Многослойные композиционные материалы с плазмообработанными корундовой керамикой и высокомодульными полиэтиленовыми волокнами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Некрасов Игорь Константинович

• Некрасов Игорь Константинович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Некрасов Игорь Константинович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ВИДЫ И СВОЙСТВА ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ, МЕТОДЫ МОДИФИКАЦИИ ВОЛОКОН, РАЗНОВИДНОСТИ МАТРИЦ ДЛЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ СВМПЭ-ВОЛОКОН, МЕТОДЫ МОДИФИКАЦИИ КОРУНДОВОЙ КЕРАМИКИ

1.1. Виды синтетических волокнистых материалов

1.2. Методы модификации СВМПЭ-волокнистых материалов

1.3. Керамические материалы на основе корунда и методы их модификации

1.4. Особенности высокочастотных разрядов пониженного давления

1.5. Виды и свойства матриц композиционных материалов

1.6. Композиционные материалы с применением СВМПЭ-волокнистых материалов

Цель и задачи диссертации

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ ПЛАЗМОЙ ВЧ РАЗРЯДОВ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ

2.1.Выбор объектов исследования

2.2.Описание экспериментальных высокочастотных плазменных установок пониженного давления

2.3.Методики изготовления композиционных материалов на основе СВМПЭ волокнистых материалов, полиуретановой матрицы и корундовой керамики

2.4.Методики исследования физических и механических характеристик композиционных материалов и нитей на основе СВМПЭ-волокон и полиуретановой матрицы и керамических материалов

2.5.Статистические методы обработки экспериментальных исследований

2.6.Выводы по главе

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА АСВМПЭ-ВОЛОКОН, КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ИХ ОСНОВЕ, КОРУНДОВОЙ КЕРАМИКИ

3.1.Исследование АСВМПЭ- и ПО АСВМПЭ-волокон

3.2.Исследование композиционных материалов с наполнителем из плазмообработанных АСВМПЭ-тканей с полиуретановой матрицей

3.3.Температурные зависимости ВЧИ разряда пониженного давления

3.4.Исследование состава, структуры, физических и механических характеристик керамических материалов

3.5.Выводы по главе

ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПЛАЗМЫ ВЧЕ РАЗРЯДА ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ С АППРЕТИРОВАННЫМ СВМПЭ. ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЧЕ РАЗРЯДА

ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ

4.1.Теоретическая оценка условий ВЧЕ-плазменной модификации АСВМПЭ-волокон

4.2.Математическая модель взаимодействия ВЧЕ плазмы с аппретом

4.3.Основы прогнозирования свойств АСВМПЭ, модифицированных потоком низкоэнергетических ионов

4.4.Общая характеристика производства многослойного композиционного материала

4.5.Плазменная обработка аппретированной СВМПЭ-ткани

4.6.Плазменная обработка корундовой керамики

4.7.Технология создания композиционного материала из плазмообработанного аппретированного СВМПЭ и полиуретановой матрицы

4.8.Технология создания многослойного композиционного материала с

керамическим облицовочным слоем

4.9. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

ПРИЛОЖЕНИЕ Е

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Многослойные композиционные материалы с плазмообработанными корундовой керамикой и высокомодульными полиэтиленовыми волокнами»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В условиях современного горнопромышленного комплекса наблюдается острая необходимость в оптимизации процессов обогащения и транспортировки рудных материалов. Существующие металлические конструкции, включая каркасные и облицовочные элементы, характеризуются ограниченным сроком службы и избыточной массой, что негативно сказывается на логистической эффективности производственных процессов. Дополнительным фактором, снижающим производительность оборудования, является высокая адгезия транспортируемых материалов к конструкционным элементам (налипание), что приводит к снижению пропускной способности трубопроводов и ухудшению работы грунтовых насосных систем.

Для преодоления указанных ограничений требуется разработка новых конструкционных материалов с улучшенными функциональными характеристиками. Перспективным направлением является создание полимерных композиционных материалов (КМ) с керамическим облицовочным слоем, сочетающих повышенную твердость покрытия с уменьшенной массой конструкции.

Особое внимание в рамках данных исследований уделяется сверхвысокомолекулярному полиэтилену (СВМПЭ), обладающему уникальными прочностными характеристиками. По сравнению с традиционными армирующими материалами, СВМПЭ демонстрирует превосходство по удельной прочности: в 1,52 раза выше углеродных волокон, в 2 раза выше арамидных и в 2-3 раза выше стеклянных волокон. Данный материал находит широкое применение в аэрокосмической отрасли, включая элементы внешней конструкции, силовые установки, компоненты крыла и системы посадки, а также в качестве защиты от космического излучения.

В контексте импортозамещения следует отметить, что на российском рынке представлен преимущественно китайский продукт, характеризующийся наличием лиофильности, что указывает на присутствие аппретирующего слоя на

поверхности СВМПЭ-волокон. Данное обстоятельство требует дополнительного исследования влияния аппрета на механические характеристики композиционных структур.

В качестве перспективного облицовочного материала рассматривается корундовая керамика, обладающая высокими механическими характеристиками, включая модуль Юнга, предел прочности при изгибе и твердость. Однако практическое применение данного материала ограничивается низкой адгезионной прочностью к различным подложкам.

Настоящее исследование направлено на решение актуальной проблемы по разработке комплексной технологии модификации аппретированных СВМПЭ-волокон (АСВМПЭ) и корундовой керамики посредством высокочастотного индукционного (ВЧИ) и высокочастотного емкостного (ВЧЕ) разрядов пониженного давления и создания многослойного композиционного материала (МКМ) с керамическим облицовочным слоем, обеспечивающего получение изделий с улучшенными физическими, механическими и функциональными характеристиками.

Степень разработанности темы исследования

Анализ современного состояния исследований в области модификации материалов плазменными методами показывает значительные достижения российских ученых. Высокочастотная плазма пониженного давления активно применяется для обработки волокнистых материалов. Существенный вклад в развитие этой области внесли такие исследователи как Абдуллин И.Ш., Кашапов Н.Ф., Желтухина В.С., Абуталипова Л.Н., Зенитова Л.А., Кудинов В.В., Корнеева Н.В., Сергеева Е.А.

Исследования воздействия высокочастотной плазмы на СВМПЭ-волокнистые материалы продемонстрировали перспективность метода для создания композиционных материалов. Однако существующие работы имеют определенные ограничения. В них не исследовалось влияние аппретирования на свойства получаемых композитов и отсутствовали данные по модификации аппретированных СВМПЭ-материалов.

Модификация корундовой керамики также активно изучалась различными учеными, включая Смирнова В.В., Иванова Н.В., Непочатова Ю.К., Григорьева М.В., Макарова Н.А., Маркова М.А., Першикова С.А. Основной целью модификации корундовой керамики в работах упомянутых авторов являлись повышение механических характеристик и упрощение технологического процесса спекания. Основные направления модификации включали добавление различных порошков при спекании и поверхностную модификацию обжигом.

При этом плазменные методы модификации корундовой керамики, особенно с использованием высокочастотных разрядов пониженного давления, практически не исследовались. Это создает значительный потенциал для проведения новых исследований в данном направлении.

Перспективными направлениями исследований являются изучение воздействия плазмы высокочастотных разрядов на аппретированные СВМПЭ-волокна для повышения адгезионной прочности к матрице, модификация корундовой керамики для увеличения адгезионной прочности к подложке и механических характеристик, а также создание единого многослойного композиционного материала с улучшенными функциональными характеристиками.

Таким образом, несмотря на наличие существенного научного задела в области модификации материалов плазменными методами, ряд важных аспектов требует дополнительного изучения, особенно в части применения плазменных технологий для модификации аппретированных СВМПЭ-материалов и корундовой керамики.

Диссертационное исследование проведено в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Казанский (Приволжский) Федеральный университет» (ФГБОУ ВО «КФУ»), а также на производственных мощностях ООО «Плазма-ВСТ».

Результаты, представленные в диссертационном исследовании, по созданию многослойного композиционного материала получены в течение периода с 2022 по 2025 гг.

Цель и задачи диссертационного исследования

Целью работы является разработка многослойных композиционных материалов на основе аппретированных сверхвысокомолекулярных полиэтиленовых тканей и корундовой керамики, модифицированных плазмой ВЧ разрядов пониженного давления, обеспечивающих регулирование физических и механических свойств.

Для достижения цели решались следующие задачи:

1. анализ современных методов обработки СВМПЭ-волокон, корундовой керамики и методов создания композиционных материалов на их основе;

2. выбор объектов и методик исследования, разработка физической и математической моделей взаимодействия плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления с аппретированными СВМПЭ-волокнами;

3. повышение физических и механических характеристик аппретированных СВМПЭ-волокон и корундовой керамики; создание лиофобного эффекта на лицевой стороне керамических изделий;

4. повышение прочностных характеристик композиционного материала на основе плазмообработанной аппретированной СВМПЭ-ткани и полиуретановой матрицы в качестве подложки многослойного композиционного материала;

5. разработка технологии получения многослойного композиционного материала на основе композиционной подложки из СВМПЭ-ткани и полиуретановой матрицы с облицовочным слоем из плазмообработанной корундовой керамики.

Объект диссертационного исследования. Аппретированный сверхвысокомолекулярный полиэтилен, корундовая керамика (а-модификация А1203), матрица из полиуретановой смолы.

Предмет диссертационного исследования. Теория и практика модификации аппретированных сверхвысокомолекулярных волокнистых материалов и корундовой керамики.

