., Сайед А. и др.(2009) Изготовление и свойства диспергированных композитов углеродные нанотрубки-алюминий. Mater Sci Eng A 508: 167–173. DOI: 10.1016 / j.msea.2009.01.002
[48] Simões S, Viana F, Reis MAL и др. (2017) Композиты с алюминиевой и никелевой матрицей, армированные УНТ: диспергирование / смесь с помощью ультразвука. Металлы 7: 279.DOI: 10.3390 / met7070279
[49] Woo DJ, Bottolfson BA, Brewer LN, et al. (2014) Низкотемпературный синтез композитных порошков алюминия и металла, армированных углеродными нанотрубками, с использованием криогенного помола. J Mater Res 29: 2644–2656. DOI: 10.1557 / jmr.2014.300
[50] Esawi AMK, Borady MAE (2008) Алюминиевые полосы, армированные углеродными нанотрубками. Compos Sci Technol 68: 486–492. DOI: 10.1016 / j.compscitech.2007.06.030
[51] Заре Х., Торогинежад М.Р., Мератиан М. (2012) Дисперсия многослойных углеродных нанотрубок в алюминиевых порошках с истиранием в ультразвуковой и шаровой мельницах. Труды Международной конференции по машиностроению, автомобилестроению и материаловедению, Дубай, 218–220.
[52] Тузандехджани М., Матори К.А., Остован Ф. и др. (2017) Углеродные нанотрубки, армированные композитами с алюминиевой матрицей — Обзор методов обработки. PJSRR 3: 70–92.
[53] Ча С., Ким К.Т., Аршад С.Н. и др.(2005) Необычайный упрочняющий эффект углеродных нанотрубок в нанокомпозитах с металлической матрицей, обработанных путем смешения на молекулярном уровне. Adv Mater 17: 1377–1381. DOI: 10.1002 / adma.200401933
[54] Nai, MH, Wei J, Gupta M (2014) Адаптация интерфейса для улучшения механических свойств магниевых композитов, армированных углеродными нанотрубками. Mater Des 60: 490–495. DOI: 10.1016 / j.matdes.2014.04.011
[55] Лю С.Ю., Гао Ф.П., Чжан Цюй и др. (2010) Изготовление углеродных нанотрубок, армированных композитами AZ91D, с помощью ультразвуковой обработки. T Металл без железа Soc 20: 1222–1227. DOI: 10.1016 / S1003-6326 (09) 60282-X
[56] Малаки М., Сюй В., Касар А.К. и др.(2019). Современные нанокомпозиты с металлической матрицей. Металлы 9: 330.
[57] Park Y, Cho K, Park I и др. (2011) Изготовление и механические свойства композита с магниевой матрицей, армированного углеродными нанотрубками, покрытыми Si. Procedure Eng 10: 1446–1450. DOI: 10.1016 / j.proeng.2011.04.240
[58] Умма А., Малеке М.А., Искандар И.Ю. и др.(2012) Нанокомпозит с алюминиевой матрицей, армированный углеродными нанотрубками: критический обзор. AJBAS 6: 69–75.
[59] Дей А., Пандей К.М. (2015) Композиты с металлической матрицей на основе магния-Обзор. Rev Adv Mater Sci 42: 58–67.
[60] Яманака С., Гонда Р., Кавасаки А. и др.(2007) Изготовление и термические свойства композита углеродные нанотрубки / никель методом искрового плазменного спекания. Mater Trans 48: 2506–2512. DOI: 10.2320 / matertrans.MRA2007084
[61] Шталь Х., Аппенцеллер Дж., Мартель Р. и др. (2000) Межтрубное соединение в жгутах из одностенных углеродных нанотрубок. Phys Rev Lett 85: 5186–5189.DOI: 10.1103 / PhysRevLett.85.5186
[62] Hwang JY, Singh ARP, Banerjee R, et al. (2009) Обработка и теплопроводность композитов с никелевой матрицей, армированной углеродными нанотрубками. Материалы летней конференции ASME 2009 по теплопередаче, проведенной совместно с InterPACK09 и 3-ей конференцией по устойчивому развитию энергетики, Сан-Франциско, США.
[63] Pham Q, Jeong YG, Yoon SC и др. (2007) Нанокомпозиты с металлической матрицей, армированные углеродными нанотрубками, посредством равноканального углового прессования. Mater Sci Forum 534–536: 245–248.
[64] Pham Q, Jeong YG, Hong SH и др.(2006) Равноканальное угловое прессование нанокомпозитов с металлической матрицей, армированной углеродными нанотрубками. Key Eng Mater 326–328: 325–328.
[65] Yoo SJ, Han SH, Kim WJ (2012) Композиты с магниевой матрицей, изготовленные с использованием накопительного валкового скрепления листов магния, покрытых порошками алюминия, содержащими углерод и нанотрубки. Scripta Mater 67: 129–132.DOI: 10.1016 / j.scriptamat.2012.03.040
[66] Zare Y (2016) Исследование агломерации / агломерации наночастиц в нанокомпозитах из полимерных частиц по механическим свойствам. Compos Part A-Appl S 84: 158–164. DOI: 10.1016 / j.compositesa.2016.01.020
[67] Akinwekomi AD, Law WC, Choy MT, et al.(2018) Обработка и определение характеристик композитных пен из магниевого сплава, армированного углеродными нанотрубками, с помощью быстрого микроволнового спекания. Mater Sci Eng A 726: 82–92. DOI: 10.1016 / j.msea.2018.04.069
[68] Vedabouriswaran G, Aravindan S (2018) Исследования по разработке и характеристике композитов с поверхностной металлической матрицей из магниевого сплава (RZ 5) посредством обработки трением с перемешиванием. J Магний сплав 6: 145–163. DOI: 10.1016 / j.jma.2018.03.001
[69] Tu JP, Yang YZ, Wang LY и др. (2001) Трибологические свойства медных композитов, армированных углеродными нанотрубками. Tribol Lett 10: 225–228. DOI: 10.1023 / A: 1016662114589
[70] He C, Zhao N, Shi C, et al.(2007) Подход к получению однородно диспергированных углеродных нанотрубок в порошках алюминия для получения армированных композитов с алюминиевой матрицей. Adv Mater 19: 1128–1132. DOI: 10.1002 / adma.200601381
[71] Ван Х, Чжан Чж, Ху Зи и др. (2016) Синергетический эффект упрочнения нанокристаллической меди, армированной углеродными нанотрубками. Sci Rep 6: 26258. DOI: 10.1038 / srep26258
[72] Xiong Y, Chen X (2016) Композиты с медной матрицей, армированные углеродными нанотрубками, путем горячего прессования для получения композитных частиц, внедренных в УНТ. Academia J Sci Res 4: 075–080.
[73] Джавади А.Х., Мирдамади С., Фагисани М.А. и др.(2011) Исследование нового метода получения хорошо диспергированных многослойных углеродных нанотрубок, армированных композитами с алюминиевой матрицей. Int J Mate Metall Eng 5: 906–912.
[74] Дэн Ч., Чжан Х, Ван ДЗ и др. (2007) Получение и определение характеристик углеродных нанотрубок / алюминиевой матрицы. Mater Lett 61: 1725–1728. DOI: 10.1016 / j.матлет.2006.07.119
[75] Бакши С.Р., Сингх В., Сил С. и др. (2009) Алюминиевый композит, армированный многослойными углеродными нанотрубками в результате плазменного напыления порошков, высушенных распылением. Surf Coat Tech 203: 1544–1554. DOI: 10.1016 / j.surfcoat.2008.12.004
[76] Остован Ф., Матори К.А., Тузандехджани М. и др.(2016) Наномеханическое поведение многослойных углеродных нанотрубок, армированных частицами алюминиевых нанокомпозитов, полученных с помощью шаровой мельницы. Материалы 9: 140. doi: 10.3390 / ma

