Analysis of peculiarities of polymer matrix microstructure in PCMs formed under the influence of electrophysical effects

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.

1. Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. 2-е изд. СПб. : Научные основы и технологии, 2010. 822 с.

2. Composites Global Market Report 2023 // The Business Research Company. 2023. 200 p.

3. Дориомедов М.С. Российский и мировой рынок полимерных композитов (обзор) // Труды ВИАМ. 2020. №6/7. С. 29–37.

4. Балашов А.В., Маркова М.И. Исследование структуры и свойств изделий, полученных 3D-печатью // Инженерный вестник Дона. №1. 2019. 66 с.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. Menéndez J.A., Arenillas A., Fidalgo B. et al. Microwave heating processes involving carbon materials // Fuel Processing Technology. 2010. № 91. P. 1–34.

24. Волков С.С., Неровный В.М., Бигус Г.А. Ультразвуковая сварка полимерных пленок // Пластические массы. №11/12. 2019. С. 59-62.