Соответствие исследования паспорту научной специальности. Диссертация выполнена в соответствии с паспортом научной специальности 2.6.17

«Материаловедение» ВАК Минобрнауки РФ (технические науки) и подпунктами 1,4.

Научная новизна диссертационного исследования

1. Установлено, что применение модифицированной ВЧЕ плазмой аппретированной СВМПЭ-ткани в качестве наполнителя приводит к повышению механических характеристик композиционного материала с полиуретановой матрицей, а именно прочности при изгибе и растяжении на 345% и 43% соответственно, благодаря удалению аппрета, увеличению межволоконного пространства, а также пришиванию новых кислородосодержащих функциональных групп; определено оптимальное соотношение между наполнителем (плазмообработанной СВМПЭ-ткани) и полиуретановой матрицей (п.1 паспорта специальности 2.6.17);

2. Доказано, что модификация корундовой керамики в плазме ВЧИ и ВЧЕ разрядов пониженного давления приводит к увеличению адгезионной способности поверхности керамики с одновременным повышением прочности при изгибе на 27% и микротвердости на 30%, при этом модификация керамики в плазме бензола ВЧЕ разряда пониженного давления позволяет создать гидрофобный эффект на лицевой стороне керамического изделия (п.4,11 паспорта специальности 2.6.17);

3. Доказано, что при плазменной обработке в ВЧЕ и ВЧИ разрядах пониженного давления происходит увеличение на 95% адгезионной прочности корундовой керамики к полимерной композиционной подложке, полученной из СВМПЭ-ткани и полиуретановой матрицы, благодаря удалению смазочного состава с поверхности керамики и пришиванию новых кислородосодержащих функциональных групп (п.4 паспорта специальности 2.6.17);

4. Разработаны физическая и математическая модели плазменной модификации аппретированных СВМПЭ-волокон высокочастотными разрядами пониженного давления (п.4 паспорта специальности 2.6.17).

Теоретическая и практическая значимость диссертационного исследования:

1. Получены оптимальные параметры ^=400 Вт, Рк=36,6 Па, т=3 мин. G=0,04 г/с, плазмообразующий газ -пропан бутан) плазменной модификации аппретированных СВМПЭ-волокон, позволяющие повысить показатели механических характеристик, что приводит к увеличению предела прочности при растяжении на 18,9 %;

2. Установлены параметры ВЧЕ плазменный обработки аппретированной СВМПЭ-ткани ^=400 Вт, Рк=26,6 Па, т=3мин. G=0,04г/с, плазмообразующий газ - аргон), позволяющие уменьшить краевой угол смачивания на 35%. При этом выявлено, что повышение смачиваемости происходит одновременно с повышением механических характеристиках композиционного материала, а именно на повышении предела прочности при изгибе и растяжении на 345% и 43% соответственно. Определено оптимальное соотношение между СВМПЭ-тканью и полиуретановым связующим в массовом соотношении 40 на 60;

3. Установлены параметры плазменной обработки в ВЧЕ разряде пониженного давления ^=2000 Вт, Рк=60 Па, т=60 мин. G=0,12 г/с, плазмообразующий газ - аргон) корундовой керамики, которые позволяют одновременно уменьшить краевой угол смачивания на 63%, а также повысить адгезионную прочность к полимерной подложке на 95%, микротвердость на 30% и предел прочности при изгибе на 27%;

4. Получены оптимальные параметры ^=600 Вт, Рк=15 Па, т=10 мин. G=0,01 г/с, плазмообразующий газ - бензол) плазменной обработки в ВЧЕ разряде пониженного давления корундовой керамики, позволяющие придать лиофобный эффект лицевой стороне керамических изделий на 16% по сравнению с исходной керамикой;

5. Разработана технологическая схема получения композиционного материала на основе плазмообработанного аппретированного СВМПЭ с полиуретановым связующим, а также многослойного композиционного материала на основе полимерной подложки и корундовой керамики;

6. Результаты диссертационной работы апробированы на предприятиях ООО «ИРИС-НН», г. Нижний Новгород, ООО «Плазма-ВСТ», г. Казань.

Экономический эффект от внедрения предложенных технологий за счет снижения себестоимости продукции составит 2,5 млн. руб. в год.

Методология и методы исследования

В рамках диссертационного исследования реализован комплексный методологический подход, включающий как стандартизированные методики (ГОСТ 56805-2015; ГОСТ 32656-2017; ГОСТ 9450-76), так и высокотехнологичные инструментальные методы анализа: инфракрасная спектроскопия высокого разрешения; атомно-силовая микроскопия; сканирующая электронная микроскопия; рентгеновская компьютерная томография; дифференциально-сканирующая калориметрия и термогравиметрический анализ; термомеханический анализ.

Математическое моделирование осуществлялось с применением специализированного программного обеспечения «Scilab» для численного анализа и обработки экспериментальных данных. Статистическая обработка результатов проводилась с использованием методов сравнительного анализа, включающего сопоставление полученных данных с результатами исследований других авторов как экспериментального, так и теоретического характера.

Информационная база диссертационного исследования

Информационно-аналитическую основу исследования составили: фундаментальные научные труды и монографии, публикации в рецензируемых научных изданиях, диссертационные исследования отечественных и зарубежных авторов, нормативно-техническая документация, базы данных профильных научных организаций, экспертные аналитические отчеты, результаты научно-исследовательских работ специализированных предприятий.

Все источники были подвергнуты критическому анализу и систематизации с целью обеспечения достоверности и репрезентативности полученных результатов исследования.

Положения, выносимые на защиту

1. Результаты экспериментальных исследований влияния обработки в плазме ВЧЕ разряда пониженного давления на показатели физических и

механических характеристик свойств аппретированных СВМПЭ-материалов, позволяющих увеличить адгезионную способность на 35%, прочность при растяжении на 18,9%, при этом не понизив термомеханические характеристики.

2. Результаты экспериментальных исследований, показывающих повышение прочностных характеристик свойств композиционного материала на основе плазмообработанной аппретированной СВМПЭ-ткани и полиуретановой матрицей, а именно предела прочности при изгибе и растяжении на 345% и 43% соответственно по сравнению с контрольным образцом;

3. Результаты экспериментальных исследований по увеличению адгезионной прочности корундовой керамики к полимерной подложке на 95%, повышению предела прочности при изгибе керамических изделий на 27% и микротвердости на 30%.

4. Результаты экспериментальных исследований по созданию лиофобного эффекта на лицевой стороне корундовой керамики;

5. Физическая и математическая модели процесса модификации плазмой ВЧЕ разряда пониженного давления аппретированных СВМПЭ-волокон.

6. Технологические схемы изготовления многослойных композиционных материалов на основе обработанных в плазме ВЧЕ разряда пониженного давления аппретированных СВМПЭ-тканей и корундовой керамики с полиуретановым связующим.

Достоверность полученных результатов и выводов достигается использованием аналитических специализированных и стандартизированных методов исследования свойств АСВМПЭ, корундовой керамики и СВМПЭ наполненных КМ, согласованием полученных данных между собой и с опубликованными результатами теоретических и экспериментальных исследований. Достоверность полученных в диссертационной работе результатов обеспечивается их воспроизводимостью, использованием контролируемых и апробированных методов и методик. Достоверность научных положений и выводов, сделанных в работе обеспечивается использованием комплекса экспериментальных методов, дающих непротиворечивые экспериментальные

результаты, и подкреплена согласованностью с приведенными в научной литературе данными. Основные результаты и выводы диссертационной работы опубликованы и докладывались на научных семинарах и конференциях.

Апробация результатов исследования. Основные результаты диссертационного исследования доложены и обсуждены на: Международной научно-практической конференции «Новые технологии и материалы легкой промышленности» (Казань, 2022); Всероссийской (с международным участием) конференции «Физика низкотемпературной плазмы - ФНТП - 2023» (Казань, 2023); Международной научно-практической конференции «Новые технологии и материалы легкой промышленности» (Казань, 2023); Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Екатеринбург, 2023); Международной научной конференции «Наноструктурные, волокнистые и композиционные материалы» (Санкт-Петербург, 2024); Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Санкт-Петербург, 2024); Международной конференции «Газоразрядная плазма и синтез наноструктур» (Казань, 2024); Международной Звенигородской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород, 2024); Всероссийской (с международным участием) конференции «Физика низкотемпературной плазмы - ФНТП - 2024» (Казань, 2024).

Личный вклад автора характеризуется комплексным подходом к проведению диссертационного исследования и включает: формулировку научной проблематики и определение концептуальных основ исследования; разработку методологии и выбор инструментальных методов исследования, проведение экспериментальных исследований и получение первичных данных, систематизацию, статистическую обработку и интерпретацию результатов, формулировку научных положений и выводов.

В соавторстве с научным руководителем, доктором физико-математических наук, профессором Желтухиным В.С., определены направления исследования, сформулированы цель и задачи, а также проведено комплексное обсуждение полученных экспериментальных данных.

Представленные в диссертации результаты являются интеграцией самостоятельных научных изысканий автора и совместных исследований, направленных на решение актуальных прикладных задач промышленного сектора. Значимость работы определяется разработкой и внедрением инновационных технологических процессов, включающих: модификацию аппретированных сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) волокнистых материалов, совершенствование технологий обработки корундовой керамики, повышение адгезионных характеристик композитных материалов, улучшение механических и функциональных свойств конечных композитных изделий.

