Исследование влияния гибридного наполнителя на тензочувствительность нанокомпозиционного материала

Полный текст

Введение

Современные тенденции развития космических систем связи, навигации, радиолокации, астрономии привели к необходимости создания развертываемых в космосе крупногабаритных космических антенн. По мере развития таких конструкций увеличивается интерес в усовершенствовании изготовления и укладки радиоотражающей поверхности в транспортировочном положении трансформируемого рефлектора с разной апертурой. При выборе материала для изготовления сегментов рефлектора, обладающего гибкой поверхностью, обращает на себя внимание композиционный материал на основе эластичного связующего полиметилдисилоксана (ПДМС). Наиболее важными требованиями являются стабильность физико-механических свойств материала при большом перепаде температур от –150 до +150 °С, оптическая прозрачность в любой полосе частот, возможность упругого деформирования материала без разрушения для обеспечения раскрытия космических антенн.

Данные о состоянии и положении рефлектора собираются с помощью сенсорных систем, смонтированных на элементах конструкции. Контроль механических нагрузок на элементы конструкции может осуществляться датчиками деформации. Для того чтобы измерить с помощью тензометрического датчика деформацию, напряжение или усилие, используют явление влияния упругой деформации проволоки или полупроводникового стержня на сопротивление материала датчика [1]. Как правило, обычные датчики деформации, изготовленные из металлической фольги и полупроводников, могут обнаруживать только низкие деформации из-за их ограниченной способности к растяжению (примерно ~ 0,07 %) [2]. Для увеличения чувствительности датчики деформации производят из композиционных материалов, где полимерная матрица заполнена частицами углеродных нанотрубок (УНТ), графеном или структурными композитами из керамики и металлов. Это позволяет существенно увеличить коэффициент упругости и увеличить диапазон деформаций, которые может измерить датчик [3].

Введение наполнителя в полимерную матрицу изменяет структуру и свойства материала. Освоение эффективных методов введения УНТ в полимерный материал и определение уровня их влияния на количественные результаты конечного продукта, а также технических карт на текущий момент является релевантной и основной задачей в области разработки современных продуктов. Очевидно, что данная технология найдёт широкое применение в производстве конструкций из функциональных материалов из ПДМС [4; 5].

Известно, что углеродные наночастицы и нановолокна обладают комплексом уникальных физико-химических свойств и считаются идеальным армирующим материалом для полимеров.

Многофункциональный наполнитель УНТ улучшает механические свойства материала (жёсткость, граница прочности при сжатии), улучшает электропроводность, увеличивает теплопроводность, теплостойкость и придает нанокомпозиционному материалу новую функциональную способность. Однако серьезной проблемой получения нанокомпозиционного материала является сложность гомогенного распределения УНТ в объеме полимерной матрицы и обеспечение стабильной адгезионной связи с ней. Эта проблема обусловлена сильным ван-дер-ваальсовым взаимодействием УНТ между собой и их склонностью к агрегированию [6].

В настоящее время для получения стабильного нанокомпозиционного материала с диспергированными УНТ в основном применяют метод ультразвукового воздействия [7–9]. Для эффективного распределения частиц в объеме полимерной матрицы, его часто комбинируют с другими методами диспергирования:

• методом, состоящим из механического и ультразвукового диспергирования;
• механического и ультразвукового диспергирования с добавлением твердого наполнителя в качестве мелющего агента внутри объема полимерной матрицы;
• ультразвукового диспергирования с использованием магнитной мешалки.

На чувствительность нанокомпозиционного материала оказывает влияние метод диспергирования наполнителя в полимерной матрице. Это свидетельствует о том, что при помощи данного фактора можно изменять физико-механические, теплофизические, оптические, электро- магнитные и другие эксплуатационные характеристики нанокомпозиционного материала. Ранее нами SiC был обработан по технологии, описанной в публикации [10]. Обработка SiC привела к увеличению функциональных групп на поверхности частиц, что способствовало усилению межфазного взаимодействия между частицами наполнителя и полимером. Правильно подобранный способ введения способствует равномерному распределению нанотрубок по объему полимерной матрицы, улучшению их смачивания и адгезии и, соответственно, улучшению характеристик нанокомпозиционного материала [11].

