Введение к работе
0^
Актуальность работы. Стремление к уменьшению габаритов и массы, удешевлению и повышению эффективности механических приводов, датчиков и различного рода деталей в таких областях техники, как микромеханика, робототехника, строительство, медицина, авиастроение и др., дало мощный импульс разработке и внедрению материалов, проявляющих высокую чувствительность к физическим полям различной природы и способных запрограммировано реагировать на внешнее воздействие. В настоящее время за рубежом (США, Японии и Европе) ведутся многочисленные исследования, в которых особое внимание уделяется поиску новых перспективных материалов, способных проявлять различные физические эффект, связанные с изменением геометрии или свойств при внешнем воздействии. К сожалению, исследования отечественных ученых сконцентрированы на уже хорошо известных биметаллах, пьезоэлектриках и материалах с памятью формы, широкое применение которых ограничивается довольно высокой стоимостью и сложностью технологий их изготовления.
Проведенный нами анализ поведения полимерных волокнистых композиционных материалов (ПВКМ) в условиях действия переменных температурных полей показал, что некоторые ПВКМ термочувствительны, недороги, а детали из них могут быть изготовлены простыми технологическими способами. Развиваемые в ПВКМ при изменении температуры термические напряжения вызывают в них значительные деформации, для предотвращения появления которых необходимо приложение больших внешних усилий.
Таким образом, некоторые ПВКМ могут быть применены в качестве чувствительных и активных материалов для датчиков температуры и, главным образом, механических активаторов. Однако, сведения о температурных деформационно-силовых характеристиках различных структур из ПВКМ и методиках их расчета довольно скупы и сводятся в основном к решению задач по снижению в деталях, изготовленных из них, термических напряжений. Самостоятельное же применение ПВКМ в качестве основного материала датчиков
| рос. национальная"»
температуры и механических активаторов в современной научной литературе не рассматривается.
В связи с этим представляется весьма актуальными исследования, направленные на установления влияния состава, структуры и схемы армирования ПВКМ, на величину и направленность деформаций и генерируемых ими при изменении температуры удельных сил. Полученные данные позволят обоснованно разрабатывать термочувствительные ПВКМ с заданными характеристиками для различных условий эксплуатации, будут способствовать повышению доступности их на предприятиях России вместо аналогов из других материалов.
Цель работы. Исследование влияния состава, структуры и схемы армирования ПВКМ на величину и направленность деформаций и генерируемых ими при изменении температуры сил, и разработка на этой основе термочувствительных материалов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
среди многообразия структур ПВКМ выбрать такие, которые при изменении температуры проявляют значительные деформации;
разработать математические модели, описывающие взаимосвязь величины деформации термочувствительных ПВКМ, возникающих при изменении температуры, с его составом (соотношением матрицы и наполнителя), типом и степенью анизотропии и материальными характеристиками компонентов (ТКЛР, модуль упругости, коэффициент Пуассона);
с помощью математических моделей определить такие материальные, структурные и пространственные характеристики термочувствительных ПВКМ, при которых они проявляют максимальные деформационно-силовые характеристики;
провести экспериментальную проверку адекватности разработанных математических моделей и апробировать их при создании ПВКМ для сенсоров и активаторов с требуемым уровнем деформационно-силовых характеристик.
Научная новизна заключается в следующем-
разработаны анизотропные полимерные волокнистые структуры, которые при изменении температуры способны генерировать значительные перемещения и силы Среди них неуравновешенные ортотропные пластины (ТБП), материалы с цилиндрической анизотропией ТУС (ЦАТУС) и материалы, армированные кручеными волокнистыми структурами (ЛКС);
разработаны физические и математические модели выбранных термочувствительных ПВКМ, связывающие между собой их материальные и геометрические характеристики с проявляемыми при изменении температуры деформациями и напряжениями. Эти модели позволяют расчетным путем оптимизировать состав, структуру и пространственную ориентацию наполнителя в термочувствительных ПВКМ Различия количественных значений теоретических и экспериментальных данных не превышает 10%;
установлено, что термочувствительные ПВКМ, изготовленные на основе стеклянных, углеродных и арамидных волокон, сочетаемых с термопластичными (полиэтилентерефталат, полисульфон) и термореактивными (полиэфир, полиэпоксид, полиимид) связующими, сохраняют стабильные обратимые деформационно-силовые характеристики до температур нагрева не превышающих температуру стеклования (Тс) матричной фазы
Практическая значимость работы. Разработаны структуры ПВКМ. проявляющие при изменении температуры перемещения и силы, достаточные для изготовления іермочувствительньїх элементов, способных выполнять функции сенсоров и механических активаторов.
Разработана методика теоретической оптимизации материальных и пространственных характеристик термочувствительных ПВКМ, в основе которой лежат физические и математические модели элементов.
Предложена методика расчета деформационных и силовых характерней^' термочувствительных ПВКМ, позволяющая сравнивать эти значения с аналогичными значениями для других материалов, чувствительных к другим полям.
Представленные результаты были получены при выполнении в 1999-2005 г і научно-практических работ на темы- «Поисковые исследования по разработке научных основ создания «интеллектуальных» материалов и конструкций » (Договор №1095 от 25.11.1999г.) и «Поисковые исследования по разработке научных основ создания композиционных интеллектуальных высокопрочных конструкционных и функциональных материалов...» (Госконтракт №1439), выполняемые по Постановлению правительства РФ №440-3 от 17.04.1999г и №-876-48 от 30.12.2004г.
Термочувствительные элементы в виде колец прошли апробацию с положительным эффектом в ФГУП «ГНПП «Темп». По результатам апробации получено заключение о целесообразности использования разработанных термочувствительных ПВКМ в производстве изделий различного назначения.
Апробация работы: Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на международных конференциях «ТПКММ» (Москва, МГУ, 2003. 2005гг.); на Российской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» (Москва, 2002, 2004гт.); на Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005гг.)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 33 таблицы, 98 рисунков и состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы из 84 наименований и приложения
Автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук, профессору Бухарову Сергею Викторовичу и доктору технических наук, профессору Гончаренко Виктору Алексеевичу за ценные консультации при выполнении диссертационной работы.