Представленные разработки имеют существенное практическое значение для промышленного сектора и способствуют расширению технологических возможностей в области создания современных композиционных материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Публикации по теме диссертационного исследования. По теме диссертационного исследования опубликовано 28 научных работ, общим объемом 10,20 / 3,67 печ. л., в том числе 3 из них в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получен 1 патент.

Структура и объем диссертации. Диссертационное исследование содержит введение, четыре главы, заключение, список литературы из 242 наименований, и приложения. Работа изложена на 222 страницах машинописного текста, включая 28 таблиц и 64 рисунка, 7 приложений.

ГЛАВА 1. ВИДЫ И СВОЙСТВА ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ, МЕТОДЫ МОДИФИКАЦИИ ВОЛОКОН, РАЗНОВИДНОСТИ МАТРИЦ ДЛЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ СВМПЭ-ВОЛОКОН, МЕТОДЫ МОДИФИКАЦИИ КОРУНДОВОЙ КЕРАМИКИ

1.1. Виды синтетических волокнистых материалов

В настоящее время наблюдается глобальный рост спроса на синтетические волокна (СВ) и искусственные волокна (ИВ), выступающие в качестве критически важного сырья для производства конструкционных материалов. Особенно актуальным становится применение легких и высокопрочных композиционных материалов (КМ), обладающих уникальными эксплуатационными характеристиками [1-3]. На рынке текстильных материалов формируется конкурентная среда между синтетическими, искусственными и натуральными волокнами (НВ) [4]. В последние десятилетия отмечается устойчивая тенденция к увеличению использования СВ [5,6], обусловленная их высокой прочностью и потенциалом для технологической модификации производственных процессов. В результате композитные материалы с армирующими элементами на основе СВ активно вытесняют традиционные решения в авиакосмической промышленности, автомобилестроении и смежных отраслях [7].

Сравнительный анализ показывает, что СВ и ИВ демонстрируют превосходство над НВ по показателям гибкости и эластичности. Существенным преимуществом синтетических материалов является их повышенная устойчивость к механическим деформациям, химическим воздействиям и термическим нагрузкам [8-11]. В условиях ограниченного предложения натуральных волокон мировой рынок компенсирует дефицит за счет расширения производства СВ и ИВ [12]. Динамичное развитие индустрии синтетических волокон обусловлено растущими требованиями к

функциональным характеристикам конечного продукта [13-15]. При сопоставлении с металлическими конструкциями применение СВ и ИВ в составе КМ обеспечивает достижение принципиально новых эксплуатационных показателей [16,17].

В промышленном масштабе наибольшее распространение получили следующие типы СВ: стеклянные, углеродные и арамидные волокна, которые находят применение в автомобилестроении, аэрокосмической отрасли и производстве трубопроводных систем [18-20].

Технологический процесс производства СВ включает три ключевых этапа: полимеризацию, прядение и намотку. Сущность полимеризации заключается в формировании макромолекулярной структуры путем последовательного соединения элементарных звеньев. На начальной стадии исходные компоненты находятся в твердом состоянии и подвергаются трансформации в жидкую фазу для последующей волокнизации. В ходе синтеза происходит модификация исходного материала с образованием высоковязкой жидкости. На этапе прядения формирование волокон осуществляется путем экструзии полимерного расплава через фильерную пластину. Прядильное оборудование представляет собой многоканальную систему с калиброванными отверстиями, определяющими геометрические параметры конечного продукта [21,22].

Многообразие характеристик композитных материалов на основе синтетических волокон достигается за счет целенаправленного варьирования следующих технологических параметров: тип армирующего волокна, метод его обработки, матричный материал и способ изготовления композитной структуры [2325].

Арамидные волокна. Арамидные волокна (АВ) представляют собой особый тип высокопрочных синтетических материалов, характеризующихся исключительной термостойкостью и способностью аккумулировать тепловую энергию [26-31]. Их молекулярная структура формируется благодаря сложной системе водородных связей

между полимерными цепями, что обеспечивает беспрецедентную механическую прочность. Показатель сопротивления разрыву у арамидных волокон превышает аналогичный параметр стали в десять раз при сопоставимой массе материала [32].

По сравнению с традиционными стеклянными волокнами, арамидные материалы демонстрируют массу на 45% меньше, вдвое превосходят по прочностным характеристикам Е-стекло и в десять раз эффективнее алюминиевых сплавов [34]. Наиболее значимое применение арамидных волокон наблюдается в авиационной и оборонной промышленности, где они используются для создания баллистических композитных материалов и производства защитных тканей для бронежилетов [35]. Также материал активно применяется в судостроении, автоспорте, производстве защитной экипировки и элементов гоночных автомобилей [36-38].

К основным недостаткам арамидных волокон относится их повышенная склонность к поглощению влаги, что негативно влияет на прочностные характеристики материала. Кроме того, они уступают сверхвысокомолекулярному полиэтилену (СВМПЭ) по показателю удельной прочности.

Углеродные волокна. Углеродные волокна (УВ) базируются на структуре кристаллических углеродных нитей с максимальным диаметром до 5 микрометров [39-41]. Технология производства позволяет достигать высоких показателей прочности при процессе скручивания материала. Ключевыми достоинствами углеродных волокон являются: повышенная жёсткость конструкции, выдающиеся показатели сопротивления разрыву, низкая объёмная масса, превосходная химическая и термическая устойчивость, а также минимальный коэффициент теплового расширения [42-44].

Благодаря своим уникальным характеристикам, углеродные волокна находят широкое применение в различных отраслях промышленности. По показателям жёсткости они превосходят сталь в два раза, а по прочности на разрыв - в пять раз [45,46].

Основными ограничениями использования углеродных волокон являются их высокая стоимость производства [47], наличие электропроводящих свойств (что может быть критичным для определённых областей применения), а также более низкие показатели удельной прочности в сравнении со сверхвысокомолекулярным полиэтиленом.

Оба типа волокон занимают ведущие позиции в производстве высокотехнологичных материалов, где предъявляются повышенные требования к механическим и физическим характеристикам конечного продукта. Выбор конкретного типа волокна определяется спецификой применения и соотношением цена-качество.

Строение и свойства СВМПЭ-волокон. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) получается при процессе полимеризации этилена [44,45]. Структура СВМПЭ представлена на рис. 1.1. СВМПЭ обладает термопластичностью, высокой удельной прочностью. Фазовый состав состоит как из кристаллических областей, так и из аморфных. Впервые нити из СВМПЭ синтезированы в 1968 году Альбертом Пеннингсом, но коммерчески жизнеспособные продукты созданы компанией DSM в 1990 году.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Некрасов Игорь Константинович, 2025 год

/ / /

< / /

; 'Л f

È> у L Ч

а /

il

//

h / / /

/J /

0,6 2345 6703 10 11 Деформация(%}

Рисунок 3.5 - Исследование предела прочности при растяжении волокон СВМПЭ от режима модификации плазмой ВЧЕ разряда пониженного давления

в 2,144 ГПа при использовании режима №СВ4 (согласно данным таблицы 3.1), что на 19% превышает показатель контрольного образца (1,804 ГПа).

Механизм плазменного воздействия включает следующие физико-химические процессы. Ионно-радикальная обработка осуществляется посредством комбинированного воздействия: химического травления и физического распыления аппретной пленки с поверхности волокон СВМПЭ. После удаления защитного слоя ионы и радикалы вступают во взаимодействие непосредственно с материалом волокна, модифицируя его структурные характеристики.

Исходная структура волокон характеризуется наличием структурных несовершенств, включающих изломы, аморфные области, раздвоения и впадины (как видно из рис.3.1). Энерго-перенос, осуществляемый посредством ионно-радикального воздействия, способствует устранению данных дефектов, что приводит к снижению вероятности преждевременного разрушения материала при нагружении.

При сравнительном анализе режимов №СВ1 и №СВ5 (согласно данным табл.3.1), характеризующихся различной продолжительностью плазменной обработки (3 и 6 минут соответственно), было установлено снижение показателя предела прочности при растяжении при увеличении длительности обработки. Данный эффект обусловлен проникновением ионно-радикальных частиц в кристаллические области структуры СВМПЭ-волокон, что инициирует процессы деструкции в указанных зонах. Наблюдаемая динамика представляет собой результат конкуренции между процессами модификации и деструктивного воздействия, детальное описание которых будет представлено в соответствующем разделе, посвященном композитным материалам.

Исследование ТГ-ДТГ. В ходе комплексного исследования термических характеристик исходных и плазмомодифицированных (режим СВ1 табл.3.1) АСВМПЭ-волокон методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и термогравиметрического анализа (ТГА) установлено следующее. Позиции пиков плавления и перекристаллизации на термограммах совпадают для обоих типов образцов, что свидетельствует о сохранении исходной морфологии волокон на макромолекулярном уровне. Однако отмечается смещение пиков термодеструкции в область более высоких температур (визуализация представлена на рисунке 3.6).

Результаты дифференциального термического анализа демонстрируют идентичность эндотермических пиков плавления с температурным минимумом при 154,73°С, что подтверждает сохранение внутренней структурной организации волокон

после плазменной модификации. Температура начала термической деградации по данным ТГА также остается неизменной (~254,19°С).

Примечательным является факт смещения пика интенсивной потери массы на термогравиметрической кривой с 397,47°С для исходных волокон до 412,92°С для плазмомодифицированных образцов, что указывает на формирование на поверхности активированных волокон термостабильных структур, включающих сшивные мостики, двойные связи и термостойкие функциональные группы.

Таким образом, полученные термоаналитические данные свидетельствуют об отсутствии ухудшения термостойкости СВМПЭ-волокон в результате плазменной модификации в ВЧЕ разряде пониженного давления в режиме №СВ1 табл.3.1.

Температура, С

Рисунок 3.6 - Термоаналитические кривые ТГ-ДТГ, ДТА. ДТА-кривая: красная - контрольный образец, синяя - плазмообработанный образец, ТГ-кривая: красная-контрольный образец, зеленая- плазмообработанный образец в режиме №СВ1

табл.3.1

Измерение адгезионной способности. АСВМПЭ-волокна демонстрируют способность к капиллярной конденсации влаги и эффективной пропитке различными

полимерными матрицами, включая эпоксидные и полиуретановые связующие, что обусловлено наличием поверхностной аппретной пленки.

При этом применение плазменной модификации существенно улучшает параметры смачиваемости поверхности СВМПЭ-волокон (визуализация представлена на рисунке 3.7). Данный эффект обусловлен совокупностью следующих физико-химических процессов: десорбция аппретного покрытия с поверхности АСВМПЭ-волокон посредством ионно-радикального воздействия; ковалентное присоединение новых функциональных полярных групп из плазмы к поверхностным молекулярным структурам СВМПЭ.

а) б)

Рисунок 3.7 - Смачиваемость АСВМПЭ ткани (угол смачивания 47,10) (а) и плазмообработанной СВМПЭ ткани (угол смачивания 30,70) (б) (режим №СВ1

табл.3.1). Увеличение - 2,5х

Таким образом, реализация технологии плазменной модификации АСВМПЭ-волокон в условиях высокочастотного емкостного разряда пониженного давления обеспечивает восстановление и улучшение исходных прочностных характеристик

СВМПЭ-волокон и значительное повышение их адгезионной способности, что дает предпосылку для создания прочного композиционного материала-подложки для МКМ.

3.2.Исследование композиционных материалов с наполнителем из плазмообработанных АСВМПЭ-тканей с полиуретановой матрицей

Для создания композиционного материала в качестве полимерной подложки МКМ на основе режимов плазменной обработки с шифром СВ подобраны новые режимы шифра СТ (табл.3.4). Плазменная обработка АСВМПЭ-тканей производилась на ВЧЕ установке (рис.2.10-12) согласно режимам табл.3.4.

Таблица 3.4 - Режимы модификации СВМПЭ-ткани

№ Мощность, Вт Плазмообразующий газ Время, мин

СТ1 400 Аргон 1

СТ2 400 Аргон 2

СТ3 400 Аргон 3

СТ4 400 Пропан-бутан 4

СТ5 400 Аргон 10

СТ6 400 Аргон 12

СТ7 Исходный - -

Согласно ранее полученным результатам плазменной обработки АСВМПЭ -волокон в ВЧЕ разряде пониженного давления, использование пропан-бутана позволило увеличить прочность на растяжение АСВМПЭ-волокон, поэтому данные режимы модификации применены при обработке АСВМПЭ-тканей. Однако из литературных источников известно [27]: при обработке в углерод-содержащих газах возможно падение адгезионной способности СВМПЭ-ткани. Режимы с

плазмообразующим газом аргоном также позволили улучшить предел прочности при растяжении, однако при малых временах обработки (менее 15 минут).

В результате плазменной обработки АСВМПЭ-тканей стоило ожидать различия в результатах испытаний композиционных материалов на основе плазмообработанного СВМПЭ и АСВМПЭ.

На рис.3.8-3.9 представлены результаты испытаний композиционных материалов на изгиб и растяжение. В обоих исследованиях контрольные образцы из АСВМПЭ представлены под шифром СТ7 согласно табл.3.4. Исследовались зависимости пределов прочности при изгибе и растяжении, модуля упругости от состава плазмообразующего газа, продолжительности обработки согласно режимам табл.3.4.

3.2.1.Исследование предела прочности при растяжении и модуля упругости КМ

Исследование предела прочности при растяжении от режима плазменной модификации представлен на рис.3.8 и табл.№3.5. Согласно рис.3.8 наилучшим режимом обработки является режим №4 (табл. 3.4) с плазмообразующим газом пропан-бутаном.

Рассмотрим более детально анализ физико-химических процессов, протекающих при плазменной модификации АСВМПЭ-волокон, оказывающих существенное влияние на механические характеристики получаемых композитных материалов, включая предел прочности и модуль упругости при различных видах деформации.

При анализе механических свойств композитных материалов в условиях растяжения и изгиба первостепенное значение имеют следующие структурные параметры:

* межмолекулярные сшивки между макромолекулами СВМПЭ;

* количество структурных дефектов на поверхности и в объёме волокон в нити;

Таблица 3.5 - Зависимость предела прочности при растяжении и модуля упругости при растяжении от режима плазменной модификации

№ Предел прочности при растяжении а, МПа Отн. удлинение е, % Модуль упругости Е, МПа

СТ1 286±25 12,45 2688±245

СТ2 276±24 13,18 2632±220

СТ3 303±21 7,91 5985±292

СТ4 315±22 8,19 6054±310

СТ5 256±25 11,55 2555±230

СТ6 251±24 8,02 4154±267

СТ7 220±27 7,43 4776±244

Теоретический анализ возможности усиления ковалентных связей в основной цепи полимера (связь -С-С- с энергией 3,57 эВ) путём формирования двойных углерод-углеродных связей (-С=С- с энергией 6,09 эВ) через удаление двух смежных атомов водорода демонстрирует низкую вероятность реализации данного процесса в условиях существующего потока ионов и радикалов. Данный механизм модификации может рассматриваться как локальный эффект и исключается из дальнейшего рассмотрения.

Значительное влияние на прочностные характеристики при растяжении волокон оказывает процесс межмолекулярной сшивки макромолекул СВМПЭ, особенно при использовании углеродсодержащих плазмообразующих газов. Данный эффект подтверждается результатами рентгеноструктурного анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии в сочетании с термогравиметрическим анализом (ДСК-ТГА) при обработке СВМПЭ-волокон без аппретного покрытия в условиях

высокочастотного ёмкостного разряда пониженного давления. Углерод способен формировать сложные сетчатые структуры на поверхности макромолекул СВМПЭ, усиливая межмолекулярные взаимодействия. Для реализации данного процесса энергия ионов и радикалов должна превышать энергию связи -С-Н- (4,37 эВ), при этом оптимальный диапазон энергий составляет до 100 эВ, что обеспечивает необходимую кинетическую энергию для удаления атомов водорода.

Рисунок 3.8 - Исследование предела прочности при растяжении в зависимости

от режима обработки (табл.№3.2)

Теоретический анализ возможности усиления ковалентных связей в основной цепи полимера (связь -С-С- с энергией 3,57 эВ) путём формирования двойных углерод-углеродных связей (-С=С- с энергией 6,09 эВ) через удаление двух смежных атомов водорода демонстрирует низкую вероятность реализации данного процесса в условиях существующего потока ионов и радикалов. Данный механизм модификации может рассматриваться как локальный эффект и исключается из дальнейшего рассмотрения.

Значительное влияние на прочностные характеристики при растяжении волокон оказывает процесс межмолекулярной сшивки макромолекул СВМПЭ, особенно при использовании углеродсодержащих плазмообразующих газов. Данный эффект подтверждается результатами рентгеноструктурного анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии в сочетании с термогравиметрическим анализом (ДСК-ТГА) при обработке СВМПЭ-волокон без аппретного покрытия в условиях высокочастотного ёмкостного разряда пониженного давления. Углерод способен формировать сложные сетчатые структуры на поверхности макромолекул СВМПЭ, усиливая межмолекулярные взаимодействия. Для реализации данного процесса энергия ионов и радикалов должна превышать энергию связи -С-Н- (4,37 эВ), при этом оптимальный диапазон энергий составляет до 100 эВ, что обеспечивает необходимую кинетическую энергию для удаления атомов водорода.

Динамика восстановления прочностных характеристик волокон определяется наличием дефектных областей в структуре материала. В реальных условиях процессы восстановления и деструкции протекают параллельно. Преобладание того или иного процесса зависит от исходного качества волокна. При достаточном количестве повреждённых участков доминирует процесс восстановления, однако с течением времени количество дефектных областей уменьшается, что приводит к изменению баланса процессов. Эмпирические исследования обработки синтетических волокон в условиях струйного высокочастотного ёмкостного разряда пониженного давления

демонстрируют наличие экстремального значения, после которого деструкция преобладает над восстановлением.

Механизм формирования межмолекулярных сшивок в структуре СВМПЭ-волокон реализуется посредством ионизации поверхностей соседних макромолекул с последующим внедрением атома-иона-радикала плазмообразующего газа. Особенностью процесса является возможность ионизации двух макромолекул одним атомом-ионом-радикалом при условии наличия как минимум двухвалентного атома. При использовании углеродсодержащих плазмообразующих газов наблюдается формирование сложных сетчатых структур на поверхности макромолекул, усиливающих межмолекулярные взаимодействия.

Исследование предела прочности при изгибе КМ. Тип плазмообразующего газа является существенно значимым параметром при подборе режима плазменной модификации синтетических волокон, демонстрируя различную эффективность в зависимости от химического состава обрабатываемого материала.

При модификации СВМПЭ-волокон аргон демонстрирует способность к увеличению поверхностной лиофильности материала. Механизм данного эффекта обусловлен формированием долгоживущих свободных радикальных связей на поверхности СВМПЭ-волокон под воздействием ионов аргона. Характерная особенность данного процесса заключается в аномально длительном времени релаксации радикальных центров по сравнению с другими типами синтетических волокон, что обусловлено ограниченной подвижностью макромолекулярных цепей СВМПЭ-волокон.

