Теоретико-экспериментальное исследование влияния изменений параметров межфазной зоны отвержденного полимерного композиционного материала под действием микроволнового излучения на его прочностные характеристики
Приведены результаты расчета эффективного модуля сдвига и эффективного объемного модуля упругости полимерных композиционных материалов (ПКМ), армированных волокнами с использованием метода конечных элементов. Показано, что значение указанных параметров в основном определяется неоднородностью и относительной толщиной межфазного слоя (МФС) «волокно-матрица». При этом увеличение относительной толщины МФС практически не влияет на указанные параметры в случае монолитности его структуры. Наличие дефектов в виде пор приводит к снижению как модуля сдвига, так и объемного модуля. Пористость влияет на уменьшение указанных параметров в большей степени, чем толщина МФС: увеличение относительной толщины слоя в 2 раза при пористости 25% приводит к снижению модулей упругости на (9-10)%, в тоже время при пористости 75% аналогичное увеличение толщины МФС снижение модулей упругости на 79%. Установлено, что при одном и том же значении объема дефектов (пор) уменьшение их размеров приводит к увеличению прочности МФС, выражающемся в росте модуля сдвига на (14,6-23)% в зависимости от толщины при практически неизменной величине объемного модуля. Исследование методами электронной микроскопии при увеличении х5000 микроструктуры полимерных композиционных материалов в области МФС после их взаимодействия с СВЧ электромагнитным полем частотой 2450 МГц в течение 2 минут выявило повышение плотности структуры матрицы и межфазного слоя. Пористость в МФС уменьшилась на (45-47)% при одновременном уменьшении размеров пор на 80-83%, размеры агломератов матрицы уменьшились на 23%, а их количество возросло на 15%. Указанные факты могут способствовать улучшению адгезионного взаимодействия волокон с матрицей. Методом конечных элементов выполнены расчеты модуля сдвига и объемного модуля с учетом определенных в эксперименте изменений микроструктуры МФС, показавшие увеличение указанных параметров ПКМ после воздействия СВЧ электромагнитного поля на (14-20)%, что удовлетворительно согласуется с полученными ранее результатами по увеличению прочности ПКМ при испытаниях на изгиб - (11-16)%, срез - (13-21)% и межслоевой сдвиг - (14-15)%. Выявленное изменение микроструктуры МФС, проявляющееся в снижении его пористости и увеличении точек контактного взаимодействия за счет роста количества мелкодисперсных агломератов, может быть предложено в качестве одного из механизмов повышения прочности отвержденных полимерных композиционных материалов после воздействия СВЧ электромагнитного поля.