vguitВестник Воронежского государственного университета инженерных технологийProceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies2226-910X2310-1202VSUET10.20914/2310-1202-2022-2-262-268vguit-3131Research ArticleХимическая технологияFundamental and Applied chemistry, chemical technologyОценка усталостной прочности углепластиков с различными типами гибридных матрицEvaluation of fatigue strength of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) with various types of hybrid matriceshttps://orcid.org/0000-0002-7808-7359КосенкоЕ. А.KosenkoE. A.

к.т.н., доцент, кафедра производства и ремонта автомобилей и дорожных машин, Ленинградский пр-т, 64, г. Москва, 125319, Россия

Cand. Sci. (Engin.), associate professor, manufacturing and repair of vehicles and road-construction machines, Leningradsky prospect, 64 Moscow, 125319, Russia

kosenkokate@mail.ruМосковский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)РоссияMoscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI)Russian Federation202206092022842262268Copyright © Косенко Е.А., 20222022Косенко Е.А.Kosenko E.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnik-vsuet.ru/vguit/article/view/3131

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) нашли широкое применение в различных отраслях промышленности благодаря возможности создавать изделия пониженной массы с заданными эксплуатационными свойствами. В процессе эксплуатации композитные изделия подвергаются воздействию статических и циклические нагрузок, климатических и многих других факторов. Оценка усталостной прочности композиционных материалов и влияния на нее различных добавок и модификаторов является актуальной научно-практической задачей. В статье описана технология получения ПКМ с различными типами гибридных матриц, формируемых основным материалом связующего и материалом, представляющим в структуре композита самостоятельную «жидкую» фазу. На основе анализа кинетики отверждения в качестве материалов компонентов «жидкой» фазы были выбраны анаэробный полимерный материал (Loctite 638), силиконовый эластомер (Юнисил-9628) и синтетический воск. Испытания по оценке усталостной прочности осуществлялись путем приложения к образцам циклически изменяющихся нагрузок растяжение-сжатие. Нагрузка при выполнении циклических испытаний составила 70% от статической прочности образцов при растяжении. Остаточная прочность оценивалась путем испытания образцов на растяжение до полного разрушения после циклического нагружения. Представлены результаты испытаний на усталостную прочность углепластиков с различными типами гибридных матриц (формируемых различными компонентами «жидкой» фазы), анализ которых показал, что использование анаэробного полимерного материала в качестве компонента «жидкой» фазы гибридной матрицы позволяет повысить как начальную статическую прочность материала (на ~1%), так и остаточную прочность после циклического нагружения (на ~11%) по сравнению с данными показателями, полученными при испытании контрольных образцов. После выполнения циклического нагружения у углепластиков с анаэробным полимерным материалом и силиконовым эластомером наблюдается повышение остаточной прочности по сравнению с предварительно выполненными статическими испытаниями на растяжение на ~8% и ~13% соответственно. Использование в качестве компонента «жидкой» фазы анаэробного полимерного материала и силиконового эластомера позволяет повысить модуль упругости углепластиков после циклического нагружения на ~13% и 5% соответственно по сравнению с результатами предварительных статических испытаний.