После завершения плазменной модификации при введении атмосферного воздуха в вакуумную камеру происходит взаимодействие поверхностных радикалов с кислородсодержащими группами воздушной среды. Важно отметить, что в условиях проведённого исследования обработка аргоном не сопровождается процессами химического травления материала, поскольку не достигается порог двуступенчатой

Деформация (%)

Рисунок 3.9 - Исследование предела прочности при трехточечном изгибе в зависимости от режима плазменной модификации согласно табл.№3.4: №1 (СТ1) (400 Вт, Аргон, 2 мин), №2 (СТ2) (400 Вт, Аргон, 3 мин), №3 (СТ3) (600 Вт, Аргон, 3 мин), №4 (СТ4) (400 Вт, пропан-бутан, 4 мин), №5 (СТ5) (400 Вт, Аргон, 6 мин), №6 (СТ6) (400 Вт, Аргон, 7 мин), №7 (СТ7) (исходный)

ионизации аргона. В результате плазменной обработки аргоном происходит удаление полимерной плёнки, сформированной в процессе химической обработки, с одновременным присоединением полярных функциональных групп, ответственных за повышение поверхностной смачиваемости СВМПЭ-волокон.

Анализ прочностных характеристик при трёхточечном изгибе (рис. 3. 9, табл.

з.6) демонстрирует, что наилучшими режимами плазменной обработки являются №СТ2 и СТ3 с использованием аргона в качестве плазмообразующего газа (табл. 3.4). При этом аргон не обеспечивает прямого повышения адгезионной способности за счёт введения новых функциональных групп, однако длительное существование поверхностных радикалов, обусловленное низкой подвижностью макромолекул СВМПЭ, способствует их последующей рекомбинации с полярными компонентами атмосферного воздуха, что приводит к увеличению адгезионной способности волокон

и, соответственно, прочности композитного материала при изгибе.

Таблица 3.6 - Зависимость предела прочности при изгибе и модуля упругости при изгибе от режима плазменной модификации

№ Предел прочности при изгибе а, МПа Отн. удлинение 8, % Модуль упругости Е, МПа

1 165±11 8,98 2437±63

2 182±12 9,52 2876±69

3 169±12 12,93 2863±64

4 145±10 11,48 2356±69

5 70±5 8,12 837±31

6 70±5 8,51 884±30

7 41±3 10,83 397±15

В процессе плазменной модификации аргоном происходит удаление аппрета с поверхности СВМПЭ-волокон, при этом при выводе материала из вакуумной камеры на его поверхности присоединяются полярные группы.

Спектроскопические исследования (ИК-Фурье спектроскопия) образцов СВМПЭ волокон, обработанных в ВЧЕ разряде пониженного давления,

демонстрируют характерные полосы поглощения с максимумами при 1747 см1 и 1715 см-1. Эти спектральные линии соответствуют колебаниям карбонильных групп (С=0), которые играют ключевую роль в повышении поверхностной лиофильности различных синтетических волокон, включая СВМПЭ.

При этом важно отметить, что данные изменения происходят без непосредственного химического травления материала, что подтверждается исследованием, представленным в параграфе 3.1.1, с сохранением основной структуры СВМПЭ-волокон при проведении плазменной модификации.

Таким образом, плазменная обработка аргоном не только удаляет защитный аппрет с поверхности волокон, но и прикрепляет новые функциональные группы, способствующие улучшению химических свойств материала, в частности его смачиваемости.

Термомеханический анализ. С целью определения изменения деформации образцов композиционного материала под нагрузкой в зависимости от температуры использовался термомеханический анализ. ТМА анализ полимеров и композитов на их основе дает ценную информацию об их термическом поведении, которое, в свою очередь, определяет область рабочих температур, в которой возможно функционирование изделия.

На рис. 3.10 представлены графики ТМА для КМ на основе АСВМПЭ-(а) и ПО АСВМПЭ-тканей (б). Для каждого вида обработки изготовлены по три образца с разным содержанием матрицы: 55, 65, 80 % масс.

Как для АСВМПЭ, так и для плазмообработанного АСВМПЭ для всех образцов наблюдались две области вязкоупругих деформаций. У всех образцов первая область расположена в интервале температур от 45 до 145 0С, вторая область - от 190 до 300 0С. Область от 145 до 190 0С имеет нелинейный характер и связана с термодеструкцией СВМПЭ-волокон. Для образцов с 55% содержанием матрицы амплитуда линейных изменений размеров была больше, чем для образцов с

50 100 150 200 250 300 50 100 150 200 250 300

Температура, °С Температура. °С

а) б)

Рисунок 3.10 - Исследование ТМА: (а) - АСВМПЭ: 80% содержание матрицы (красный цвет,3), 65% содержание матрицы (синий цвет,2), 55% содержание матрицы (зеленый цвет,1) (б) - плазмообработанный СВМПЭ (режим №2 табл.№3.4): 80% содержание матрицы (красный цвет,3), 65% содержание матрицы (синий цвет,2), 55% содержание матрицы (зеленый цвет,1)

большим содержанием матрицы. Это объясняется тем, что образец с 55% содержанием матрицы обладает меньшим модулем упругости, по сравнению с образцами в 65 и 80 % содержанием матрицы. Температура разрушения образцов практически идентична как для плазмообработанной СВМПЭ- и АСВМПЭ-тканей, так и для различного содержания матрицы. Образец с содержанием матрицы в 65% по сравнению с образцом с 55% содержанием обладает более высоким модулем упругости, а по сравнению с 80% содержанием обладает меньшей массой и экономически более целесообразен.

Таким образом, благодаря плазменной модификации создан многослойный композиционный материал с состоящий из плазмообработанной аппретированной СВМПЭ-ткани, имеющий более повышенные механические характеристики по сравнению МКМ на основе аппретированной СВМПЭ-ткани без плазменной модификации. Наилучшим содержанием матрицы с механической и экономической точек зрения является значение в 65% масс.

Таким образом, проведенные исследования показывают необходимость применения плазменной модификации в ВЧЕ разряде пониженного давления аппретированных СВМПЭ-волокнистых материалов перед применением последних в составе композиционных материалов. Однако, данный композиционный материал не способен отвечать таким требованиям, как высокие прочность поверхностного слоя, твердость и микротвердость., лиофобность лицевого слоя. Для выполнения реализации упомянутых функциональных свойств необходимо применение корундовой керамики в качестве лицевого слоя МКМ.

З.З.Температурные зависимости ВЧИ разряда пониженного давления

Для проведения исследований по приданию функциональных свойств корундовой керамики проведены комплексные эксперименты для определения оптимальных условий размещения образцов корундовой керамики в ВЧИ разряде пониженного давления. В рамках работы изучены следующие распределения:

1. Аксиальное распределение температуры (рис. 3.11);

2. Радиальное распределение температуры плазменной струи как в присутствии, так и в отсутствии обрабатываемого материала (рис. 3.12);

3. Распределение скорости газового потока в разряде (рис. 3.13).

Анализ полученных данных показал следующие закономерности:

1. Граница видимой части плазменной струи при различных давлениях располагалась вблизи определенных температурных изотерм: при давлениях 66,5, 133,3 и 399,9 Па - около изотермы 300°С, при давлении 1199,7 Па - около изотермы 400°С;

2. Влияние давления на температурный профиль:

При уменьшении давления изотермы высоких температур (400-500°С) вытягиваются;

50

а) 100

150

20

40

б)

60

80

-■-100 С -•-200 °С 300 °С т 400°С 500 °С

100

г, мм

10 100 С -•- 200 °С 0 -а- зоо °С -ж-400 °С "1° 500°С -20

1-1-г

40 60

г, мм

в)

г)

Рисунок 3.11 - Температурные зависимости при расходе газа в 0,1 г/с. А - при давлении 66,5 Па, б - при давлении 133,5 Па, в - при давлении 399,9 Па, г - при

давлении 1199,7 Па

0 5 10 15 20 25

400т ос 300 -200100Г I • I • 1 ' I • I •

О 5 10 15 20 25 г, тт

Рисунок 3.12 - Температурная зависимость в присутствии обрабатываемого изделия (сплошные линии) и без присутствия (прерывистые линии) в зависимости от

расстояния до базовой плиты

Рисунок 3.13 - Распределение скоростей потока газа в ВЧИ разряде

пониженного давления

Изотермы низких температур (100-200°С) расширяются при увеличении координаты z;

3. Оптимальные условия зафиксированы при давлении 66,5 Па, где наблюдался минимальный градиент температуры благодаря большему объему плазменной струи;

4. Введение образца в плазменную струю приводило к выравниванию температурного поля:

Отклонение от максимальной температуры составляло 20-25%;

Поверхность образца подвергалась практически однородному температурному воздействию.

Таким образом, проведенные исследования позволили определить оптимальные параметры размещения образцов корундовой керамики в плазменной струе пониженного давления для обеспечения равномерной плазменной обработки материала.

3.4.Исследование состава, структуры, физических и механических характеристик керамических материалов

Для придания новых функциональных свойств корундовой керамике, требуемых для МКМ, использовалась плазма ВЧЕ и ВЧИ разрядов пониженного давления. Проведен широкий спектр экспериментальных исследований, а именно эксперименты по регулированию краевого угла смачивания поверхности, увелечению предела прочности при изгибе, твердости и микротвердости, а также определение сил адгезии и деформаций взаимодействия зонда с поверхностью с помощью АСМ-исследования. АСМ-исследования состояли из карт сил адгезии и деформации, 2Д- и ЗД-визуализаций поверхности керамики. Проведены эксперименты по определению приповерхностного элементного состава корундовой керамики с помощью РФЭС измерений.