40
[77] Ногучи Т., Магарио А., Фукадзава С. и др. (2004) Композиты углеродные нанотрубки / алюминий с однородной дисперсией. Mater Trans 45: 602–604.DOI: 10.2320 / matertrans.45.602
[78] Кандил А., Этман М., Шарара А.М. и др. (2010) Влияние углеродных нанотрубок (УНТ) на физико-механические свойства цементных паст на основе оксихлорида магния. Труды Международной конференции по нанотехнологиям для зеленого и устойчивого строительства, Каир, Египет.
[79] Li Q, Rottmair CA, Singer RF (2010) Композиты из легких металлов, армированные УНТ, полученные путем перемешивания расплава и литья под высоким давлением. Compos Sci Technol 70: 2242–2247. DOI: 10.1016 / j.compscitech.2010.05.024
[80] Mansoor M, Shahid M (2016) Алюминиевый композит, армированный углеродными нанотрубками, полученный методом индукционной плавки. J Appl Res Technol 14: 215–224. DOI: 10.1016 / j.jart.2016.05.002
[81] Ян Дж. (2005) Углеродные нанотрубки как армирующие элементы и модификаторы границы раздела в композитах с металлической матрицей [докторская диссертация]. Федеральный технологический институт, Швейцария.
[82] Пала Х., Шарма В., Кумар Р. и др.(2012) Простой синтез и электропроводность композитного наносеребря, армированного углеродными нанотрубками. Z Naturforsch A 67a: 679–684.
[83] Hippmann S, Li Q, Addinal R, et al. (2013) Композиты с медной матрицей, армированные углеродными нанотрубками, полученные перемешиванием расплава. Proc IMechE Часть N: J Nanoeng Nanosys 227: 63–66.
[84] Штейн Дж., Ленчовски Б., Фрети Н. и др. (2001) Высокоэффективные композиты с металлической матрицей, армированные углеродными нанотрубками. Труды 18-й Международной конференции по композитным материалам, Остров Чеджу, Корея.
[85] Гупта М.Л., Сидлик С.А., Шнорр Дж. М. и др.(2013) Влияние методов смешивания на дисперсию углеродных нанотрубок во время обработки многослойных углеродных нанотрубок / эпоксидных композитов без использования растворителей. J. Polym Sci Pol Phys. 51: 410–420. DOI: 10.1002 / polb.23225
[86] Баррау С., Демонт П., Перес Э. и др. (2003) Влияние пальмитиновой кислоты на электрическую проводимость композитов углеродные нанотрубки-эпоксидная смола. Макромолекулы 36: 9678–9680.
[87] Song YS, Youn JR (2005) Влияние дисперсионных состояний углеродных нанотрубок на физические свойства эпоксидных нанокомпозитов. Углерод 43: 1378–1385. DOI: 10.1016 / j.carbon.2005.01.007
[88] Shi DL, Feng XQ, Huang YY и др.(2004) Влияние волнистости и агломерации нанотрубок на упругие свойства композитов, армированных углеродными нанотрубками. J Eng Mater Technol 126: 250–257. DOI: 10.1115 / 1.1751182
[89] Алиан А.Р., Эль-Борги С., Мегид С.А. (2016) Мультимасштабное моделирование влияния волнистости и агломерации УНТ на упругие свойства нанокомпозитов. Comput Mater Sci 117: 195–204. DOI: 10.1016 / j.commatsci.2016.01.029
[90] Рафи Р., Фирузбахт В. (2014) Предсказание модуля Юнга усиленного углеродными нанотрубками полимера. Mech Adv Compos Struct 1: 9–16.
[91] Шокрие М.М., Рафи Р. (2010) Исследование влияния длины нанотрубок на эффективность армирования в композитах на основе углеродных нанотрубок. Compos Struct 92: 2415–2420. DOI: 10.1016 / j.compstruct.2010.02.018
[92] Шокрие М.М., Рафи Р. (2012) Разработка полномасштабной многомасштабной модели для получения упругих свойств композитов УНТ / полимер. Iran Polym J 21: 397–402. DOI: 10.1007 / s13726-012-0043-0
[93] Пэн Р., Чжоу Х., Ван Х. и др.(2012) Моделирование наноармированных полимерных композитов: влияние микроструктуры на модуль Юнга. Comput Mater Sci 60: 19–31. DOI: 10.1016 / j.commatsci.2012.03.010
[94] Ma PC, Mo SY, Tang BZ и др. (2010) Дисперсия, межфазное взаимодействие и повторная агломерация функционализированных углеродных нанотрубок в эпоксидных композитах. Углерод 48: 1824–1834. DOI: 10.1016 / j.carbon.2010.01.028
[95] Джавадинеджад М., Машаехи М., Кареван М. и др. (2018) Использование подхода эквивалентного волокна в двухуровневом моделировании упругого поведения углеродной нанотрубки / эпоксидного нанокомпозита. Наноматериалы 8: 696. DOI: 10.3390 / nano80
[96] Swain SK, Jena I (2010) Нанокомпозиты полимер / углеродные нанотрубки: новый материал. Asian J Chem 22: 1–15.
[97] Nguyen-Tran HD, Hoang VT, Do VT и др. (2018) Влияние многослойных углеродных нанотрубок на механические свойства композитов полиамид-6 / полипропилен, армированных углеродным волокном, для легких автомобильных деталей. Материалы 11: 429. doi: 10.3390 / ma11030429
[98] Villoria RGD, Miravete A (2007) Механическая модель для оценки эффекта дисперсии в нанокомпозитах. Acta Mater 55: 3025–3031. DOI: 10.1016 / j.actamat.2007.01.007
