plasticnewsПластические массыPlasticheskie massy0554-2901PLASTMASSY Publishing House (Moscow)10.35164/0554-2901-2024-02-12-16plasticnews-971Research ArticleСТРУКТУРА И СВОЙСТВАSTRUCTURE AND PROPERTIESАнализ особенностей микроструктуры полимерной матрицы в составе ПКМ, сформированных под влиянием электрофизических воздействийAnalysis of peculiarities of polymer matrix microstructure in PCMs formed under the influence of electrophysical effectsЗлобинаИ. В.ZlobinaI. V.

Саратов;

Москва

Saratov;

Moscow

irinka_7_@mail.ruБекреневН. В.BekrenevN. V.

Саратов

Saratov

ИгнатьевМ. А.IgnatievM. A.

Саратов

Saratov

СГТУ имени Гагарина Ю.А.; НИЦ «Курчатовский институт»РоссияYuri Gagarin State Technical University of Saratov; National Research Centre “Kurchatov Institute”Russian FederationСГТУ имени Гагарина Ю.А.РоссияYuri Gagarin State Technical University of SaratovRussian Federation202424052024021216Copyright © Злобина И.В., Бекренев Н.В., Игнатьев М.А., 20242024Злобина И.В., Бекренев Н.В., Игнатьев М.А.Zlobina I.V., Bekrenev N.V., Ignatiev M.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.plastics-news.ru/jour/article/view/971

Выполнены исследования микроструктуры образцов монослоя, сформированного методом трехмерной печати из композиционных препрегов, армированных непрерывным углеродным волокном, с последующей обработкой в отвержденном состоянии путем воздействия ультразвуковых колебаний и СВЧ электромагнитного поля. Показано, что силовое ультразвуковое воздействие вызывает макроизменения, которые характеризуются уменьшением количества и поперечных размеров расслоений (трещин) с 0,05–0,1 мм до 0,01–0,02 мм и снижением высоты элементов микрорельефа практически на порядок. Изменения, вызванные воздействием СВЧ электромагнитного поля, в большей степени проявляются при рассмотрении торцевой поверхности при увеличении от ×1000 до ×10000. В контрольных образцах выявлены консолидированные связующим волокна в сочетании с незаполненными промежутками в соотношении примерно 50:50, на их поверхности – отдельные глобулярные фрагменты застывшего связующего. В образцах после СВЧ-воздействия выявлено наличие участков большой площади без дефектов, полностью равномерно заполненных связующим, волокна со всех сторон контактируют со связующим, в котором имеются пустоты размерами не более 5×1,5 мкм. Большая упорядоченность структуры монослоев наиболее характерна для образцов с двухстадийной обработкой, включающей предварительное ультразвуковое и последующее СВЧ-воздействие.

The microstructure of monolayer samples formed by 3D printing from composite prepregs reinforced with continuous carbon fiber, followed by treatment in a cured state by exposure to ultrasonic vibrations and a microwave electromagnetic field, has been studied. It has been shown that high-power ultrasonic exposure causes macro-changes, which are characterized by a decrease in the number and transverse dimensions of delaminations (cracks) from 0.05–0.1 mm to 0.01–0.02 mm and a decrease in the height of microrelief elements by almost an order of magnitude. Changes caused by exposure to a microwave electromagnetic field are more apparent when examining the end surface with an increase from ×1000 to ×10000. The control samples revealed fibers consolidated by binder in combination with unfilled gaps in a ratio of about 50:50, with individual globular fragments of frozen binder on their surface. The samples after microwave exposure revealed the presence of large areas without defects, completely uniformly filled with binder, fibers from all sides are in contact with the binder, in which there are voids no larger than 5 × 1.5μm in size. Greater orderliness of the structure of monolayers is most typical for samples with two-stage processing, including preliminary ultrasonic and subsequent.