3.4.1. Физические и механические характеристики плазмообработанной

корундовой керамики

Измерение краевого угла смачивания. Важнейшим этапом в исследовании изменения адгезионных сил поверхности корундовой керамики после плазменной модификации являлось измерение краевого угла смачивания или адгезионной способности.

Для регулирования адгезионной прочности по поверхности корундовой керамики, а именно увеличения адгезионной прочности с внутренней стороны изделия и уменьшение адгезионной прочности с внешней, лицевой стороны, применены режимы плазменной модификации согласно табл.3.7 и табл.3.8 соответственно.

Таблица 3.7 - Режимы плазменной модификации шифра КА корундовой керамики для увеличения адгезионной прочности внутренней стороны керамических изделий

№ Мощность, кВт Тип разряда Плазмообразующий газ Время, мин

КА1 1,8 ВЧЕ Воздух 60

КА2 1,8 ВЧЕ Аргон 60

КА3 1,8 ВЧЕ Аргон 45

КА4 1,4 ВЧИ Аргон 25

КА5 1,6 ВЧИ Аргон 25

КА6 Исходный - -

Таблица 3.8 - Режимы плазменной модификации шифра КПБ корундовой керамики для нанесения лиофобного покрытия для внешней стороны керамических изделий

№ Плазмообра-зующий газ Тип разряда Расход, г/с Длительность обработки, мин Мощность, Вт

КПБ1 Бензол ВЧЕ 0,0012 10 0,5

КПБ2 Бензол/аргон ВЧЕ 0,0012/0,003 30 1,1

КПБ3 Бензол/аргон ВЧЕ 0,0012/0,003 45 1,1

КПБ4 Бензол/аргон ВЧЕ 0,0012/0,003 30 1,1

КПБ5 Бензол/аргон ВЧЕ 0,0012/0,003 45 1,3

КПБ6 Бензол/аргон ВЧЕ 0,0012/0,003 30 1,3

На рис.3.14 представлено сравнение растекание капли воды для исходной керамики (а) и обработанной (б) в режиме №КА2 табл.3.7. На рис. 3.15 представлена

зависимость краевого угла смачивания для различных режимов модификации с исходным образцом с течением времени. Для всех режимов наблюдалось уменьшение краевого угла смачивания. После плазменной обработки наблюдалось увеличение краевого угла смачивания с 7-10 0 в первый час после обработки до 29-40 0 через сутки после обработки. Это связано с релаксацией долгоживущих радикалов, образованных в процессе обработки, на поверхности керамики. Долговременность плазменного воздействия крайне важна для промышленного применения данной технологии.

Для придания лиофобного эффекта применена технология плазменной модификации в плазме бензола, способного образовывать плотно сшитые углеродные структуры на поверхности твердых тел в плазме различных разрядов пониженного давления. Результаты измерений краевого угла смачивания представлены на рис.3.16, согласно которым можно сделать вывод, что для наилучшего режима ПО в плазме бензола значение краевого угла смачивания составляло 93 градуса, что превышает исходное значение на 16%.

а) б)

Рисунок 3.14 - Определение угла смачиваемости у необработанного образца (а) и обработанного образца (б) (режим №4 табл.№2). Увеличение х2,5

Рисунок 3.15 - Зависимость краевого угла смачивания от времени для режимов серии

КА1-6. Режимы указаны согласно табл.3.7

2 3 А 5 6 1234567

Режим, № Режим, №

а) б)

Рисунок 3.16 -Зависимость значения краевого угла смачивания для режимов с шифром КА1-6 согласно табл.3.7 (а); зависимость значения краевого угла смачивания для режимов с шифром КПБ1-6 согласно табл. 3.8 (б)

Важно отметить, что для достижения наилучших результатов как для повышения адгезионной прочности внутренней стороны керамического изделия, так и для придания лиофобного эффекта внешней стороны керамического изделия, стоит применять плазму ВЧЕ разряда пониженного давления.

Таким образом, плазменная обработка в воздухе или аргоне ВЧЕ разряда пониженного давления позволяет повысить адгезионную прочность внутренней стороны керамики, а плазменная модификация с нанесением лиофобной пленки в бензольной плазме ВЧЕ разряда пониженного давления позволяет придать лиофобный эффект внешней стороне керамического изделия. Данные обработки возможно применять последовательно в одной и той же плазменной установке, что будет подробно описано в параграфе 3.4.5.

Измерение предела прочности и модуля упругости при изгибе. Важнейшим преимуществом корундовой керамики является ее высокая прочность. В связи с этим поставлена задача по увеличению данного параметра, а именно предела прочности при изгибе и модуля упругости при изгибе. На основе режимов серии КА1-6 составлены новые режимы модификации серии КПА1-6, представленные в табл.3.9. По результатам предварительных испытаний обработка с плазмообразующим газом воздухом не продемонстрировала никаких изменений механических микро- и макропараметров корундовой керамики, в связи с чем в дальнейшем рассматриваться не будет. Результаты испытаний на определение предела прочности и модуля упругости при изгибе представлены на рис.3.17 и табл.№3.10. По результатам испытаний наилучшим режимом обработки определен режим №КПА4 табл.3.9. Согласно данным работы [13], при расходах газа более 0,08 г/с существенно увеличивается тепловой поток на поверхность обрабатываемых изделий. В сочетании с высокой мощностью, подаваемой в разряд, к поверхности тела подается значительное количество энергии, в частности, результаты испытаний по определению предела прочности и модуля упругости при изгибе представлены на

Таблица 3.9 - Режимы модификации корундовой керамики для определения предела прочности при изгибе

№ Тип разряда Мощность, кВт Плазмообразующий газ Расход газа, г/с Длительность обработки, мин

КПА1 ВЧЕ 1,8 Аргон 0,18 45

КПА2 ВЧИ 1,75 Аргон 0,12 20

КПА3 ВЧИ 1,5 Аргон 0,08 30

КПА4 ВЧЕ 1,8 Аргон 0,18 60

КПА5 Исходный - - - -

КПА6 ВЧЕ 1,5 Аргон 0,18 45

Таблица 3.10 - Определение предела прочности при изгибе и модуля упругости в зависимости от режима плазменной модификации согласно табл.№3.9

Режим, № Предел прочности, МПа Модуль упругости, МПа

КПА1 353±23 5412±370

КПА2 364±22 5759±345

КПА3 365±19 5823±355

КПА4 384±20 5831±350

КПА5 302±28 5481±370

КПА6 334±20 5483±340

рис.3.17 и табл.№3.10. По результатам испытаний наилучшим режимом обработки определен режим №КПА4 табл.3.9. Согласно данным работы [13], при расходах газа более 0,08 г/с существенно увеличивается тепловой поток на поверхность обрабатываемых изделий. В сочетании с высокой мощностью, подаваемой в разряд, к

поверхности тела подается значительное количество энергии, в частности, потока низкоэнергетических ионов, что позволяет производить микропроплавления, находящихся на поверхности, что будет видно из дальнейших АСМ-исследований. Такие проплавления зернистой структуры позволяют заполнить нанопоры и нанотрещины на поверхности керамики, что позволяет увеличить стойкость к внешнему воздействию.

25000 24000

22000

20000

18000

1Е000

14000

12000

10000

8000

6000

4-000

2000

}2 5 4

*| < е

15 щ ; / // у

! .1. ! ( N /

г ! \

1

1,4 1.5 1,55

1.68 1,8 1,85 Ход (мм)

1.98

2,1 2,2

Рисунок 3.17 - Определение предела прочности при изгибе в зависимости от режима плазменной модификации согласно табл.№3.9: 1- режим №1, 2 - режим №2, 3 - режим №3, 4 - режим №4, 5 - исходная (№5), 6 - режим №6

Измерение твердости и микротвердости. В ходе исследования механических характеристик корундовой керамики установлено, что её твёрдость (табл.3.11) и микротвёрдость (табл.3.12) демонстрируют различные особенности поведения после плазменной модификации.

Твёрдость материала, являясь объёмным параметром, характеризует способность всего материала сопротивляться воздействию внешнего индентора. В то время как микротвёрдость представляет собой поверхностный параметр, отражающий способность поверхностного слоя материала сопротивляться внешнему воздействию.

Проведённый эксперимент показал, что плазменная модификация, являясь методом поверхностной обработки твердых тел, потенциально может увеличить именно микротвёрдость материала. При этом увеличение твёрдости корундовой керамики возможно при наличии высокой пористости материала.

Таблица 3.11 - Зависимость твердости (ЛЯЛ) от режима плазменной обработки согласно табл.№3.8

Режим, № Тип разряда Твердость, НЯЛ

КПА1 ВЧЕ 75±2

КПА2 ВЧИ 74±2

КПА3 ВЧИ 75±2

КПА4 ВЧЕ 75±2

КПА5 Исходный 74±3

КПА6 ВЧЕ 74±2

Твёрдость исходных образцов практически идентична твёрдости образцов после плазменной обработки, причём изменения значений твёрдости находятся в пределах экспериментальной ошибки. Отсутствие изменений в твёрдости после плазменной обработки косвенно подтверждает малую пористость материала и

отсутствие развитой внутренней структуры корундовой керамики. Это также указывает на то, что эффективность плазменной обработки проявляется преимущественно в модификации поверхностного слоя материала.

