DisCollection.ru

Авторефераты и темы диссертаций

Поступления 12.10.2009

Материалы

загрузка...

Структура и свойства нанокомпозитов на основе фенилона, содержащих дисперсный нанонаполнитель

Афашагова Зарема Хусеновна, 12.10.2009

 

В четвертой главе исследованы основные механические свойства рассматриемых нанокомпозитов. Основным отличием полимерных нанокомпозитов от микрокомпозитов является различие механизмов формирования структуры полимерной матрицы. Для первых формирование указанной структуры реализуется в евклидовом пространстве с размерностью d=3. Это приводит к неизменности структуры полимерной матрицы, характеризуемой ее фрактальной размерностью df, при вариации содержания нанонаполнителя и ее идентичности структуре матричного полимера (рис. 3). Поэтому усиление нанокомпозитов реализуется за счет собственно нанонаполнителя и межфазных областей (жестких компонент структуры) и может быть описано перколяционным соотношением:

где Ек и Ем – модули упругости нанокомпозита и матричного полимера, соответственно, (мф – относительная доля межфазных областей.

Такой механизм формирования структуры полимерной матрицы, характеризуемый условием df=const (рис. 3), приводит к тому, что предел текучести исследуемых нанокомпозитов увеличивается пропорционально Ек по мере повышения содержания нанонаполнителя.

Рис. 3. Зависимость фрактальной

размерности структуры df от объемного содержания нанонаполнителя (н для

нанокомпозитов фенилон/(-сиалон (1)

и фенилон/ОКИ (2)

одноосного сжатия. Это явление не согласуется с теоретическими представлениями классической механики разрушения, поскольку с точки зрения традиционной теории коэффициент интенсивности напряжений у вершины трещины, ориентированной вдоль направления сжатия, равен нулю. Поэтому для анализа процесса разрушения дисперсно-наполненных нанокомпозитов при сжатии использована фрактальная модель.

дается так:

где S – площадь поперечного сечения макромолекулы, С( – характеристическое отношение.

) имеет вид:

, МПа. (6)

Уравнение (6) предполагает, что трещина в процессе разрушения фенилона и нанокомпозитов на его основе может быть представлена только изотропным фракталом.

Показано, что имеющиеся в настоящее время теоретические концепции не в состоянии адекватно описать зависимость микротвердости НВ от (н для исследуемых нанокомпозитов. Поэтому было предложено следующее уравнение:

где НВм – микротвердость матричного полимера, bм – параметр, определяющий линейный масштаб длины для нанокомпозита, ( – расстояние между частицами нанонаполнителя.

Из данных рис. 4 следует, что уравнение (7) достаточно корректно описывает экспериментальные данные.

Рис. 4. Экспериментальные (1, 2)

и рассчитанные согласно уравнению (7)

зависимости микротвердости НВ

от объемного содержания нанонаполнителя (н для нанокомпозитов фенилон/(-сиалон

(1, 3) и фенилон/ОКИ (2, 4)

Ранее было получено следующее уравнение для прогнозирования степени усиления Ек/Ем нанокомпозитов, наполненных органоглиной:

где Wн – массовое содержание нанонаполнителя, масс. %, lст – длина статистического сегмента полимерной цепи, нм.

Для дисперсно-наполненных нанокомпозитов аналогичное уравнение имеет

где Dч – диаметр частиц нанонаполнителя, нм.

На рис. 5 показаны зависимости (Ек/Ем)Т(Wн), построенные согласно уравнениям (8) и (9) (lст=1 нм, Dч=7 нм) для полимерных нанокомпозитов, наполненных слоевым и дисперсным наполнителями, соответственно. Как можно видеть, при относительно небольших Wн (<20 масс. %) степень усиления при одинаковых Wн выше для нанокомпозитов, наполненных органоглиной, но при Wн>20 масс. % дисперсный нанонаполнитель дает более высокую степень усиления.

Рис. 5. Зависимости степени усиления

(Ек/Ем)Т от массового содержания

нанонаполнителя Wн для нанокомпозитов

со слоевым (1) и дисперсным (2)

нанонаполнителем, рассчитанные согласно уравнениям (8) и (9), соответственно

можно привлечением понятия межфазного взаимодействия полимерная матрица-наполнитель, уровень которого описывается параметром bн, определяемым согласно уравнению:

– величины (к, определяемые согласно правилу смесей и уравнению Тернера, соответственно.

Рис. 6. Зависимости линейного

коэффициента теплового расширения (к

от объемного содержания нанонаполнителя

(н для нанокомпозитов фенилон/ОКИ.

1 – отсутствие адгезии на межфазной

границе; 2 – правило смесей; 3 – уравнение Тернера; 4 – экспериментальные данные

Для достаточно большого числа полимерных композитов с разными матрицами и наполнителями величина bн изменяется в пределах -0,19 – 1,39. Для нанокомпозитов фенилон/ОКИ при двух наименьших значениях (н получены величины bн=5,39 и 2,84. Поскольку увеличение bн означает повышение уровня межфазной адгезии, то полученные величины bн предполагают ее гораздо более высокий уровень в полимерных нанокомпозитах по сравнению с микрокомпозитами. Этот эффект (bн(1) назван эффектом наноадгезии. Для ОКИ было получено следующее соотношение параметров (мф и (н: