Ученые разработали новый метод повышения прочности полимерных композитов, армированных углеродным волокном. Исследователи из лаборатории структурно-морфологических исследований ИФХЭ РАН изучили влияние плазмохимической обработки на адгезионные свойства на границе раздела между моноволокном и матрицей в этих материалах.
Полимерные композиты, усиленные углеродными волокнами диаметром от 5 до 10 микрометров, обладают наилучшими прочностными характеристиками среди современных материалов. В таких композитах основную нагрузку несут армирующие волокна, а матрица распределяет напряжение между ними. Однако эффективность этого процесса зависит от качества взаимодействия на границе раздела фаз.
Алексей Викторович Шапагин, заведующий лабораторией и кандидат химических наук, пояснил, что для создания композита с высокой устойчивостью к деформации необходимо использовать матрицу с определенными физико-механическими свойствами, обеспечить плотную укладку волокон и добиться хорошего межфазного контакта между волокном и матрицей.
Для исследования адгезионных свойств в элементарной ячейке композита ученые применили различные методы, включая Drop-Sting test, физико-механические испытания и микроскопию. Особое внимание было уделено методу Drop-Sting test, который позволяет точно измерять прочность межфазных взаимодействий без создания специального тестового композита.
Эксперименты показали, что максимальная глубина погружения моноволокна составляет 68 микрометров, при которой усилие вытягивания не превышает предела прочности волокна. Среднее значение прочности межфазного взаимодействия составило 73,5 МПа с коэффициентом вариации 6,6%.
Для улучшения прочностных характеристик углеродные волокна подвергли плазменной обработке. Эта процедура изменила как морфологию поверхности волокна, так и его энергетические характеристики. В результате 10-минутной обработки прочность сцепления на границе раздела моноволокно/эпоксидная матрица увеличилась вдвое, достигнув 145 МПа.
Шапагин отметил, что целью исследования было изучение межфазных взаимодействий в системе моноволокно/матрица и их улучшение с помощью обработки моноволокна в плазме воздушного разряда. Особое внимание уделялось изучению поверхностной энергии моноволокна для нахождения физического метода ее регулирования.
Полученные результаты планируется использовать для масштабного моделирования прочности композиционных материалов. Это открывает новые возможности для разработки материалов с заданными физико-механическими свойствами, что имеет важное значение для различных отраслей промышленности, где требуются высокопрочные и легкие материалы.
Варианты названия:
1. "Повышение прочности углепластиков: новый подход российских ученых"
2. "Плазменная обработка углеволокна удваивает прочность композитов"
3. "Инновационный метод укрепления межфазных связей в полимерных композитах"
4. "Российские исследователи раскрывают секреты прочности углепластиков"
5. "Прорыв в технологии создания сверхпрочных композитных материалов"