Polymer composite materials (PCM) have found wide application in various industries due to the ability to create low-weight products with specified operational properties. During operation, composite products are exposed to static and cyclic loads, climatic and many other factors. Evaluation of the fatigue strength of composite materials and the influence of various additives and modifiers on it is an urgent scientific and practical task. The article describes the technology of obtaining PCM with various types of hybrid matrices formed by the main binder material and the material representing an independent "liquid" phase in the composite structure. Based on the analysis of the kinetics of curing, anaerobic polymer material (Loctite 638), silicone elastomer (Unisil-9628) and synthetic wax were selected as the materials of the components of the "liquid" phase. Fatigue strength assessment tests were carried out by applying cyclically varying tension-compression loads to the samples. The load during cyclic tests was 70% of the static tensile strength of the samples. The residual strength was evaluated by testing the tensile strength of the samples until complete destruction after cyclic loading. The results of fatigue strength tests of carbon fiber plastics with various types of hybrid matrices (formed by various components of the "liquid" phase) are presented. The analysis of the results showed that the use of an anaerobic polymer material as a component of the "liquid" phase of the hybrid matrix makes it possible to increase both the initial static strength of the material (by ~ 1%) and the residual strength after cyclic loading (by ~ 11%) compared with these indicators obtained during the testing of control samples. After performing cyclic loading, carbon fiber plastics with anaerobic polymer material and silicone elastomer have an increase in residual strength compared to previously performed static tensile tests by ~ 8% and ~13%, respectively. The use of an anaerobic polymer material and silicone elastomer as a component of the "liquid" phase makes it possible to increase the modulus of elasticity of carbon fiber plastics after cyclic loading by ~ 13% and 5%, respectively, compared with the results of preliminary static tests.

гибридная матрицаостаточная прочностьполимерные композиционные материалыуглепластикусталостная прочностьhybrid matrixresidual strengthpolymer composite materialscarbon fiber reinforced plasticsfatigue strengthReferencesДориомедов М.С. Российский и мировой рынок полимерных композитов (обзор)// Труды ВИАМ. 2020. №6-7 (89). С. 29-37. doi: 10.18577/2307-6046-2020-0-67-29-37Doriomedov M.S. Russian and world market of polymer composites (review). Proceedings of VIAM. 2020. no. 6-7 (89). pp. 29-37. doi: 10.18577/2307-6046-2020-0-67-29-37 (in Russian).Краев И.Д., Попков О.В., Шульдешов Е.М., Сорокин А.Е., Юрков Г.Ю. Перспективы использования кремнийорганических полимеров при создании современных материалов и покрытий различного назначения // Труды ВИАМ. 2017. №12. С. 48-62. doi: 10.18577/2307-6046-2017-0-12-5-5Kraev I.D., Popkov O.V., Shuldeshov E.M., Sorokin A.E. et al. Рrospects for the use of organosilicon elastomers in the development of modern polymer materials and coatings for various purposes. Proceedings of VIAM. 2017. no. 12. pp. 48-62. doi: 10.18577/2307-6046-2017-0-12-5-5Тимошков П.Н., Хрульков А.В., Язвенко Л.Н. Композиционные материалы в автомобильной промышленности (обзор) // Труды ВИАМ. 2017. №6. С. 61-68. doi: 10.18577/2307-6046-2017-0-6-7-7Timoshkov P.N., Hrulkov A.V., Yazvenko L.N. Composite materials in automotive industry (review). Proceedings of VIAM. 2017. no.6. pp. 61-68. doi: 10.18577/2307-6046-2017-0-6-7-7 (in Russian).Тимошков П.Н., Хрульков А.В. Анализ технологий производства изделий из непрерывно армированных полимерных композиционных материалов безавтоклавными способами изготовления (обзор) // Труды ВИАМ. 2017. № 11. С. 8. doi: 10.18477/2307–6046–2017–0–11–8–8Timoshkov P.N., Khrulkov A.V. Analysis of continuously reinforced polymer composites production methods using out-of-autoclave technologies (review). Proceedings of VIAM. 2017. no. 11. pp. 8. doi: 10.18477/2307–6046–2017–0–11–8–8 (in Russian).Чэнь Я., Городецкий М.А., Нелюб В.А., Малышева Г.В. Алгоритм оптимизации технологических режимов формования композитов на основе эпоксидной матрицы // Технология металлов. 2019. №2. С. 18-22. doi: 10.31044/1684-2499-2019-2-0-18-22Chan Yanyan, Gorodetskiy M.A., Nelyub V.A., Malysheva G.V. Optimization algorithm of technological processes of molding the composites based on epoxy matrix. Technology of metals. 2019. no. 2. pp. 18-22. doi: 10.31044/1684-2499-2019-2-0-18-22 (in Russian).Nelyub V.A., Malysheva G.V. Modern treatment technologies of carbon fibre for ensuring the high strength carbon fibre reinforced plastic production // MATEC Web of Conferences. 2017. V. 129. P. 02001. doi: 10.1051/matecconf/201712902001Nelyub V.A., Malysheva G.V. Modern treatment technologies of carbon fibre for ensuring the high strength carbon fibre reinforced plastic production. MATEC Web of Conferences. 2017. vol. 129. pp. 02001. doi: 10.1051/matecconf/201712902001Neluyb V.A., Malysheva G.V., Komarov I.A. New technologies for producing multifunctional reinforced carbon plastics // Materials Science Forum. 2021. V. 1037. P. 196–202. doi: 10.4028/www.scientific.net/MSF.1037.196Neluyb V.A., Malysheva G.V., Komarov I.A. New technologies for producing multifunctional reinforced carbon plastics. Materials Science Forum. 2021. vol. 1037. pp. 196–202. doi: 10.4028/www.scientific.net/MSF.1037.196Nelyub V.A., Komarov I.A. Technology of treatment of carbon fibers under electromagnetic influences of various origins to produce high-strength carbon fiber reinforced plastics // Russian Metallurgy (Metally). 2021. № 2021(13). P. 1696–1699. doi: 10.1134/S003602952113019XNelyub V.A., Komarov I.A. Technology of treatment of carbon fibers under electromagnetic influences of various origins to produce high-strength carbon fiber reinforced plastics. Russian Metallurgy (Metally). 2021. no. 2021(13). pp. 1696–1699. doi: 10.1134/S003602952113019XGorodetskii M.A., Nelyub V.A., Malysheva G.V., Shaulov A.Y. et al. Technology of forming and the properties of reinforced composites based on an inorganic binder // Russian Metallurgy (Metally). 2018. № 13. P.1195–1198. doi: 10.1134/S0036029518130074Gorodetskii M.A., Nelyub V.A., Malysheva G.V., Shaulov A.Y. et al. Technology of forming and the properties of reinforced composites based on an inorganic binder. Russian Metallurgy (Metally). 2018. no 13. pp. 1195–1198. doi: 10.1134/S0036029518130074Nelyub V.A. Technologies of metallization of carbon fabric and the properties of the related carbon fiber reinforced plastics // Russian Metallurgy. 2018. № 13. P. 1199–2101. doi: 10.1134/S0036029518130189Nelyub V.A. Technologies of metallization of carbon fabric and the properties of the related carbon fiber reinforced plastics. Russian Metallurgy. 2018. no. 13. pp. 1199–2101. doi: 10.1134/S0036029518130189Maung P.P., Htet T.L., Malysheva G.V. Simulation and optimization of vacuum assisted resin infusion process for large-sized structures made of carbon fiber-reinforced plastic // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. V. 709. №. 2. P. 022041. doi: 10.1088/1757–899X/709/2/022041Maung P.P., Htet T.L., Malysheva G.V. Simulation and optimization of vacuum assisted resin infusion process for large-sized structures made of carbon fiber-reinforced plastic. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. vol. 709. no. 2. pp. 022041. doi: 10.1088/1757–899X/709/2/022041Nelyub V.A., Borodulin A.S., Kobets L.P., Malysheva G.V Thixotropy hysteresis and structure formation in elastomeric suspensions // Inorganic Materials: Applied Research. 2018. № 9(4). P. 603–608. doi: 10.1134/S2075113318040238Nelyub V.A., Borodulin A.S., Kobets L.P., Malysheva G.V Thixotropy hysteresis and structure formation in elastomeric suspensions. Inorganic Materials: Applied Research. 2018. no. 9(4). pp. 603–608. doi: 10.1134/S2075113318040238Malysheva G.V., Guzeva T.A. Technological support for decreasing the porosity of polymer composite products // Russian Metallurgy (Metally). 2021. № 2021(13). P. 1692–1695. doi: 10.1134/S0036029521130139Malysheva G.V., Guzeva T.A. Technological support for decreasing the porosity of polymer composite products. Russian Metallurgy (Metally). 2021. no. 2021(13). pp. 1692–1695. doi: 10.1134/S0036029521130139Орешко Е.И. Ерасов В.С., Гриневич Д.В., Шершак П.В. Обзор критериев прочности материалов // Труды ВИАМ. 2019. №9. С. 108-126. doi: 10.18577/2307-6046-2019-0-9-108-126Oreshko E.I., Erasov V.S., Grinevich D.V., Shershak P.V. Review of criteria of durability of materials. Proceedings of VIAM. 2019. no. 9. pp. 108-126. doi: 10.18577/2307-6046-2019-0-9-108-126. (in Russian).Кирюшина В.В., Ковалева Ю.Ю., Степанов П.А., Коваленко П.В. Исследование влияния масштабного фактора на прочностные свойства полимерных композиционных материалов // Известия вузов. Ядерная энергетика. 2019. №1. С. 97–106. doi: 10.26583/npe.2019.1.09Kiryushina V.V., Kovaleva Yu.Yu., Stepanov P.A., Kovalenko P.V. A study into the scaling factor effects on the strength properties of polymer composite materials.Izvestiya vuzov. Yadernaya Energetika. 2019. no. 1. pp. 97–106. doi: 10.26583/npe.2019.1.09 (in Russian).Арутюнян А.Р. Формулировка критерия усталостной прочности композиционных материалов // Вестник Санкт-Петербургского университета. Математика. Механика. Астрономия. 2020. Т. 7 (65). №. 3. С. 511–517. doi: 10.21638/spbu01.2020.313Arutyunyan A.R. Formulation of the fatigue fracture criterion of composite materials. Vestnik of Saint Petersburg University. Mathematics. Mechanics. Astronomy. 2020. vol. 7 (65). no. 3. pp. 511–517. doi: 10.21638/spbu01.2020.313 (in Russian).Полилов А.Н., Татусь Н.А. Технологическая механика композитов, основанная на изучении опыта природы в создании прочных биологических материалов-конструкций // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2021. № 1. С. 59–85. doi: 10.52261/02346206_2021_1_59Polilov A.N., Tatus N.A. Technological mechanics of composites, based on the study of nature experience in the creation of durable biological materials-structures. Engineering and automation problems. 2021. no. 1. pp. 59–85. doi: 10.52261/02346206_2021_1_59. (in Russian).Берлин А.А. Об усталостной прочности природных материалов // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2019. № 7. С. 2–3. doi: 10.31044/1994–6260–2019–0–7–2–3Berlin A.A. On the fatigue strength of natural materials. All materials. Encyclopedic reference book. 2019. no. 7. pp. 2–3. doi: 10.31044/1994–6260–2019–0–7–2–3 (in Russian).Kosenko E.A., Baurova N.I., Zorin V.A. Mechanical Properties of Carbon Fiber Reinforced Plastics with Various Types of Hybrid Matrices at Negative Temperatures // Russian Metallurgy (Metally). 2021. № 2021(13). P. 1705–1708. doi: 10.1134/S0036029521130103Kosenko E.A., Baurova N.I., Zorin V.A. Mechanical Properties of Carbon Fiber Reinforced Plastics with Various Types of Hybrid Matrices at Negative Temperatures. Russian Metallurgy (Metally). 2021. no. 2021(13). pp. 1705–1708. doi: 10.1134/S0036029521130103Kosenko E.A., Nelyub V.A. Evaluation of the stress–strain state of a polymer composition material with a hybrid matrix // Polymer Science – Series D. 2022. № 15(2). P. 240–244. doi: 10.1134/S1995421222020137.Kosenko E.A., Nelyub V.A. Evaluation of the stress–strain state of a polymer composition material with a hybrid matrix. Polymer Science – Series D. 2022. no. 15(2). pp. 240–244. doi: 10.1134/S1995421222020137

The authors declare that there are no conflicts of interest present.