Целью данной работы является разработка технологии изготовления гибкого тензорезистивного элемента из гибридного композиционного материала для мониторинга состояния трансформируемых конструкций с уровнем коэффициента тензорезистивности не менее 10.

В процессе разработки технологии изготовления гибкого тензорезистивного элемента необходимо решить следующие задачи:

• разработка методики введения наполнителя для его равномерного распределения в ПДМС;
• разработка технологии изготовления нанокомпозиционного материала;
• исследование влияние наполнителей на величину коэффициента тензорезистивности нанокомпозиционного материала при растяжении;
• изготовление гибкого тензорезистивного элемента на основе нанокомпозиционного материала.

Предметом работы является технология изготовления гибкого тензорезистивного элемента из нанокомпозиционного материала.

Эксперимент

В данном исследовании использовались образцы нанокомпозиционного материала, состоящие из ПДМС, стеклоткани Т-53, карбида кремния (SiC) фракция F1200 (размер зерна: 2,5–3,5 мкм) и Matrix 603 – концентрат УНТ с содержанием 10 % УНТ от общего состава концентрата. Стеклоткань предварительно была обработана раствором АПТЭС в хлороформе для обеспечения повышенной адгезии ПДМС к волокнистому наполнителю. Для придания материалу электропроводящих свойств в матрицу вводился наполнитель Matrix. В качестве перемешивающего агента (для дополнительного размалывания УНТ по всему объёму связующего и предотвращения их агломерации) вводился SiC. Таким образом гибридный наполнитель представляет собой смесь электропроводящего (УНТ) и мелющего агента (SiС). Кроме того, добавление микронаполнителя (SiC) уменьшает свободное пространство связующего, доступное нанонаполнителю (в нашем случае УНТ) для формирования проводящих сетей. В ряде исследования применение гибридного наполнителя увеличивает электропроводность, поскольку УНТ не могут диффундировать в микронаполнитель, представляющий собой твердую частицу [12; 13].

В данной работе за основу бралась технология введения наполнителей в матрицу, описанная нами ранее [14].

Образцы нанокомпозита изготавливались методом вакуумной инфузии: стеклоткань пропитывали смесью, состоящей из ПДМС и гибридного наполнителя, в форме с последующим отверждением в сушильном шкафу при температуре 120 ˚С в течение 30 мин. На рис. 1 представлена технологическая схема изготовления гибкого тензорезистивного элемента из нанокомпо- зиционного материала.

 

Рис. 1. Технологическая схема изготовления гибкого тензорезистивного элемента из нанокомпозиционного материала

Fig. 1. Technological scheme for manufacturing a flexible strain-resistive element made of nanocomposite material

 

Визуализация морфологических особенностей нанокомпозиционного материала осуществлялась в Красноярском региональном центре коллективного пользования ФИЦ КНЦ СО РАН с использованием сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) высокого разрешения.

На рис. 2 представлена микрофотография наполнителя SiC, на рис. 3 – образца нанокомпозиционного материала с гибридным наполнителем.

 

Рис. 2. СЭМ микрофотография наполнителя SiC

Fig. 2. SEM micrograph of SiC filler

 

Рис. 3. СЭМ микрофотография образца нанокомпозиционного материала с гибридным наполнителем

Fig. 3. SEM micrograph of sample of nanocomposite material with hybrid filler

 

Технология и качество пропитки армирующего наполнителя существенно зависит от вязкости полимерного связующего, поэтому в данной работе проведено исследование влияния содержания гибридного наполнителя на вязкость неотвержденной матрицы для технологии изготовления нанокомпозиционного материала. Известно, что максимальная вязкость связующего, позволяющая проводить вакуумную инфузию, составляет 300 мПа×с [15–17]. Получены результаты определения вязкости модифицированной полимерной матрицы и исходного ПДМС. Определение зависимости вязкости от скорости сдвига проводилось в диапазоне изменения частоты ротора от 0,01 до 100 Гц. Испытания образцов проведены при температуре 25 °C с помощью ротационного реометра. Выявлено, что при содержании 0,15 % УНТ достигается предельный уровень вязкости (250 мПа×с), возможный для пропитки связующим стекловолокна методом вакуумной инфузии. Исходя из этого, для дальнейшей работы было использовано содержание 0,15 % УНТ в гибридном наполнителе, так как при содержании 0,2 % УНТ вязкость наполненной полимерной системы составила 350 мПа×с. В работах И. А. Тимошкина приведена максимальная вязкость связующего, позволяющая проводить вакуумную инфузию, которая составляет 300 мПа×с. Последнее значение существенно превышает максимальную вязкость связующего и не позволяет получить образец композита с качественной пропиткой [15–17].