аддитивные технологиикомпозиционные материалыпрепрегармированный непрерывным углеродным волокномтермореактивное и термопластичное связующеемикроструктураультразвукСВЧ электромагнитное полеadditive technologiescomposite materialsprepreg reinforced with continuous carbon fiberthermosetting and thermoplastic bindermicrostructureultrasoundmicrowave electromagnetic fieldАналитические исследования выполнены с использованием научного оборудования ЦКП «Исследовательский химико-аналитический центр НИЦ «Курчатовский институт». Работа выполнена при поддержке гранта РНФ 23-79-00039 «Обоснование методологии комплексного модифицирования композиционных материалов для экстремальных условий эксплуатации на основе изучения фазово-структурных превращений под влиянием электрофизических воздействий различного частотного диапазона».ReferencesМихайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. 2-е изд. СПб. : Научные основы и технологии, 2010. 822 с.Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. 2-е изд. СПб. : Научные основы и технологии, 2010. 822 с.Composites Global Market Report 2023 // The Business Research Company. 2023. 200 p.Composites Global Market Report 2023 // The Business Research Company. 2023. 200 p.Дориомедов М.С. Российский и мировой рынок полимерных композитов (обзор) // Труды ВИАМ. 2020. №6/7. С. 29–37.Дориомедов М.С. Российский и мировой рынок полимерных композитов (обзор) // Труды ВИАМ. 2020. №6/7. С. 29–37.Балашов А.В., Маркова М.И. Исследование структуры и свойств изделий, полученных 3D-печатью // Инженерный вестник Дона. №1. 2019. 66 с.Балашов А.В., Маркова М.И. Исследование структуры и свойств изделий, полученных 3D-печатью // Инженерный вестник Дона. №1. 2019. 66 с.Кузнецов С.И., Петров А.Л., Паршиков А.Ю. Отражательная способность углеграфитовых композиционных материалов и углеродных тканей // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2002. Т. 4. №1. С. 31–37.Кузнецов С.И., Петров А.Л., Паршиков А.Ю. Отражательная способность углеграфитовых композиционных материалов и углеродных тканей // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2002. Т. 4. №1. С. 31–37.Губанов А.А. Разработка процесса электрохимической модификации поверхности углеродного волокна с целью увеличения прочности углепластиков: дис. ... канд. тех. н.: 05.17.03, 05.17.06. Москва, 2015. 149 с.Губанов А.А. Разработка процесса электрохимической модификации поверхности углеродного волокна с целью увеличения прочности углепластиков: дис. ... канд. тех. н.: 05.17.03, 05.17.06. Москва, 2015. 149 с.Гарифуллин А.Р., Абдуллин И.Ш. Современное состояние проблемы поверхностной обработки углеродных волокон для последующего их применения в полимерных композитах в качестве армирующего элемента // Вестник Казанского технологического университета. 2014. №7. С. 80–85.Гарифуллин А.Р., Абдуллин И.Ш. Современное состояние проблемы поверхностной обработки углеродных волокон для последующего их применения в полимерных композитах в качестве армирующего элемента // Вестник Казанского технологического университета. 2014. №7. С. 80–85.Александрова Д.С., Богдановская М.В., Егоров А.С., Выгодский Я.С. Создание новых композиционных материалов для 3D-печати на основе полиимидных связующих и непрерывного углеродного волокна // Труды Крыловского государственного научного центра. 2021. №S2. С. 97–107. DOI 10.24937/2542-2324-2021-2-S-I-97-107.Александрова Д.С., Богдановская М.В., Егоров А.С., Выгодский Я.С. Создание новых композиционных материалов для 3D-печати на основе полиимидных связующих и непрерывного углеродного волокна // Труды Крыловского государственного научного центра. 2021. №S2. С. 97–107. DOI 10.24937/2542-2324-2021-2-S-I-97-107.Matsuzaki R., Ueda M., Namiki M., et. al. Three-dimensional printing of continuous-fiber composites by in-nozzle impregnation // Scientific reports. 2016. P. 23058. DOI: 10.1038/srep23058.Matsuzaki R., Ueda M., Namiki M., et. al. Three-dimensional printing of continuous-fiber composites by in-nozzle impregnation // Scientific reports. 2016. P. 23058. DOI: 10.1038/srep23058.Ning F., Cong W., Qiu J., Wei J., Wang S. Additive manufacturing of carbon fiber reinforced thermoplastic composites using fused deposition modeling // Composites Part B-engineering. 2015. 80. P. 369–378.Ning F., Cong W., Qiu J., Wei J., Wang S. Additive manufacturing of carbon fiber reinforced thermoplastic composites using fused deposition modeling // Composites Part B-engineering. 2015. 80. P. 369–378.Алматаев Т.А., Халимжанов Т.С. Исследование прочностных свойств полимерных композитов, обработанных ультразвуком // Механика. Научные исследования и учебно-методические разработки. 2014. №8. С. 34–40.Алматаев Т.А., Халимжанов Т.С. Исследование прочностных свойств полимерных композитов, обработанных ультразвуком // Механика. Научные исследования и учебно-методические разработки. 2014. №8. С. 34–40.Негров Д.А., Плохотнюк П.В., Вебер Д.А. и др. Влияние ультразвуковых колебаний на структуру полимерного композиционного материала // Техника и технологии машиностроения: Материалы X Международной научно-технической конференции, Омск, 26–28 апреля 2021 г. Омск: Омский государственный технический университет. 2021. С. 80–83.Негров Д.А., Плохотнюк П.В., Вебер Д.А. и др. Влияние ультразвуковых колебаний на структуру полимерного композиционного материала // Техника и технологии машиностроения: Материалы X Международной научно-технической конференции, Омск, 26–28 апреля 2021 г. Омск: Омский государственный технический университет. 2021. С. 80–83.Пятаев И.В., Студенцов В.Н. Изучение влияния обработки СВЧ излучением исходных препрегов на прочностные характеристики материалов на основе эпоксидной смолы, армированной различными нитями // Современные проблемы науки и образования. 2015. №1/1. С. 1979.Пятаев И.В., Студенцов В.Н. Изучение влияния обработки СВЧ излучением исходных препрегов на прочностные характеристики материалов на основе эпоксидной смолы, армированной различными нитями // Современные проблемы науки и образования. 2015. №1/1. С. 1979.Wang B., Duan Y., Zhang J., Zhao X. Microwave radiation effects on carbon fibres interfacial performance // Composites Part B: Engineering. 2016. Vol. 99. P. 398–406.Wang B., Duan Y., Zhang J., Zhao X. Microwave radiation effects on carbon fibres interfacial performance // Composites Part B: Engineering. 2016. Vol. 99. P. 398–406.Shokrieh M.M., Bayat A.E. Effects of Ultraviolet Radiation on Mechanical Properties of Glass // Polyester Composites. Journal of Composite Materials. 2007. №41. P. 2443–2455.Shokrieh M.M., Bayat A.E. Effects of Ultraviolet Radiation on Mechanical Properties of Glass // Polyester Composites. Journal of Composite Materials. 2007. №41. P. 2443–2455.Ибаев М.О., Студенцов В.Н., Черемухина И.В. Совершенствование технологии полимерной арматуры из реактопластов с применением постоянного электрического поля // Дизайн. Материал. Технология. 2012. №5(25). С. 133–135.Ибаев М.О., Студенцов В.Н., Черемухина И.В. Совершенствование технологии полимерной арматуры из реактопластов с применением постоянного электрического поля // Дизайн. Материал. Технология. 2012. №5(25). С. 133–135.Негров Д.А. Влияние энергии ультразвуковых колебаний на структуру и свойства полимерного композиционного материала на основе политетрафторэтилена: дис... канд. тех. н., Омск, 2009. 123 с.Негров Д.А. Влияние энергии ультразвуковых колебаний на структуру и свойства полимерного композиционного материала на основе политетрафторэтилена: дис... канд. тех. н., Омск, 2009. 123 с.Злобина И.В., Бекренев Н.В. О механизме повышения механических характеристик отвержденных полимерных композиционных материалов под действием СВЧ электромагнитного поля // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2022. Т. 22. № 2. С. 158–169.Злобина И.В., Бекренев Н.В. О механизме повышения механических характеристик отвержденных полимерных композиционных материалов под действием СВЧ электромагнитного поля // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2022. Т. 22. № 2. С. 158–169.Злобина И.В., Бекренев Н.В., Чуриков Д.О. Анализ влияния обработки в сверхвысокочастотном электромагнитном поле на межслоевое взаимодействие отвержденных полимерных композиционных материалов с различными наполнителями // Письма в Журнал технической физики. 2022. Т. 48. №22. С. 36–38.Злобина И.В., Бекренев Н.В., Чуриков Д.О. Анализ влияния обработки в сверхвысокочастотном электромагнитном поле на межслоевое взаимодействие отвержденных полимерных композиционных материалов с различными наполнителями // Письма в Журнал технической физики. 2022. Т. 48. №22. С. 36–38.Злобина И.В., Бекренев Н.В., Егоров А.С., Кузнецов Д.И. Влияние сверхвысокочастотного электромагнитного поля на межслоевую прочность в отвержденных полимерных композиционных материалах // Журнал технической физики, 2023. Т. 93. Вып. 2. С. 237–340.Злобина И.В., Бекренев Н.В., Егоров А.С., Кузнецов Д.И. Влияние сверхвысокочастотного электромагнитного поля на межслоевую прочность в отвержденных полимерных композиционных материалах // Журнал технической физики, 2023. Т. 93. Вып. 2. С. 237–340.Kim T., Lee J., Lee K.-H. Microwave heating of carbon-based solid materials // Carbon Letters. Vol. 15. № 1. 2014. P. 15–24. DOI: 10.5714/CL.2014.15.1.015.Kim T., Lee J., Lee K.-H. Microwave heating of carbon-based solid materials // Carbon Letters. Vol. 15. № 1. 2014. P. 15–24. DOI: 10.5714/CL.2014.15.1.015.Kwak M. Microwave Curing of Carbon-Epoxy Composites: Process Development and Material Evaluation: Imperial College London. 2016. 150 p. DOI 10.1016/j.compositesa.2015.04.007.Kwak M. Microwave Curing of Carbon-Epoxy Composites: Process Development and Material Evaluation: Imperial College London. 2016. 150 p. DOI 10.1016/j.compositesa.2015.04.007.Menéndez J.A., Arenillas A., Fidalgo B. et al. Microwave heating processes involving carbon materials // Fuel Processing Technology. 2010. № 91. P. 1–34.Menéndez J.A., Arenillas A., Fidalgo B. et al. Microwave heating processes involving carbon materials // Fuel Processing Technology. 2010. № 91. P. 1–34.Волков С.С., Неровный В.М., Бигус Г.А. Ультразвуковая сварка полимерных пленок // Пластические массы. №11/12. 2019. С. 59-62.Волков С.С., Неровный В.М., Бигус Г.А. Ультразвуковая сварка полимерных пленок // Пластические массы. №11/12. 2019. С. 59-62.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.