Таким образом, результаты исследования демонстрируют высокие механические характеристики корундовой керамики и подтверждают, что методы поверхностной модификации являются наиболее перспективными для улучшения её механических характеристик. Результаты исследования микротвердости корундовой керамики показали значительные изменения после плазменной модификации. Согласно данным таблицы 3.11 применение плазменной обработки (режим №КПА4 табл. 3.9) позволило увеличить микротвердость материала на 30% по сравнению со значением исходных образцов. Важно отметить особенности при измерении микротвердости исходных образцов: в процессе испытаний часто наблюдались трещины вокруг отпечатка алмазной пирамидки, не позволявшие точно измерить диаметр отпечатка. Это указывает на возможные проблемы в технологии изготовления керамических изделий.

Таблица 3.12 - Зависимость микротвердости от режима плазменной обработки согласно табл.№3.9

Режим, № Тип разряда Микротвердость, ГПа

КПА1 ВЧЕ 7,05±0,40

КПА2 ВЧИ 7,35±0,40

КПА3 ВЧИ 7,30± 0,40

КПА4 ВЧЕ 7,56±0,45

КПА5 Исходный 5,29±0,60

КПА6 ВЧЕ 7,50±0,45

Полученные результаты демонстрируют значительный потенциал плазменной модификации для улучшения поверхностных характеристик корундовой керамики, особенно в контексте увеличения её микротвердости. При этом выявленные проблемы с исходными образцами указывают на необходимость оптимизации технологического процесса производства керамики, в частности, контроля параметров спекания и выбора материалов для смазки-разделителя.

3.4.2 Состав и структура корундовой керамики

РФЭС-исследование корундовой керамики. РФЭС-исследование исходных керамических изделий представлен на рис.3.18. Из РФЭС-исследования видно, что в поверхностном составе корундовой керамики помимо кислорода и алюминия присутствуют и другие элементы (табл.№3.13). РФЭС-исследование плазмообработанных (режим № КПА4 табл. №3.9) керамических изделий представлен на рис.3.19. Из РФЭС-исследования видно, что элементный состав приповерхностного слоя сохраняется таким же, как и у исходного образца. Однако для плазмообработанного образца в РФЭС-спектре кремния наблюдались дополнительный пик около 100 эВ, на спектре алюминия - возле 73 эВ, на спектре кислорода - возле 529,8 эВ. Данные элементы являются доминирующими в обоих спектрах.

Таблица 3.13 - Элементный состав поверхности корундовой керамики до плазменной обработки

Элемент С О Л1 Бе N Р Мо N1 Сг Са

Исходная 59,4 28,6 4,1 0,2 1,7 1,6 0,2 0,1 1,1 0,9 2,1

Таблица 3.14 - Элементный состав поверхности корундовой керамики после плазменной обработки в режиме №КПА4 табл.3.9

Элемент С О М Si N Са &

Содержание 61,8 27,9 4,6 3,1 1,3 0,2 1,1

Рисунок 3.19 - РФЭС-спектры элементов плазмообработанных (режим №КПА4

табл.№3.9) керамических образцов

Данные изменения в РФЭС-спектре свидетельствуют о синтезе новой структуры в приповерхностной структуре корундовой керамики с участием кремния, алюминия и кислорода, что в свою очередь может быть ответственно за увеличение микротвердости корундовой керамики.

АСМ-исследования. АСМ-исследования представляют большой научный интерес с точки зрения анализа поверхности твердых тел. Также представляет большой интерес наблюдение корреляции между данными, полученными с помощью АСМ, а именно картами деформаций и сил адгезии, с данными измерений таких свойств, как микротвердость и смачиваемость соответственно. Помимо этого, АСМ-

исследования позволят объяснить изменения ранее измеренных физических и механических характеристик корундовой керамики после плазменной модификации в ВЧ разрядах пониженного давления.

АСМ-исследования плазменной обработки с плазмообразующим газом аргоном. Для проведения АСМ-исследований выбраны режимы серии КПА табл.3.9. На рис.3.20-25 представлены результаты АСМ-исследований для контрольного и плазмообработанных в аргоне образцов. Гистограммы распределений сил адгезии и деформации представлены в Приложениях В и Г соответственно. Результаты определения средних взвешенных арифметических деформации и сил адгезии представлены в табл.3.15.

Таблица 3.15 - Результаты обработки гистограмм распределений сил адгезии и деформаций АСМ-изображений корундовой керамики, обработанной плазмой согласно режимам табл.3.9

Режим, Среднее Макс. Среднее Макс. значение

№ взвешенное значение взвешенное деформационного

арифметическое силы арифметическое отклонения, нН

силы адгезии, нН адгезии, нН деформации, нм

КПА1 0,049 39.1 0,044 155,7

КПА2 0,014 37,0 -0,053 141,8

КПА3 0,001 6,6 -0,076 175,3

КПА4 0,008 76,3 0,195 198,5

КПА5 0,008 47,4 0,002 159,8

КПА6 -0,013 56,4 0,078 206,4

891.1 пт

П^ V - ^ ^ V =

155.7 пт

** г* .

■,-.

-.V. /А

,: \

I

Л-«

Рисунок 3.20 - АСМ-исследования для режима №КПА1 табл. №3.9. А - Карта адгезионных сил, б - карта деформаций, в - распределение по глубине/высоте, г - 3ё

визуализация

в) г)

Рисунок 3.21 - АСМ-исследования для режима №КПА2 табл. №3.9. А - Карта адгезионных сил, б - карта деформаций, в - распределение по глубине/высоте, г - 3d

визуализация

визуализация

-1.4 цт

4мкм 0 В)

Рисунок 3.23 - АСМ-исследования для режима №КПА4 табл. №3.9. А - Карта адгезионных сил, б - карта деформаций, в -3d визуализация

1.2 цт

4мкм

В)

Рисунок 3.24 - АСМ-исследования для режима №КПА5 (исходный) табл. №3.9. А - Карта адгезионных сил, б - карта деформаций, в 3ё визуализация

1.3 цт

4мкм

В)

Рисунок 3.25 - АСМ-исследования для режима №КПА6 табл. №3.9. А - Карта адгезионных сил, б - карта деформаций, в 3ё визуализация

Анализ результатов исследования поверхностных свойств корундовой керамики показал следующие закономерности.

Контрольный образец демонстрирует хаотичное (пестрое) распределение сил адгезии и деформации. При этом отсутствует корреляция изменения параметров между зернами, а в пределах одного зерна наблюдаются существенные различия значений сил адгезии и деформации. Пример сопоставления представлен на рис. 3.26а.

Плазмообработанная керамика показывает принципиально иную картину. Для некоторых режимов ПО наблюдается промежуточная картина (режим №КПА6 табл.3.9), которая характеризуется частичной корреляцией изменения параметров при переходе через границы зерен. При этом наблюдается неравномерное изменение поверхностных свойств по всей площади образца. Пример приведен на рис. 3.27б.

Для режима №КПА3 табл.3.9 наблюдается четкая корреляция изменения параметров с границами зерен, при этом исчезает хаотичность распределения (пестрота). Пример сопоставления можно увидеть на рис. 3.27в.

Таким образом, плазменная обработка корундовой керамики позволяет целенаправленно изменять её поверхностные свойства, причем степень модификации зависит от конкретного режима обработки. При оптимальном режиме достигается однородное распределение сил адгезии и деформации по всей поверхности материала с учетом границ зерен.

Исследование карт деформации (рис.3.20-25 с индексом «б») показало, что на карте деформации контрольного образца (рис.3.24) не наблюдалась зернистая структура. Это связано с наличием остатков смазочного материала. Наблюдается частичное соответствие между результатами измерения микротвердости с данными АСМ-анализа, особенно для режима №КПА4 (табл.3.9).

Топографические исследования выявили существенные различия между образцами (рис.3.20-25 с индексами «в» и «г») . Контрольный образец имеет меньший

а) б) в)

Рисунок 3.26 - Наложение карт сил адгезии и деформации. Ко всем картам применен

фильтр с 50-ью процентной прозрачностью

а)

б)

Рисунок 3.27 - Сравнение топографических 3Э изображений контрольного образца (а) и плазмообработанного образца (б) по режиму №4 табл.№3.8. Белым цветом выделены зерна с диаметром менее 0,5 мкм, синим - поры

диаметр зерен и большее количество пор в сравнении с плазмообработанными образцами, например, с режимом №КПА4 (рис.3.27).

Таким образом, плазменная обработка корундовой керамики не только удаляет технологические загрязнения от применения смазочного состава, но и существенно

влияет на структурные характеристики материала, улучшая его поверхностные свойства.

По результатам АСМ-исследований установлено следующее: выявлена частичная корреляция между данными АСМ и данными по физическим и механическим характеристикам материала. Это касается таких параметров как микротвердость, смачиваемость (краевой угол смачивания).

Особую значимость представляют данные АСМ-исследований, указывающие на наличие специфического поверхностного слоя. Этот слой обладает характеристиками, существенно отличающимися от свойств корундовой керамики.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о многослойной структуре поверхности материала, где поверхностный слой может оказывать значительное влияние на его функциональные свойства. Эти новые результаты имеют важное значение при разработке технологий модификации поверхности корундовой керамики и оптимизации её эксплуатационных характеристик.

АСМ-исследования режимов плазменной обработки с плазмообразующим газом бензолом. С целью создания гидрофобного покрытия лицевого слоя корундовой керамики после первоначальной плазменной обработки на основе литературного обзора [27] в качестве плазмообразующего газа выбран бензол. В низкотемпературной плазме бензол способен образовывать твердые пленки на поверхности подложки [27]. Режимы плазменной модификации в плазме бензола представлены в табл.3.8.