Были получены образцы нанокомпозиционного материала со следующим содержанием гиб- ридного наполнителя:

• УНТ 0,15 %, SiC 1 %;
• УНТ 0,15 %, SiC 5 %;
• УНТ 0,15 %, SiC 10 %.

Работа тензорезистивного элемента характеризуется коэффициентом тензорезистивности (К):

$K=\frac{\frac{\Delta R}{R}}{\frac{\Delta L}{L}},$ (1)

где R и L – соответственно сопротивление и длина тензорезистивного элемента при отсутствии растяжения; ΔR и ΔL – изменение сопротивление и длины тензорезистивного элемента при растяжении.

На рис. 4 представлена зависимость коэффициента тензорезистивности образцов нанокомпозиционного материала от растяжения (до 2 мм). Образцы представляли собой пластины композита размером 200×20 мм, толщиной 0,3 мм.

 

Рис. 4. Зависимость коэффициента тензорезистивности (К) образцов нанокомпозиционного материала с гибридным наполнителем SiC 1, 5 и 10 % от растяжения

Fig. 4. Dependence of the gage factor (С) of samples of nanocomposite material with a SiC hybrid filler of 1, 5 and 10 % on tension

 

Максимальное значение коэффициента тензорезистивности наблюдалось на начальном этапе исследования (растяжение 0,05 %): при растяжении на 0,1 мм при общей длине 200 мм у образцов нанокомпозиционного материала с гибридным наполнителем SiC 1, 5 и 10 % и составило 38, 40 и 40 соответственно. Коэффициент тензорезистивности образцов нанокомпозиционного материала с содержанием гибридного наполнителя SiC 1, 5 и 10 % при максимальном растяжении (1 %) составляет около 19, 21 и 22 соответственно.

На рис. 5 представлен полученный гибкий тензорезистивный элемент на основе нанокомпозиционного материала с гибридным наполнителем.

 

Рис. 5. Гибкий тензорезистивный элемент из нанокомпозиционного материала

Fig. 5. Flexible strain-resistive element made of nanocomposite material

 

Заключение

Разработана технологии изготовления гибкого тензорезистивного элемента. Для разработки технологии изготовления были решены следующие задачи:

• разработана методика введения наполнителя для его равномерного распределения в ПДМС;
• исследовано влияние гибридного наполнителя на коэффициент тензорезистивности нано- композиционного материала. Наибольший коэффициент тензорезистивности зафиксирован у образцов, содержащих УНТ 0,15 %, SiC 5 % и УНТ 0,15 %, SiC 10 %, и составил 40 и 40 соответственно при растяжении 0,1 мм (0,05 % от общей длины образца 200 мм).

Благодарности

Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России на выполнение коллективом научной лаборатории «Интеллектуальные материалы и структуры» проекта «Раз- работка многофункциональных интеллектуальных материалов и структур на основе модифи- цированных полимерных композиционных материалов, способных функционировать в экстремальных условиях» (Номер темы FEFE-2020-0015).

Acknowledgment

The work was carried out within the framework of the state assignment of the Ministry of Education and Science of Russia for the implementation by the team of the scientific laboratory “Intelligent Materials and Structures” of the project “Development of multifunctional intelligent materials and structures based on modified polymer composite materials capable of functioning in extreme conditions” (Topic number FEFE-2020-0015).

Об авторах

Оксана Викторовна Семенуха

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва»; Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Автор, ответственный за переписку.
Email: semenukha.cool@mail.ru

инженер-технолог, АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»; аспирант, Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Россия, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52; 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Светлана Юрьевна Воронина

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Email: simkina_svetlana@mail.ru

кандидат химических наук, доцент кафедры ресурсного центра коллективного пользования «Космические аппараты и системы»

Россия, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Семён Александрович Фесик

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Email: semafesik@mail.ru

студент

Россия, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Список литературы

Дополнительные файлы