[99] Ли ИЛ, Шен М.Ю., Су Х.С. и др. (2012) Исследование механических свойств углерод / углеродных композитов, армированных CNT. J Nanomater, 262694.
[100] Морси К. (2001) Обзор: обработка в реакции синтеза интерметаллических материалов Ni – Al. Mater Sci Eng 299: 1–15. DOI: 10.1016 / S0921-5093 (00) 01407-6
[101] Банди В.К. (2018) Влияние длины углеродных нанотрубок (УНТ) на микроструктуру порошков Ni – УНТ и их потенциал для реактивной обработки [диссертация доктора медицины]. Государственный университет Сан-Диего, США.
[102] German RM (2005) Порошковая металлургия и обработка твердых частиц. Принстон: Федерация порошковой металлургии.
[103] Казини Р., Папари Дж., Андреоне А. и др. (2015) Дисперсия углеродных нанотрубок в композитах на основе полипропилена, приготовленных из расплава, исследована методом ТГц спектроскопии. Opt Express 23: 18181–18192. DOI: 10.1364 / OE.23.018181
[104] Мунир К.С., Вен С. (2016) Разрушение прочной углеродной сетки sp 2 в углеродных нанотрубках в процессе механического диспергированияi – обзор. Crit Rev Solid State 41: 347–66. DOI: 10.1080 / 10408436.2015.1127205
[105] Краузе Б., Виллмоу Т., Болдт Р. и др. (2011) Влияние сухого измельчения в шаровой мельнице на длину многослойных углеродных нанотрубок, а также их дисперсионные и перколяционные свойства в смешанных в расплаве поликарбонатных композитах. Compos Sci Technol 71: 1145–1153.DOI: 10.1016 / j.compscitech.2011.04.004
[106] Ан Дж. Х., Шин Х. С., Ким Ю. Дж. И др. (2007) Структурная модификация углеродных нанотрубок с помощью различных шаровых мельниц. J Alloy Compd 434–435: 428–432.
[107] Тарлтон Т., Салливан Э., Браун Дж. И др.(2017) Роль агломерации в проводимости композитов углеродных нанотрубок вблизи перколяции. J Appl Phys 121: 085103. DOI: 10.1063 / 1.4977100
[108] Тишкова В., Райнал П.И., Пуэч П.и др. (2011) Электропроводность и рамановское изображение двойных углеродных нанотрубок в полимерной матрице. Compos Sci Technol 71: 1326–1330.DOI: 10.1016 / j.compscitech.2011.05.001
[109] Schvartzman-Cohen R, Levi-Kalisman Y, Nativ-Roth E, et al. (2004) Общий подход к диспергированию однослойных углеродных нанотрубок: сила слабого взаимодействия. Langmuir 20: 6085–6088. DOI: 10.1021 / la049344j
[110] Альварес Л., Риги А., Ролс С. и др.(1999) О спектре комбинационного рассеяния наночастиц одностенных углеродных нанотрубок. Mater Res Soc Symp Pro 593: 107–112. DOI: 10.1557 / PROC-593-107
[111] Prashantha k, Soulestin J, Lacrampe MF, et al. (2010) Электрические и диэлектрические свойства полипропиленовых нанокомпозитов с многослойными углеродными нанотрубками. Polym Polym Compos 18: 489–494.
[112] Кумар П., Сринивас Дж. (2017) Упругое поведение полимерных композитов, армированных УНТ, с неоднородностями в конфигурациях УНТ. Mater Sci Eng 178: 012016.
[113] Белло Д., Уордл Б.Л., Ямамото Н. и др.(2009) Воздействие наноразмерных частиц и волокон во время обработки, обработки и механической обработки нанокомпозитов и композитов, созданных на основе нанотехнологий, армированных ориентированными углеродными нанотрубками. Труды 17-й Международной конференции по композитным материалам, Эдинбург, Великобритания.
[114] Yip MC, Lin YC, Wu CL (2011) Влияние добавления многослойных углеродных нанотрубок на механические свойства ламината из полимерных композитов. Polym Polym Compos 19: 131–140.
[115] Хадаванд Б.С., Джавид К.М., Гарагозлоу М. (2013) Механические свойства многослойного нанокомпозита из углеродных нанотрубок / эпоксидного полисульфида. Mater Des 50: 62–67. DOI: 10.1016 / j.matdes.2013.02.039
[116] Бай Дж. Б., Аллауи А. (2003) Влияние длины и размера агрегата MWNT на эффективность улучшения механических и электрических свойств нанокомпозитов — экспериментальное исследование. Compos Part A-Appl S 34: 689–694. DOI: 10.1016 / S1359-835X (03) 00140-4
[117] Агилар Дж. О., Баутиста-Кихано Дж. Р., Авилес Ф. (2010) Влияние кластеризации углеродных нанотрубок на электропроводность полимерных композитных пленок. Express Polym Lett 4: 292–299. DOI: 10.3144 / expresspolymlett.2010.37
[118] Юрдакуль Х., Сейхан А.Т., Туран С. и др. (2010) Влияние электрического поля на суспензии УНТ / сложного винилового эфира и результирующие электрические и термические свойства композита. Compos Sci Technol 70: 2102–2110. DOI: 10.1016 / j.compscitech.2010.08.007
[119] Ли Кью, Сюэ КЗ, Гао XL и др.(2009) Температурная зависимость электрических свойств композитов углеродная нанотрубка / полимер. Express Polym Lett 3: 769–777. DOI: 10.3144 / expresspolymlett.2009.95
[120] Jang SH, Kawashima S, Yin H (2016) Влияние кластеризации углеродных нанотрубок на механические и электрические свойства цементных паст. Материалы 9: 220. doi: 10.3390 / ma