Проведены АСМ-исследования влияния параметров плазменной обработки на физические и механические свойства корундовой керамики рис.3.28-3.33, средние взвешенные арифметические и максимальные значения сил адгезии и деформации представлены в табл.№3.16.

На рис 3.28-33 с индексом «а» представлены карты сил адгезии, с индексами «б» - карты деформаций, с индексами «в»,«г» - топографические карты в 2D и 3D

измерениях. В табл.3.16 представлены средние взвешенные арифметические сил адгезии и деформации.

Согласно данным сил адгезии таблицы №3.16 на поверхности керамики образуется гидрофобное покрытие, что коррелирует с данными по смачиваемости (рис.3.16б). При обработке в режиме №КПБ1 табл.№3.8 на карте деформации (рис.3.28) отчетливо видно образование пленки на поверхности керамики, которая практически однородна по деформации. Для этого же режима и наблюдается наименьшее среднее взвешенное значение силы адгезии согласно табл.3.16.

Таблица 3.16 - Результаты обработки карт сил адгезии и деформаций АСМ-изображений корундовой керамики, обработанной плазмой согласно режимам табл.3.8

Режим, Среднее Мин. Среднее Макс. значение

№ взвешенное значение взвешенное деформационного

арифметическое силы арифметическое отклонения, нН

силы адгезии, нН адгезии, деформационного

нН отклонения, нм

КПБ1 -0,033 -3,1 -0,047 136,7

КПБ2 -0,008 -7,5 0,024 20,1

КПБ3 -0,012 -12,3 0,027 33,9

КПБ4 -0,012 -18,5 -0,085 50,8

КПБ5 -0,003 -11,8 0,003 98,7

КПБ6 -0,022 -19,5 -0,039 47,6

На 3Д рисунках (индекс «г» рис.3.28-33) наблюдалась зернистая структура керамики с обильным количеством микропор, что и на контрольном образце. Из полученной картины можно сделать вывод, что нанесенная пленка не смогла заполнить межзеренное пространство и выравнить поверхность керамики с топологической точки зрения. Вследствие этого нанесенная пленка по толщине не

может превышать несколько сотен-тысяч нанометров, то есть сравнимо со средним диаметром зерен.

Таким образом, нанесенные пленки из плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления с плазмообразующим газом бензолом в режиме обработки №КПБ1 табл.№3.8 образовали гидрофобное и практически однородное покрытие на поверхности корундовой керамики.

2 мкм 2 мкм

а) б)

2 мкм 2 мкм

В) Г)

В) г)

Рисунок 3.29 - АСМ-исследования для режима № КПБ2 табл. №3.8. А - Карта адгезионных сил, б - карта деформаций, в - распределение по глубине/высоте, г -3ё

визуализация

г ' «"ч. " '

Ш^УЖ V

: ' Щ

¡Ж

^ • V ^•-«яЬ?'

V -я .^ч. с -'Л- % л. *

-12.3 пМ

в) г)

Рисунок 3.30 - АСМ-исследования для режима № КПБ3 табл. №3.8. А - Карта адгезионных сил, б - карта деформаций, в - распределение по глубине/высоте, г - 3ё

визуализация

визуализация

-11.8 пМ

-930.0 пт

Рисунок 3.32 - АСМ-исследования для режима № КПБ5 табл. №3.8. А - Карта адгезионных сил, б - карта деформаций, в - распределение по глубине/высоте, г - 3ё

визуализация

1. г

* А А

2 мкм 2 мкм

В) Г)

Рисунок 3.33 - АСМ-исследования для режима № КПБ6 табл. №3.8. А - Карта адгезионных сил, б - карта деформаций, в - распределение по глубине/высоте, г - 3ё

визуализация

3.4.3. Адгезионная прочность плазмообработанной керамики к композиционной

подложке

В ходе проведенных исследований режим №КПА4 (табл. №3.9) продемонстрировал наилучшие показатели по улучшению как адгезионной прочности, так и предела прочности при изгибе.

Для достижения оптимальных характеристик материала необходимо обеспечить равномерное плазменное воздействие на всю поверхность керамического изделия. Это достигалось благодаря специальной методике размещения изделий (рис. 3.34а).

Однако при таком способе размещения наблюдалось повышение адгезионной прочности со всех сторон керамического изделия, включая лицевую поверхность (рис. 3.34а).

^^^ 1

2 ^

а) б)

Рисунок 3.34 - Размещение керамических изделий в процессе обработки в плазме ВЧЕ разряда пониженного давления. А - Обработка керамики для повышения механической прочности и адгезионной прочности всей поверхности: 1 -керамика, 2 волнообразная проволока, 3 - полка-оснастка. Б - Обработка керамики с целью придания лиофобного эффекта лицевой стороне изделия: 1 - керамика, 2 -

полка-оснастка

особая схема размещения (рис. 3.34б), при которой тыльная сторона керамики плотно прилегала к полке-оснастке и не подвергалась плазменному воздействию.

Повторная обработка проводилась в плазме пропан-бутана, что обеспечивало формирование лиофобного покрытия на лицевой поверхности изделия [13].

Таким образом, разработана технология, позволяющая получать керамические изделия с дифференцированными свойствами поверхности: повышенной адгезионной прочностью на тыльной стороне и лиофобными свойствами на лицевой стороне поверхности. Наилучшими режимами для обоих эффектов проявлены в плазме ВЧЕ разряда пониженного давления. Более того, ВЧЕ разряд по сравнению с ВЧИ разрядом имеет большую производительность, что крайне важно с экономической точки зрения применения плазменной модификации в производстве.

Режим, №

Рисунок 3.35 - Измерение адгезионной прочности корундовой керамики к композиционной подложке, обработанной в режимах с шифром КПА от 1 до 6

Результаты измерений адгезионной прочности внутренней поверхности керамического изделия к полимерной подложке из КМ на основе СВМПЭ-ткани и полиуретановой матрицы представлены на рис.3.35 для режимов плазменной модификации серии КПА1-6. Наилучшим режимом являлся режим №КПА4, для которого сила расслоения превосходила исходную необработанную керамику на 95%.

Таким образом, режим №КПА4 сочетает в себе как повышение адгезионной прочности внутренней стороны керамического изделия, так и повышение механических характеристик (предела прочности и модуля упругости при изгибе, микротвердости).

При исследовании поверхности поставляемых из КНР СВМПЭ-волокон выявлено, что на поверхности СВМПЭ-волокон нанесен аппрет, образующий полностью обволакивающую волокна пленку. Из микрофотографий видно, что аппрет покрывает большинство поверхности СВМПЭ-волокна. Обработка в плазме ВЧЕ разряда пониженного давления позволила удалить аппрет с поверхности и наблюдать характерную для СВМПЭ-волокон филаментную структуру. На кривых ТГ-ДТГ значительная разница между АСМВПЭ- и плазмообработанными АСВМПЭ-волокнами не обнаружена, что означает, что ни аппрет, ни плазма структурные свойства полимера не изменяют.

Нанесенный аппрет на поверхность СВМПЭ существенно ухудшает прочностные характеристики (на изгиб и растяжение) композиционного материала на основе такой СВМПЭ-ткани. Плазменная модификация позволяет удалить пленку, пришить полярные функциональные группы, тем самым повысив адгезионную прочность. Благодаря этому удалось существенно улучшить механические характеристики композиционного материала. Определено наилучшее содержание матрицы в составе композиционного материала: как для КМ на основе АСВМПЭ, так и ПО АСВМПЭ наилучшим содержанием являлось содержание в 65% масс.

Плазменное воздействие ВЧЕ разряда пониженного давления на корундовые изделия можно свести к следующим процессам. Во-первых, происходят микроподплавления зерен керамики, что позволяет их сфероизовать, заполнить микропоры и микротрещины, а также дополнительно спечь их, что видно по результатам АСМ-исследований. Во-вторых, наличие в составе приповерхностого слоя керамики кремния позволяет образовать интерметаллиды, обладающие высокой твердостью. В-третьих, благодаря термическому воздействию и ионной имплантации удается увеличить степень кристалличности за счет объемного уменьшения аморфной

фазы. Совокупность данных процессов позволила увеличить микротвердость и предел прочности при изгибе корундовой керамики. Незначительное увеличение модуля упругости при изгибе также можно объяснить улучшением качества поверхности корундовой керамики за счет перечисленных выше процессов.

Таким образом, проведенные исследования показали эффективность плазменной модификации как для СВМПЭ-волокон, так и для корундовой керамики, позволяющей существенно улучшить их физико-механические характеристики.

ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПЛАЗМЫ ВЧЕ РАЗРЯДА ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ С АППРЕТИРОВАННЫМ

СВМПЭ. ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЧЕ РАЗРЯДА

ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ

В данной главе представлены математическая модель взаимодействия потока низкоэнергетических ионов, генерируемых из плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления, с аппретированным СВМПЭ-волокнами и технологическая схема получения композиционного материала с улучшенными функциональными характеристиками путем плазменной модификации компонентов. КМ из полимерной подложки и керамического облицовочного слоя позволяет заменить массивные металло-каркасные конструкции с избежанием налипания транспортируемых материалов к слоистому КМ.

Технология создания многослойного КМ без плазменной модификации аппретированной СВМПЭ-ткани и корундовой керамики будет иметь следующие существенные недостатки: