Ионно-лучевая обработка ПЭ волокон и механические характеристики полимерных композитов на их основе

А.Н. Аношкин (Пермь), Н.В. Гаврилов  (Екатеринбург),  А.Ю. Гордеева,  В.А. Огородников,  Д.Э. Якушева, Р.М. Якушев  (Пермь)

ПЭ волокна, получаемые методом гель-технологии, обладают высокими удельными механическими характеристиками и представляются весьма перспективным армирующим материалом для полимерных композитов. Однако традиционные, например, эпоксидные связующие имеют низкую адгезию к ПЭ волокну, поэтому механические характеристики армированных пластиков на их основе не достигают потенциально возможного высокого уровня. Для повышения межфазного взаимодействия применяют различные методы химической и физической модификации контактирующих фаз. В данной работе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния ионно-лучевой обработки ПЭ волокон на адгезию  к олигомерным связующим и механические свойства композитов на их основе. Образцы ПЭ волокон в виде тканого материала обрабатывались с обеих сторон пучком ионов азота с энергией 30 кэВ. Доза облучения составляла 1014-1016 ион/см2. Спектральный анализ облученных волокон показал, что на их поверхности образуются ненасыщенные и кислородсодержащие функциональные группы. Электронно-микроскопический анализ свидетельствует о когезионном характере разрушения на границе волокно - матрица в случае облученных волокон. Механические испытания на расслоение ПЭ ткани с различными адгезивами показали, что даже при незначительной дозе облучения волокна наблюдается повышение разрушающего напряжения в 1,5 – 2 раза. Суммируя полученные результаты, можно сделать вывод о том,  что ионно-лучевая обработка ПЭ волокна способствует повышению межфазного взаимодействия между волокном и связующим за счет образования химических связей на границе раздела фаз.

Для прогнозирования механических характеристик пластиков с ПЭ волокнами использовалась структурно-феноменологическая модель. Рассматривались пластики с однонаправленной схемой армирования. Напряжения и деформации в матрице и волокнах композита при поперечном нагружении и сдвиге определялись из решения задачи микромеханики методом локального приближения. Условия нагружения на границе фрагмента задавались таким образом, чтобы напряжения, осредненные по центральной ячейке фрагмента, равнялись заданным макроскопическим. В результате осреднения полученных структурных полей напряжений и деформаций построены диаграммы деформирования и получены оценки пределов прочности композита при продольном и поперечном растяжении и сдвиге. Проведен анализ влияния адгезионной прочности между волокном и матрицей на механические свойства композита.