20

[121] Эндрюс Р., Вайзенбергер М.К. (2004) Полимерные композиты с углеродными нанотрубками. Curr Opin Solid Stm 8: 31–37. DOI: 10.1016 / j.cossms.2003.10.006
[122] Pötschke P, Mothes F, Krause B, et al.(2019) Смешанные в расплаве композиты PP / MWCNT: влияние стратегии включения УНТ и вязкости матрицы на дисперсию наполнителя и электрическое сопротивление. Полимеры 11: 189. doi: 10.3390 / polym11020189
[123] Jiang L (2013) Разработка усовершенствованной модели обработки на уровне микроструктуры для полимерных композитов, армированных углеродными нанотрубками, с использованием границы зоны когезии [диссертация доктора медицины].Университет Иллинойса, Шампейн.
[124] Махмуди М. (2013) Электротехнические, термические и механические свойства полученных литьем под давлением полимерных нанокомпозитов УНТ [кандидатская диссертация]. Университет Калгари, Альберта.
[125] Mahmoodi M, Paz TM, Park SS (2013) Характеристика и микроконцевое фрезерование нанокомпозитов, заполненных графеновыми нанопластинками (GNP) и углеродными нанотрубками (CNT), Труды 8-й Международной конференции по микропроизводству, Виктория, Канада.
[126] Zygoń P, Gwoździk M, Peszke J, et al. (2015) Сравнение свойств полимерных композиционных материалов, армированных углеродными нанотрубками. Arch Metall Mater 60: 193–198. DOI: 10.1515 / amm-2015-0031
[127] Ван З. (2007) Повышение эффективности углеродных нанотрубок в композитах из поливинилового спирта [кандидатская диссертация].Лондонский университет, Лондон.
[128] Ван Т., Сонг Б., Цяо К. и др. (2018) Влияние размеров и агломерации углеродных нанотрубок на синхронное улучшение механических и демпфирующих свойств эпоксидных нанокомпозитов. Наноматериалы 8: 996. doi: 10.3390 / nano8120996
[129] Ni W, Wang B, Wang H и др.(2006) Изготовление и свойства композитов углеродных нанотрубок и поливинилового спирта. J Macromol Sci B 45: 659–664. DOI: 10.1080 / 00222340600770335
[130] Кундалвал С.И. (2017) Обзор микромеханики композитов, армированных нано- и микроволокном. Polym Composite 39: 4243–4274.
[131] Кундалвал С.И., Рэй М.К. (2011) Микромеханический анализ композитов, армированных нечетким волокном. Int J Mech Mater Des 7: 149–166. DOI: 10.1007 / s10999-011-9156-4
[132] Feng XQ, Shi DL, Huang YG и др. (2007) Микромеханика и многомасштабная механика композитов, армированных углеродными нанотрубками, В: Sih GC, Мультимасштаб в молекулярной механике и механике сплошной среды: взаимодействие времени и размера от макро до нано, Нидерланды: Springer Dordrecht, 103–139.
[133] Верник Дж. М., Мегид С. А. (2014) Многомасштабное микромеханическое моделирование определяющего отклика конструкционных клеев, армированных углеродными нанотрубками. Int J Solids Struct 51: 2575–2589. DOI: 10.1016 / j.ijsolstr.2014.03.009
[134] Торнабене Ф., Баччоччи М., Фантуцци Н., Редди Дж. Н. и др.(2017) Мультимасштабный подход для трехфазных нанокомпозитных структур, ламинированных УНТ / полимером / волокном. Polym Compos 40: E102 – E126.
[135] Зайдель Г.Д., Хаммеранд Д.К., Лагудас Д.К. (2007) Аналитическая и вычислительная микромеханика кластеризации и межфазных эффектов в композитах из углеродных нанотрубок. Отчет Сандии, Национальные лаборатории Сандии, США.

Атомистический анализ настраиваемого перехода от кавитации к образованию трещин в полимерных композитах, армированных алмазными нанонитями

Кавитация и образование трещин в термореактивных полимерах могут быть тщательно спроектированы для ценных приложений в оптике, электронике и биотехнологии. Для численного исследования сложно описать образование полости и фибрилл в полимерном композите из-за сложного межфазного взаимодействия.Чтобы исследовать эту сложную задачу, мы используем двухфазную крупнозернистую структуру, которая служит эффективным атомистическим согласованным на уровне подходом для выявления и прогнозирования перехода между кавитацией и крейзингом в полимерной системе. Крупнозернистая структура используется для передачи информации между одной фазой и границей раздела в полимерном композите, а задачи изучения силового поля выполняются посредством параметризации механических характеристик и структурных характеристик.Мы подробно останавливаемся на внутренних характеристиках перехода кавитация-крейзинг в композитах из полиметилметакрилата, армированных алмазными нанонитями (DNT-), в которых DNT играет особую роль наномодулятора для настройки соотношения объемов полости. Переход от кавитации к растрескиванию может быть вызван новым диссипативным механизмом раскрытия взаимосвязанной сети, и в этом случае DNT растягивается к выровненным фибриллам и плотно растрескивает связи за счет межфазной адгезии. Разработанная вычислительная структура может расширить область теоретических инструментов для обеспечения лучшего понимания конструкции микроструктуры полимерных композитов.

1. Введение

Существование кавитации и образования трещин — это два неблагоприятных режима повреждения, которые способствуют динамическому разрушению полимерных систем во время деформации растяжения. Перед образованием трещин в системе происходит процесс кавитации, при котором пустоты преимущественно возникают на участках трансформации с низким локальным модулем [1–3], что приводит к «возникновению кавитации» [4]. Крейзинг, возникающий в результате зарождения полости, представляет собой явление формирования региональных фибрилл поперек плоскости перелома [5–7].Вытягивание фибрилл из аморфной фазы вызывает активное рассеивание энергии, высвобождаемой из вершин трещин, что важно для нагрузочных приложений [8].

Понимание механизмов, стоящих за этими явлениями, имеет большое значение в материаловедении [9–14]. Это может помочь приложениям в доставке лекарств с использованием коллапс-кавитации [9], цветной печати с использованием организованной микрофибрилляции без чернил [10], анизотропной проводимости с использованием крейсинга растворителя [11] и отключения сепаратора в литий-ионных батареях за счет термической усадки ориентированных фибрилл [12] ].Однако использование полости и образования микрофибрилл по-прежнему остается сложной задачей из-за сложного взаимодействия и конкуренции между кавитацией и крейзингом в чистых полимерных системах.

Атомные открытия и манипуляции с кавитацией и крейзингом в полимерных нанокомпозитах вызвали значительный исследовательский интерес. Аналогично механизму прочности биологических структурных материалов, таких как шелк паука и клей морского ушка, мобильные наночастицы демонстрируют новый диссипативный механизм для повышения прочности полимерных нанокомпозитов [15].Используя области высокой подвижности между наночастицами и полимерными цепями, кавитация может быть вызвана на границе раздела при растяжении, обеспечивая функциональность регулируемой жесткости [16–18]. С другой стороны, крейзинг также может быть внесен в нанокомпозит путем инкапсуляции наночастиц, которые могут создавать «слабые» точки на границе раздела для инициирования крейзов [19, 20]. Во время процесса крейзинга есть две важные стадии перестройки наночастиц: выравнивание с фибриллами и изгнание из фибрилл [21].Регулируемое преобразование между кавитацией и крейзингом может быть достигнуто, если процесс перегруппировки хорошо контролируется, что приводит к множеству применений для полимерных нанокомпозитов. Однако это остается сложной задачей из-за высокой подвижности и неопределенности движения наночастиц при деформации.

Изучение физических механизмов кавитации и образования трещин с использованием вычислительного подхода является сложной задачей. На наномасштабном уровне, хотя молекулярная динамика (МД) считается рабочим инструментом для обеспечения надежного понимания атома в композитных системах [22–24], крупномасштабное атомистическое моделирование по-прежнему важно за счет вычислительной эффективности, чтобы охватить по всей длине участков кавитации и образования трещин от нанометра до микрометра.На макроуровне, несмотря на то, что механика сплошной среды может четко отображать явление кавитации и крейзинга и характеризовать поведение роста трещин [25], распутывание полимерных цепей, которые существенно влияют на переход кавитация-крейзинг, невозможно уловить. Чтобы устранить недостатки, упомянутые выше, и преодолеть разрыв между наномасштабами и макромасштабами, крупнозернистая (CG) теория, основанная на диссипативной динамике частиц (DPD-), которая поддерживает множество атомных деталей, преодолевая ограничения в масштабе длины и времени, имеет применялись [26–28].Метод DPD больше подходит для изучения проблем сложных жидкостей, таких как разделение фаз и диспергирование материалов. Точность CG-моделей сильно зависит от параметризации межфазного взаимодействия между наноусилениями и полимерной матрицей и гибкостью цепи, включая разрыв цепи и распутывание цепей. Тем не менее, надежный метод компьютерной графики для представления реакции «напряжение-деформация», межфазного взаимодействия, кавитации и трещин в полимерных нанокомпозитах еще предстоит найти.

Эта работа исследует основанную на МД теорию CG, которая может быть многообещающим инструментом для исследования поведения кавитации и образования трещин в полимерных системах при достижении компромисса между вычислительной эффективностью и точностью. Здесь мы предлагаем CG-модель, которая может успешно обеспечить хорошую корреляцию между гибкостью цепи и межфазным взаимодействием. Кроме того, механические свойства и поведение трещин хорошо изучены результатами, рассчитанными с помощью модели MD. Выявлено, что алмазная нанонитка (ДНТ), представляющая собой одномерный ультратонкий углеродный наноматериал [29–32], играет роль наноаттрактора для полимерных цепей, который может быть использован в качестве модулятора для управления кавитационно-крейзингом. переход в полимерных нанокомпозитах.

2. Результаты и обсуждение

Мы обеспечиваем физическое понимание перехода между кавитацией и крейзингом посредством исследования нового моделирования режимов повреждения в полимерных нанокомпозитах. Схематические диаграммы атомистических и крупнозернистых вычислительных моделей гибридного материала DNT / PMMA представлены на рисунке 1. В предлагаемой модели CG атомистические характеристики хорошо представлены из модели MD, например, гибкость цепи PMMA.


2.1. Механизм моделирования

Мы начнем с исследования того, как кавитация и образование трещин внутри композита из ПММА с ДНТ-наполнением при деформации растяжения (рис. 2). Соотношения массовых долей нанонаполнителей являются важным фактором при компьютерном моделировании гибридных нанокомпозитов; здесь от 0,5 мас.% до 5 мас.% ДНТ заполняют матрицу ПММА. Кривые напряжения-деформации, связанные с различным пространственным распределением, вычисляются, как показано на рисунке 2 (а). По-видимому, улучшенные общие механические характеристики нанокомпозитов, особенно вязкость разрушения, могут быть достигнуты с введением ДНТ.В процессе растяжения внутри гибридного материала начинают возникать кавитация и растрескивание, когда соответствующее весовое соотношение составляет 0,5% и 5% соответственно на рисунке 2 (b). В этом исследовании кавитация характеризуется функцией распределения плотности, а пустоты на трехмерной карте плотности рассматриваются как полости. Растрескивание характеризуется непосредственно геометрической морфологией поверхности излома. Здесь важно то, что более высокое соотношение наполнителя вызывает переход от кавитации к образованию трещин.


Чтобы получить представление о физическом происхождении кавитации и выявить мезомасштабные эффекты наполнителя DNT, вращение полости и картины деформации представлены на Рисунке 3. Установлено, что межфазное расслоение играет критическую роль в сопротивлении кавитации полимера. композитный. Перед началом кавитации происходит нарушение сцепления на границе раздела между DNT и матрицей, как показано на рисунке 3 (а). Раннее межфазное нарушение сцепления возникает из-за относительно слабого межфазного напряжения сдвига по отношению к пределу текучести полимерных композитов (см.рис.S1). Межфазное разъединение обеспечивает диссипацию энергии за счет ван-дер-ваальсовых взаимодействий и механической блокировки [33, 34]. Это может отсрочить накопление энергии деформации в центрах трансформации с низким локальным модулем упругости, что приведет к большей деформации текучести при более высоком весовом соотношении нанонаполнителей из-за более высокого сопротивления кавитации в композитах [35, 36]. Развитие кавитации дополнительно подтверждает важную роль межфазного разрыва в сопротивлении кавитации. После процесса межфазного разъединения рост полости стабилизируется, так как места отслоения увеличиваются с увеличением весового отношения от 0.От 5% до 5%, как показано на Рисунке 3 (b). Что еще более важно, пространственно однородная кавитация обнаруживается в сценарии с 5 мас.% Наполнителей вместо быстрого зарождения полостей в аморфной фазе, что приводит к более медленной кавитации и более плавному процессу текучести.


