Наноинженерия космических аппаратов. Композиты на наноуровне

1.

Наноинженерия космических аппаратов
Композиты на наноуровне

2.

Методы анализа структуры
Основные методы
анализа состояния поверхностного слоя:
• Оптическая микроскопия
• Конфокальная оптическая микроскопия
• Растровая электронная микроскопия
• Сканирующая туннельная микроскопия
• Атомно-силовая микроскопия

3.

Растровая электронная микроскопия
+ Невысокие требования к
подготовке образцов, высокая
увеличивающая способность,
разрешение, контраст и скорость,
получаемых изображений
- Двухмерность изображения, в
некоторых случаях, при исследовании
непроводящих материалов,
необходимо нанести металлическое
покрытие, что часто приводит к
заметной деформации поверхности

4.

Растровая электронная микроскопия
Стеклянные волокна

5.

Растровая электронная микроскопия
Углеродные волокна

6.

Растровая электронная микроскопия
Углеродные волокна

7.

Растровая электронная микроскопия
Арамидные волокна

8.

Растровая электронная микроскопия
Арамидные волокна

9.

Атомно-силовая микроскопия
Схема регистрации изгибов кантилевера

10.

Атомно-силовая микроскопия
Трубчатый пьезосканер
Устройство пьезосканера:
1) керамическая пьезотрубка; 2)
каретка; 3) предметный столик
Полуконтактный метод сканирования

11.

Атомно-силовая микроскопия
Стеклянное волокно Ortex
Область сканирования 10х10 мкм
Область сканирования 5х5 мкм

12.

Атомно-силовая микроскопия
Углеродное волокно Toho
Область сканирования 10х10 мкм
Область сканирования 5х5 мкм

13.

Атомно-силовая микроскопия
Органическое волокно СВМ-7,5
Область сканирования 10х10 мкм
Область сканирования 5х5 мкм

14.

Модификация волокон
Основные способы модификации
Окисление в растворе
Методы окисления
Электролитическое окисление
Окисление в газовой среде
Воздействие физических
полей
Очистка поверхности
Защита поверхности с
одновременной
активацией
Ультразвук. Магнитное поле.
Электростатический заряд.
Электронный разряд.
Ультрафиолетовое и радиационное
облучение
Отмывка растворителями. Сушка.
Высокотемпературная обработка
Аппретирование (защита поверхности
с одновременной активацией)

15.

Модификация волокон
Способы окисления углеродных волокон:
- воздухом или озоном при 500-600 С, что
позволяет в 2 раза увеличить прочность
углепластика при сдвиге;
азотной
кислотой,
увеличивающей
прочность углепластика при сдвиге в
2-3 раза, но несколько снижающей его
прочность при растяжении;
- щелочью (NaOH), также увеличивающей
прочность углепластика при сдвиге, но
заметно снижающей
прочность при
растяжении.

16.

Модификация волокон
До окисления
После окисления
Характеристики шероховатости УВ
До
термоокисления
После
Изменение
термоокисления характеристик,%
Среднеарифметическое отклонение профиля,
нм Ra
109,7 ± 15
87,5 ± 10
20
Наибольшая высота выступов профиля, нм Rmax
Наибольшая высота впадин профиля, нм Rmin
Максимальное значение перепада высот, нм Ry
254,2 ± 30
-210,1 ± 20
464,3 ± 35
213,8 ± 20
-156,4 ± 15
369,4 ± 35
16
26
20

17.

Модификация волокон
Марка
углеродного
наполнителя
Прочность УВ
при
растяжении,
МПа
Rа
нм
AS-4
до окисления
AS-4
после
окисления
4250±200
109 ±10
5100±250
87,5 ±7
NКМ×10-17,
спин/см3
Прочность ПКМ при,
МПа
Растяжении
1,6 ±0,5
Межслойном
сдвиге
46 ±3
2,1 ±0,6
60,6 ± 4
2130 ± 22
1950 ± 20

18.

Модификация полимеров
Тиксотропные добавки вводят в олигомеры, если требуется придать им
способность удерживаться на вертикальной поверхности и не стекать с
нее.
Самые распространенные тиксотропные добавки: аэросил (коллоидная
SiO2), бентонит (тонко измельченный оксид алюминия), силикат
алюминия.
Тиксотропные добавки, такие как аэросил, снижают эластичность и
ухудшают теплостойкость.
В США используют жидкие тиксотропные добавки, которые
представляют собой соединения цинка или кальция под общим
торговым названием Ircogel. В отличие от аэросила, их введение не
приводит к увеличению вязкости.

19.

Модификация полимеров

20.

Модификация полимеров
Антипирены: соединения бора; фосфора; смеси солей неорганических кислот;
сульфаты и карбонаты аммония; оксиды и гидроксиды металлов (Mg(OH)2,
Al(OH)3.
Чем выше дисперсность антипиренов, тем более они эффективны.
Стадии горения
Зоны полимера при горении
1. Зажигание;
1. Зона прогрева;
2. Распространение
пламени;
2. Зона химических
превращений;
3. Собственно горение;
3. Подпламенная зона;
4. Дымообразование;
4. Пламя;
5. Срыв пламени.
5. Зона продуктов реакции.

21.

Наномодификаторы
Нанокомпозит
Полимерная матрица
Наномодификаторы
Изменение кинетики полимеризации (увеличение или
замедление скорости реакций)
Изменение кинетики кристаллизации (увеличение скорости
зародышеобразования, уменьшение степени кристалличности)
Изменение скорости структурной релаксации
Изменение характеристик

22.

Наномодификаторы
«Нанонаполнители»: наноразмерные формы углерода
(нанотрубки, фуллерены, графен и др.), нанодисперсные глины и
порошки и др.
Углеродные нанотрубки
Наноглины
Фуллерены
SiO2
Неорганические наночастицы
(металлы, оксиды и т.д.)

23.

Наномодификаторы
Фуллерены и углеродные нанотрубки

24.

Смешиваются
Наномодификаторы
Радиус
частиц
Не
смешиваются
Модификация полимерной матрицы наночастицами
является эффективной при условии:
1) наночастицы должны иметь узкое распределение
по размерам;
2) Типичные (линейные) размеры наночастиц и
средние расстояния между наночастицами,
диспергированными в полимерной матрице, не
должны сильно отличаться от радиуса инерции
макромолекул;
3) Взаимодействие между наночастицей и полимерной матрицей должно быть «оптимальным»,
для того, чтобы обеспечить саму возможность диспергирования наночастиц, а также
последующую их иммобилизацию в полимерной матрице для предотвращения агрегации
наночастиц при обработке или хранении материала.

25.

Наномодификаторы
Недостатки данного
способа введения:
• Использование ультразвукового диспергирования
олигомера
• Неравномерное распределение мощности
ультразвука по объему
Классические методы введения УНТ:
а) – введение частиц в олигомер, диспергирование с
последующим введением отвердителя;
б) – введение частиц и отвердителя в олигомер с последующим
диспергированием

26.

Наномодификаторы
Наночастицы, наряду с армирующим действием, существенно влияют на
процесс образования химических сеток в олигомерах.
В условиях недостаточных
для полного отверждения
системы (малая температура
отверждения, недостаток
отвердителя) наличие
наночастиц приводит к
ухудшению характеристик.
В условиях достаточных для
полного протекания
реакции отверждения, в
присутствии наночастиц,
формируются сетки более
«подвижные» и склонные к
релаксации.

27.

Наномодификаторы
Чем выше содержание УНТ, тем больше усадка после
отверждения (1 – без УНТ; 2 и 3 с УНТ)

28.

Наномодификаторы
Температурные зависимости динамического модуля упругости
при связующего ЭДТ-10 без УНТ (1) и содержащего 0,1 (2),
0,2 (3) и 0,4 (4) % С60.

29.

Наномодификаторы
Прочность,
МПа
Удлинение,
%
Ударная
вязкость,
кДж/м2
93
4,2
18
75
2,9
12
В случае достижения оптимального баланса
между узлами физической и химической сеток
наблюдается увеличение физико-механических
характеристик :
- прочность на 25%;
- удлинение на 40%;
- ударная вязкость на 50%.

30.

Наномодификаторы
Увеличение теплостойкости конструкционных связующих
Термомеханические кривые систем

31.

Наномодификаторы
Если в исходном композите преобладает
адгезионный характер разрушения по границе волокно-матрица, то при
модификации УНТ разрушение становится когезионным

32.

Спасибо
за внимание!