Исследование адгезионной прочности металлополимерных соединений при отрыве

С помощью экспериментального метода установлено влияние конструкционных и технологических факторов на прочность металлополимерных материалов, получаемых склеиванием. Для изготовления экспериментальных образцов применены сталь Ст5пс, стеклоткань Т-11-ГВС-9 и адгезивы «ВАК-А» и «Спрут-Плюс». В качестве факторов, влияющих на прочность, выбраны шероховатость поверхности, толщина полимерного слоя, время полимеризации и температура эксплуатации. Определено наименьшее нормальное напряжение, при котором начинается процесс разрушения металлополимерного материала. Для испытания использована машина УТС-110М. Эксперименты проведены при толщине полимерного слоя 0,5…2,5 мм, температуре 20…200 °С, времени полимеризации 0,5…96 ч и параметре шероховатости поверхностей 40, 100, 200, 320 и 400 мкм. Анализ полученных данных показал, что с возрастанием параметра шероховатости поверхности повышается напряжение отрыва. Увеличение толщины полимерного слоя в 5 раз приводит к снижению адгезионной прочности в 1,35…1,64 раза. Наибольшая адгезионная прочность соответствует толщине полимерного слоя 0,5…1,5 мм. Установлено, что прочность металлополимерных материалов снижается при росте температуры эксплуатации в 1,54 раза. В адгезиве в период отверждения (с 10 до 24 ч) наблюдается рост внутренних напряжений. При увеличении времени полимеризации внутренние напряжения практически не возрастают и стабилизируются.
EDN: YJIEND, https://elibrary/yjiend

Литература

[1] Печенюк В.С., Попов Ю.И. Концептуальное проектирование конструкции крыла или фюзеляжа магистрального самолета из металлополимерных композиционных материалов. Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника, 2021, № 64, с. 74–82, doi: https://doi.org/10.15593/2224-9982/2021.64.08

[2] Антипов В.В., Курс М.Г., Гирш Р.И. и др. Натурные климатические испытания металлополимерных композиционных материалов типа СИАЛ в морском климате. Авиационные материалы и технологии, 2019, № 4, с. 56–64, doi: https://doi.org/10.18577/2071-9140-2019-0-4-56-64

[3] Столянков Ю.В., Антюфеева Н.В., Раскутин А.Е. и др. Исследование возможности создания слоистых металлополимерных композиционных материалов c использованием тонколистовых аморфных сплавов. Композиты и наноструктуры, 2014, т. 6, № 1, с. 25–31.

[4] Delmonte J. Metal-polymer composites. Springer, 2013. 264 p.

[5] Hsissou R., Seghiri R., Benzekri Z. et al. Polymer composite materials: ф comprehensive review. Compos. Struct., 2021, vol. 262, art. 113640, doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.113640

[6] Chiew C., Malakooti M.H. A double inclusion model for liquid metal polymer composites. Compos. Sci. Technol., 2021, vol. 208, art. 108752, doi: https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2021.108752

[7] Koh A., Sietins J., Slipher G. et al. Deformable liquid metal polymer composites with tunable electronic and mechanical properties. J. Mater. Res., 2018, vol. 33, no. 17, pp. 2443–2453, doi: https://doi.org/10.1557/jmr.2018.209

[8] Горбаткина Ю.А., Иванова-Мумжиева В.Г. Адгезия модифицированных эпоксидов к волокнам. Москва, ТонусПресс, 2018. 216 с.

[9] Ильина В.Н., Гафарова В.А., Бугай Д.Е. и др. Адгезионная и когезионная прочность композиционного материала с углеродными наполнителями для заделки трещин. Нефтегазовое дело, 2021, т. 19, № 6, с. 124–133, doi: https://doi.org/10.17122/ngdelo-2021-6-124-133

[10] Бородулин А.С., Мальцев В.В., Бертаева А.А. и др. Методика оценки адгезионной прочности системы элементарное волокно-эпоксидная матрица. Клеи. Герметики. Технологии, 2022, № 5, с. 32–38.

[11] Стукач А.В., Динцер А.И. Исследование адгезионной прочности полимеров. Труды Крыловского государственного научного центра, 2021, № S1, с. 338–340, doi: https://doi.org/10.24937/2542-2324-2021-1-S-I-338-340

[12] Shang X., Marques E.A.S., Machado J.J.M. et al. Review on techniques to improve the strength of adhesive joints with composite adherends. Compos. B. Eng., 2019, vol. 77, art. 107363, doi: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2019.107363

[13] Koryagin S.I., Sharkov O.V., Velikanov N.L. Calculation and experimental technique for determining the damping properties of composite materials. Mater. Sci. Forum, 2018, vol. 938, pp. 46–53, doi: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.938.46

[14] Aradhana R., Mohanty S., Nayak S.K. High performance epoxy nanocomposite adhesive: Effect of nanofillers on adhesive strength, curing and degradation kinetics. Int. J. Adhes. Adhes., 2018, vol. 84, pp. 238–249, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2018.03.013

[15] Pruksawan S., Lambard G., Samitsu S. et al. Prediction and optimization of epoxy adhesive strength from a small dataset through active learning. Sci. Technol. Adv. Mater., 2019, vol. 20, no. 1, pp. 1010–1021, doi: https://doi.org/10.1080/14686996.2019.1673670

[16] Любимый Н.С., Чепчуров М.С., Аверченкова Е.Э. Обеспечение требуемой шероховатости поверхностей изделий из металлополимера наполненного алюминием при обработке шлифованием. Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, 2017, № 1, с. 162–169, doi: https://doi.org/10.12737/23799

[17] Корнеев А.А., Любимова А.С., Шилов Н.В. Исследование влияния шероховатости поверхности на прочность соединения, полученного с применением металлополимерных композиционных материалов. Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2012, т. 8, № 2, с. 54–56.

[18] Vasilev V.I., Ovsyannikov V.E., Ziganshin R.A. et al. Peculiar features of formation of surface roughness profile upon mechanicalp of iron parts of handling machines after diffusion alloying. International Journal of Mechanical Engineering and Technology, 2018, vol. 9, no. 3, pp. 1061–1067.

[19] Протасеня Т.А., Крень А.П., Мацулевич О.В. Влияние толщины отверждаемого слоя фотополимерной смолы при Sla-технологии печати на упругие и прочностные характеристики полимерных изделий аддитивного производства. Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук, 2022, т. 67, № 1, с. 17–26, doi: https://doi.org/10.29235/1561-8358-2022-67-1-17-26

[20] Singh L., Ludovice P.J., Henderson C.L. Influence of molecular weight and film thickness on the glass transition temperature and coefficient of thermal expansion of supported ultrathin polymer films. Thin Solid Films, 2004, vol. 449, no. 1–2, pp. 231–241, doi: https://doi.org/10.1016/S0040-6090(03)01353-1

[21] Драчев К.А., Казарбин А.В., Римлянд В.И. Исследование изменения механических и акустических свойств эпоксидных смол при большом времени полимеризации. Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2023, т. 89, № 4, с. 63–70, doi: https://doi.org/10.26896/1028-6861-2023-89-4-63-70

[22] Русаков С.В., Гилев В.Г. К оценке времени отверждения эпоксидного олигомера в ходе процесса неизотермической полимеризации. Вестник Пермского университета. Физика, 2021, № 3, с. 30–36, doi: https://doi.org/10.17072/1994-3598-2021-3-30-36

[23] Lin H.-N., Peng T.-Y., Kung Y.-R. et al. Effects of the methyl methacrylate addition, polymerization temperature and time on the MBG@PMMA core-shell structure and its application as addition in electrospun composite fiber bioscaffold. Ceram. Int., 2023, vol. 49, no. 5, pp. 7630–7639, doi: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.10.243

[24] Ahmad A.L., Ooi B.S. Properties–performance of thin film composites membrane: Study on trimesoyl chloride content and polymerization time. J. Membr. Sci., 2005, vol. 255, no. 1–2, pp. 67–77, doi: https://doi.org/10.1016/j.memsci.2005.01.021

[25] Lochab B., Monisha M., Amarnath N. et al. Review on the accelerated and low-temperature polymerization of benzoxazine resins: addition polymerizable sustainable polymers. Polymers, 2021, vol. 13, no. 8, art. 1260, doi: https://doi.org/10.3390/polym13081260

[26] Сытов В.А., Веттегрень В.И., Сытов В.В. Температурная зависимость прочности клеевых соединений стали 3 на основе эпоксикаучуковых клеев. Известия СПбГТИ (ТУ), 2013, № 21, с. 102–105.

[27] Зиновьев В.Е., Харламов П.В. Влияние микротрещин, скрытых дефектов и остаточных напряжений полимерного клеевого слоя на его разрушение. Фундаментальные исследования, 2015, № 12–1, с. 37–42.

[28] Пономаренко Л.В., Кантиева Е.В., Фазлиахметова А.Р. Исследование влияния наполнителя карбимидоформальдегидных смол на внутренние напряжения в отвержденном клее. Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика, 2018, т. 6, № 4, с. 91–95.

[29] Varankina G.S., Rusakov D.S. Studies on internal stresses within glue Joints in glued wooden structures. Polym. Sci. Ser. D, 2022, vol. 15, no. 3, pp. 370–373, doi: https://doi.org/10.1134/S1995421222030339

[30] Legrand V., TranVan L., Jacquemin F. et al. Moisture-uptake induced internal stresses in balsa core sandwich composite plate: modeling and experimental. Compos. Struct., 2015, vol. 119, pp. 355–364, doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2014.09.012

[31] Корягин С.И., Шарков О.В., Великанов Н.Л. Оценка трещиностойкости полимерных покрытий, используемых при ремонте судовых конструкций. Морские интеллектуальные технологии, 2019, № 2, т. 2, c. 39–44.

[32] Притыкин Л.Н., Драновскнй М.Г., Поркмеян Х.Р. Клеи и их применение в электротехнике. Москва, Энергоиздат, 1983. 136 с.

[33] Косенко Е.А., Нигметзянов Р.И., Кострыкин В.В. Обоснование выбора способа механической обработки поверхностей деталей машин, подлежащих склеиванию металлонаполненными клеящими композициями. Ремонт. Восстановление. Модернизация, 2021, № 7, с. 30–35.

[34] Fomin A.A., Gusev V.G., Timerbaev N.F. The processing of the profile surface of the work-pieces, characterized by low rigidity. Solid State Phenom., 2020, vol. 299, pp. 852–860, doi: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.299.852

[35] Вартанов М.В., Власов А.И. Влияние толщины клеевой прослойки на прочность соединений кузовных панелей автомобилей. Сборка в машиностроении, приборостроении, 2008, № 12, с. 21–23.

[36] Kostin V., Nasonov F., Zinin A. Influence of adhesive bond line thickness on joint strength of composite aircraft structures. J. Phys.: Conf. Ser., 2021, vol. 1925, art. 012070, doi: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1925/1/012070

[37] Gorbatkina Y.A., Gorbunova I.Y., Kerber M.L. Change of adhesion properties of epoxy oligomer modified by polyarylene ether ketone in the process of curing. Polym. Sci. Ser. D, 2011, vol. 4, pp. 95–101, doi: https://doi.org/10.1134/S1995421211020079