Мы обнаружили, что локальная деформация блокирующей сети, образованной DNT, может активировать изменение в механизме микропорелей между кавитацией и разрывом сцепления в полимерных системах. Что касается полимерных композитов без блокирующей сети (0.5 мас.% DNT), кавитация является преобладающим механизмом микропустотия. Свободные объемы / пустоты быстро увеличиваются в неармированных областях с низким модулем упругости, а на поверхности пустот появляются нанотрещины из-за роста и слияния полостей. Для сравнения, в полимерных композитах, армированных блокирующей сеткой (5 мас.% DNT), преобладающим механизмом микропустотия является расслоение. Образования пустот однородно удерживаются внутри сети и предотвращаются их слияние. В этом случае предпочтительнее разрушение сцепления на границе раздела, чем внутренняя кавитация.Сеть DNT обеспечивает лучшее блокирование зарождения полостей, поскольку полости вынуждены расти с изогнутым фронтом между соседними заполнителями, что может препятствовать распространению трещин (см. Рисунок 3 (c)).

Мы также идентифицируем новый смоделированный механизм «крейзинга, вызванного нарушением сцепления», который контролирует переход от кавитации к крейзингу в полимерной системе, что приписывается наноаттракторным свойствам DNT для перепутывания полимерных цепей. Картины деформации и граница поверхности трещины представлены на рисунке 3 (г).Результаты показывают, что во время процесса деформационного смягчения блокирующая сеть DNT, которая расположена в области кавитации, будет постепенно разблокироваться и превратиться в одиночную перемычку, а затем DNT сможет прочно выровняться с направлением растяжения и абсорбировать полимер. сегменты цепи. Образование региональных крейзов объясняется особыми характеристиками одномерного DNT, например, чрезвычайно тонким диаметром (около 0,5 нм [33]) и отличным межфазным взаимодействием с полимерной матрицей (174 ккал / моль [33]).По мере того как происходит неупругая деформация, запутывание полимерных цепей на поверхности разрыва ДНТ приводит к региональным крейзам, и крейз утолщается по мере того, как материалы вытягиваются из аморфного клубка в выровненные фибриллы.

Мы обнаружили, что этот новый смоделированный механизм перехода кавитация-крейзинг в полимерных системах не зависит от длины перепутывания полимерных цепей. Обычно характеристики крейзинга сильно коррелируют с масштабом длины и жесткостью полимерных цепей [37].Если количество мономеров в полимерной цепи превышает длину перепутывания, режим разрушения может измениться с кавитации на образование трещин. В данной работе рассматриваются короткие полимерные цепи с 10 мономерами, возможность использования которых была хорошо продемонстрирована как при атомистическом моделировании, так и при крупнозернистом моделировании композитов ПММА [38–41]. Количество мономеров в цепи меньше длины перепутывания, необходимой для образования фибрилл в этом исследовании, и распространение трещины без фибрилл трещины по плоскости излома (вызванное кавитацией повреждение) можно было наблюдать в матрице из чистого ПММА (см. Рисунок 3 (d) ).Однако модулятор DNT успешно переключает режим повреждения с кавитации на образование трещин. Эти результаты означают, что смоделированный механизм должен быть применим к широкому кругу полимерных систем.

2.2. Стратегия контроля скорости деформации

Мы исследуем, как «трещинообразование, вызванное расслоением», реагировало на скорость деформации внутри ПММА, армированного DNT, составленного при деформации растяжения (рис. 4). Учет скорости деформации, применяемой к полимерной системе, является важным фактором, влияющим на механический отклик и режим разрушения нанокомпозитов; В данной работе исследуются скорости деформации от / пс до / пс.Кривые напряжения-деформации, полученные с использованием различных скоростей деформации, показаны на рисунках 4 (а) и 4 (б). Очевидно, и матрица ПММА, и композит ПММА проявляют чувствительность к скорости деформации, о чем свидетельствуют зависящие от скорости модуль Юнга, предел текучести и остаточное напряжение, что согласуется с предыдущими выводами о полимерных системах [42, 43]. Примечательно, что переход от повреждения, управляемого кавитацией, к повреждению, контролируемому растрескиванием, идентифицируется, когда скорость деформации увеличивается с 0,00005 / пс до 0.001 / ps, как показано на рисунках 4 (c) и 4 (d).


Мы обнаружили, что «образование трещин, вызванное разрывом сцепления», зависит от скорости, что объясняется изменением степени распутывания цепи при разных скоростях деформации. В общем, степень гибкости полимерной цепи сильно ограничена при более высокой скорости деформации; сопротивление соосности полимерной цепи с направлением нагружения приводит к улучшению механических свойств нанокомпозитов [44]. Сайты перепутывания цепей более низкой степени служат в качестве областей для запуска инициирования увлечения.Разрушение крейзов во многом связано с распутыванием полимерных цепей из фибрилл во время зарождения полости. Короткие цепи с более высокой гибкостью цепей в ансамблях перепутывания могут ускользать в направлении вытягивания, и такой вид расцепления региональных фибрилл является невыгодным для стабильного и продолжительного процесса образования трещин. Здесь мы обнаруживаем, что распутывание цепей менее распространено при более высоких скоростях деформации, о чем свидетельствует эволюция полости на рисунке 5 (а). Результаты показывают, что скорость роста полостей снижается на 30% по мере увеличения скорости деформации от / пс до / пс, указывая на то, что меньшая степень распутывания цепи происходит при более высокой скорости деформации, что приводит к активации «трещин, вызванных разрывом сцепления» в полимерная система.Поскольку распутывание цепей будет более распространенным при более низкой скорости деформации, уменьшение скорости деформации с / ps приведет к аналогичному кавитационному повреждению в композитах DNT / PMMA, и переход от кавитации к образованию трещин не произойдет.


Распутывание цепей при различных скоростях деформации также можно охарактеризовать вязкостью сдвига. Как правило, нанонаполнители аналогичны пластификаторам в полимерной системе и способны снижать вязкость полимера [45, 46].В этом исследовании вязкость сдвига характеризуется контурами вершин трещин, которые появились на поверхности полостей на рисунке 5 (б). Обнаружено, что пониженная вязкость при сдвиге более выражена при более высокой скорости деформации. Следовательно, трещины имеют более длинные предпочтительные места зарождения и зарождения в нескольких местах, задерживая слияние полостей и приводя к «трещинообразованию, вызванному расслоением», как показано на Рисунке 5 (c).

Более того, зависящее от скорости «образование трещин, вызванное разрывом сцепления», также может быть связано с локальной деформацией блокирующей сети во время образования трещин.Нанонаполнители используются в качестве якорей для распутывания полимерных цепей в областях кавитации. Вложенная в полимерную систему энергия деформации рассеивается как за счет распутывания цепей, так и за счет локальной деформации нанонаполнителя. Мы обнаружили, что большее локальное выравнивание нанонаполнителей по оси нагрузки происходит при более высокой скорости деформации, о чем свидетельствует двумерная проекция распределения DNT в нанокомпозите в ответ на различные скорости деформации, представленные на рисунке 5 (d). Такое локальное выравнивание может помочь переориентировать и разблокировать заблокированную сеть, вызывая единственное перекрытие через плоскость трещины.Этот новый диссипативный механизм улавливает энергию деформации, необходимую для распутывания цепи, способствуя переходу от кавитации к образованию трещин. В результате утолщенные крейзы при более высокой скорости деформации приводят к большей степени деформационного разупрочнения.

2.3. Стратегия, контролируемая пространственным распределением

Мы далее исследуем, как «образование трещин, вызванное расслоением», отреагировало на пространственное распределение DNT в композите ПММА при деформации растяжения (рис. 6). Было признано, что распределение нанонаполнителя является критическим фактором, влияющим на механические характеристики полимерных нанокомпозитов.В этом исследовании рассматриваются четыре типа распределения с 5 мас.% DNT, а размер агломерированных частиц следует порядку случайного распределения <частичное агломерированное распределение <агломерированное распределение <полностью агломерированное распределение. Представления рассмотренных распределений DNT показаны на рисунке 6 (a). Кривые напряжение-деформация для различных размеров агломерации построены на рисунке 6 (б). Очевидно, что агломерация нанонаполнителя пагубно влияет на механические свойства композита ПММА, что связано с неоднородностью, вызванной агломерацией внутри композитов и концентрацией напряжений, индуцированной вокруг агломератов [45].Важно понимать, что переход от кавитации к образованию трещин наблюдается, когда пространственное распределение переходит от полной агломерации к случайному распределению, как показано на рисунках 6 (c) и 6 (d).


Чтобы получить представление о физическом происхождении кавитации и выявить мезомасштабные эффекты наполнителей DNT, эволюция полости и явления кавитации представлены на рис. 7. Мы обнаружили, что существует также изменение механизма микропустоты за счет пространственного распределения.Как видно на Фигуре 7 (а), начало зарождения полости постепенно ускоряется, и зарождение полости становится более очевидным, когда размер агломерированных частиц увеличивается. В полимерной системе механизм микроперехода изменяется от разрыва сцепления до кавитации, что объясняется геометрическими ограничениями, накладываемыми на блокировку сети.


Мы обнаружили, что агломерация способствует распутыванию полимерных цепей во время крейзинга. Из-за неоднородной деформации в массивной матрице распутывание цепей предпочтительно происходит по краям агломератов с низким модулем упругости, вызывая раннее зарождение полостей.Более легкое распутывание цепей в основном вызвано изменением энергии активации, когда ДНТ с высоким соотношением сторон и высокой жесткостью добавляется к матрице ПММА. Энергия активации в армирующих областях значительно увеличивается при добавлении агломератов DNT. Энергия деформации первоначально накапливается на границе раздела фаз, энергия активации которой относительно ниже. Из-за неудовлетворенной способности передавать нагрузку между армированием и областями матрицы, энергия деформации предпочитает переноситься в межфазной границе, а не в армированных областях, что не может создать обратное напряжение, препятствующее слиянию полостей [35].Большая часть энергии деформации затем рассеивается в процессе распутывания, вызывая более быстрое распутывание цепей и более раннее разрушение региональных фибрилл.

Мы обнаружили, что «трещинообразование, вызванное разрывом сцепления» исчезнет в сценарии агломерации наполнителя, что приведет к переходу от трещин к кавитации в полимерной системе. Это явление можно объяснить геометрическим ограничением, накладываемым на блокирующую сеть, которое может препятствовать переходу от блокирующей сети к одиночному мосту во время процесса размыкания.Эволюция полости, показанная на рисунке 7 (а), показывает, что скорость роста полостей постепенно увеличивается с увеличением размера агломерированных частиц. Также представлены модели кавитации, соответствующие различным видам распределения. В случае более мелкой агломерации кавитация имеет тенденцию зарождаться вокруг поверхности арматуры и расширяться в направлении растяжения, во время которого в сети арматуры индуцируется большая локальная деформация, приводящая к размыканию блокировки и одиночному перекрытию для образования трещин.Напротив, в случае более крупной агломерации кавитация, вызванная неоднородной деформацией, возникает в неармированных областях, в которых ограниченная локальная деформация накладывается на арматуру сети, что быстро приводит к кавитационному разрушению. Схематическое изображение механизма микроперепускания изображено на рисунке 7 (b). С уменьшением агломерированного размера роль армирования переходит от кластера с эффектом заполнения к волокну с эффектом перемычки, и активируется переход от кавитации к образованию трещин в полимерной системе.

3. Заключение

В заключение мы предлагаем двухфазную CG-модель, которая может эффективно представить гибкость цепи и межфазное взаимодействие, чтобы выявить внутренние характеристики регулируемого перехода кавитация-крейзинг в композитах DNT / PMMA. Благодаря ультратонкому и превосходному межфазному взаимодействию с полимерными цепями, DNT играет роль наноаттрактора для образования фибрилл во время процесса отсоединения, что приводит к «растрескиванию, вызванному отсоединением». Это демонстрирует, что переходом кавитация-крейзинг можно управлять, контролируя локальную деформацию блокирующей сети, которая сильно зависит от скорости деформации и пространственного распределения.Мы обнаружили, что объемное соотношение полостей в композитах DNT / PMMA можно регулировать в пределах от 1% (повреждение трещинами) до 10% (повреждение кавитацией). Эти результаты дают важную информацию о восходящем дизайне полимерных нанокомпозитов и позволяют предположить, что DNT является многообещающим кандидатом для передовых нанокомпозитов. Предлагаемый двухфазный каркас CG может быть применим к широкому спектру полимерных композитов, и ожидается, что эти результаты могут быть использованы для достижения контролируемой индукции кавитации или образования трещин в полимерном композите для желаемых применений.

4. Методы

Компьютерная графика выполняется на основе теории МД с использованием программного пакета Materials Studio 2017. Эта часть предлагает фундаментальную информацию о вычислительных методах и валидации предложенной компьютерной модели. Более подробно мы отсылаем читателя к информации, содержащейся в дополнительных материалах.

4.1. Построение модели

Используя крупнозернистый метод, CG-модели, которые поддерживают множество атомистических деталей наноразмерных систем, полезны для решения сложных физических задач [47, 48].Вначале конструируется полимерная цепь ПММА, содержащая 10 мономеров и армирование DNT, структурная конфигурация которого представляет собой гидронизированную УНТ с хиральностью (3, 0). В модели полимера CG единичный сегмент метилметакрилата (C 5 O 2 H 8 ) отображается в одну гранулу с общей массой 100,12 а.е.м. Для модели CG DNT единичный сегмент из четырех атомных колец (C 24 H 24 ) отображается в одну бусину с общей массой 312,46 а.е.м.

Построен мезоструктурированный шаблон с различными типами прежних типов.В сценарии случайного распределения гранулы ПММА и гранулы ДНТ упаковываются в шаблон с размером () с использованием метода Монте-Карло с предопределенной плотностью 1,1 г / см 3 . В сценарии, когда наполнители агломерируются, шаблон заполняется формирователем плиты и формирователем капель. Гранулы DNT с заданным массовым соотношением упаковываются в каплеобразователь, чтобы представить условия агломерации. Оставшиеся гранулы ПММА и гранулы DNT с форматным соотношением 50 случайным образом упаковываются в формирователь плит, чтобы представить условие случайного распределения.В этом исследовании CG-модели содержат около 178300 бусинок, что соответствует полной атомистической модели с примерно 2825900 атомами. Было обнаружено, что предложенный метод компьютерной графики значительно повышает вычислительную эффективность. Например, для получения результатов МД моделирования [33] требуется около 213600 секунд, в то время как время сокращается до 160 секунд в этой работе с использованием того же вычислительного оборудования.

4.2. Параметризация силового поля

Параметры силового поля, используемые в предлагаемых CG-моделях, получены на основе сохранения энергии деформации, предсказанной с помощью МД-моделирования [49–51], и исследованы с помощью метода инверсии Больцмана и реакции растяжения на напряжение-деформацию.Силовое поле разбивается на четыре члена: потенциал взаимодействия Ван-дер-Ваальса, потенциал связи, угловой потенциал и потенциал кручения.

Ван-дер-Ваальсово взаимодействие изолированных крупнозернистых шариков выражается потенциалом Леннарда-Джонса (LJ) 6–12, который представляет несвязывающее взаимодействие между шариками ПММА и межфазное взаимодействие между шариками ПММА и шариками ДНТ: где обозначает глубину равновесной скважины и обозначает равновесное расстояние.

Эластичное соединение двух соединенных бусинок выражается потенциалом гармонической связи, чтобы дать меру механической жесткости бусин из ПММА и бусинок DNT:

где — постоянная упругости связи, а — равновесная длина связи.

Угол связи между тремя соединенными связями выражается потенциалом гармонического угла связи, который представляет гибкость цепи гранул ПММА и гранул ДНТ: где — жесткость на изгиб, — равновесный валентный угол.

Двугранный угол между четырьмя связанными связями выражается косинусоидальным потенциалом и представляет собой гибкость цепи гранул ПММА и гранул ДНТ: где — упругая постоянная двугранного угла, — равновесный двугранный угол.

Значения параметра CG, используемые в настоящих моделях, представлены в дополнительной таблице материалов S2.Мы также изучаем осуществимость предложенной модели CG, сравнивая ее результаты по эволюции плотности, межфазному напряжению сдвига между DNT и матрицей PMMA, соотношению напряжение-деформация и явления разрушения с результатами, рассчитанными на основе МД-моделирования. Результаты в дополнительном материале показывают, что предложенная модель CG может хорошо предсказывать гибкость цепи и механическое поведение композитов из ПММА, наполненных DNT.

4.3. MD Simulation

В данной работе используется конденсированный-фазово-оптимизированный молекулярный потенциал для исследований с использованием атомного моделирования (КОМПАС).ДНТ помещен в элементарную ячейку размером (). К элементарной ячейке применяется периодическое условие. Полимерные цепи ПММА случайным образом помещают в периодический ящик с использованием метода Монте-Карло. Оптимизация геометрии с использованием алгоритма Smart проводится для ослабления позиций атомов в полимерных композитах. После процесса минимизации выполняется процесс отжига с постоянным объемом и постоянной температурой (NVT) от 300 K до 800 K для дальнейшей релаксации структуры.Затем система уравновешивается при постоянном давлении и постоянной температуре (NPT) ансамбля при температуре 298 K и давлении 101 кПа с шагом по времени 1 фс. Наконец, метод постоянной деформации применяется для изучения зависимости напряжения от деформации полимерных композитов при растягивающей нагрузке. К элементарной ячейке применяется серия расширений со скоростью деформации 0,0001 / пс. Более подробную информацию о моделировании МД можно найти в предыдущем исследовании [33].

4.4. CG Simulation

Мезомасштабные молекулы, включая гранулы ПММА и гранулы ДНТ с соотношением сторон 50, случайным образом помещаются в периодическую элементарную ячейку.Оптимизация геометрии с использованием алгоритма Smart проводится для ослабления позиций атомов в полимерных композитах. После процесса минимизации выполняется процесс отжига в ансамбле NVT от 300 K до 800 K для дальнейшего ослабления структуры. Затем система уравновешивается ансамблем NPT при температуре 298 К и давлении 101 кПа в течение 3 нс. Шаг по времени установлен на 10 фс для моделирования компьютерной графики. Наконец, метод постоянной деформации применяется для изучения зависимости напряжения от деформации полимерных композитов при растягивающей нагрузке.Серия расширений со скоростью деформации 0,0001 / пс применяется к ячейке периодичности в направлении растяжения. Предварительные результаты показывают, что модуль Юнга и предельное напряжение матрицы ПММА в компьютерном моделировании рассчитаны как 2,97 ГПа и 170 МПа, что находится в хорошем согласии с опубликованными экспериментальными результатами (2,86 ГПа [38] и 167 МПа [52]).

Доступность данных

Данные, подтверждающие выводы этого исследования, доступны у соответствующих авторов.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Вклад авторов

L. W. Zhang и W. M. Ji внесли равный вклад в эту работу, построив крупнозернистую модель DNT / PMMA, выполнив моделирование с участием Y. Hu. И Л. В. Чжан, и К. М. Лью придумали идею и разработали моделирование. Все авторы проанализировали результаты и написали статью.

Благодарности

Авторы выражают признательность за поддержку, оказанную Национальным фондом естественных наук Китая (грант №11872245) и Шанхайского фонда естественных наук (грант № 19ZR1474400).