авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Реология и механика электроуправляемых наносуспензий на основе полиимидов

На правах рукописи

Семенов Николай Александрович

РЕОЛОГИЯ И МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОУПРАВЛЯЕМЫХ НАНОСУСПЕНЗИЙ НА

ОСНОВЕ ПОЛИИМИДОВ

Специальность 01.02.05 — Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте прикладной механики РАН (ИПРИМ РАН).

доктор технических наук, профессор

Научный руководитель:

Яновский Юрий Григорьевич

Официальные оппоненты: Вахрушев Александр Васильевич доктор физико-математических наук, профессор, Институт механики УрО РАН, заведующий лабораторией.

Пшеничников Александр Федорович, доктор физико-математических наук, профессор, Институт механики сплошных сред УрО РАН, заведующий лабораторией динамики дисперсных систем.

Федеральное государственное бюджетное

Ведущая организация:

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)»

Защита диссертации состоится “” _2013 года в часов на заседании диссертационного совета ДМ 004.013.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте механики Уральского отделения Российской академии наук по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института механики Уральского отделения Российской академии наук

Автореферат разослан “” мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Королева Мария Равилевна

Общая характеристика работы

Актуальность темы: электрореологические суспензии (ЭРС) относятся к числу, так называемых, «умных материалов», реологические и механические свойства которых (вязкость, предел текучести, модуль сдвига, и др.) могут резко изменяться под воздействием прикладываемого внешнего электрического поля. Поскольку указанные трансформации происходят в течение миллисекунд и обратимы, а среда при наложении электрического поля, от маловязкой и жидкотекучей субстанции способна проявлять свойства вязкопластичного объекта, подобные материалы перспективны с практической точки зрения. ЭР суспензии могут использоваться в качестве рабочих тел в электрически управляемых механических передаточных устройствах – демпферы с электрическим контролем, электромагнитные муфты, различные устройства виброзащиты и др. Они широко востребованы в космической технике, биомеханике, биомедицине и т.д.

Разработка принципов и методологии получения нового поколения электроуправляемых реологических материалов и суспензий с наноразмерной дисперсной фазой на их основе, исследование их электрофизических, физико химических и реологических свойств, а также моделирование их поведения в условиях близких к практическим задачам является важной и актуальной научной задачей.

Целью настоящего исследования является создание нового поколения ЭР суспензий с улучшенными технологическими, реологическими свойствами и сильновыраженным электрореологическим откликом на основе наноразмерной полимерной дисперсной фазы.

Основными этапами работы является химический синтез выбранного материала твердой фазы, его аттестация, и проведение широкомасштабных исследований его физико-химических, электрофизических, реологических и электрореологических свойств, аппроксимация полученных реологических и электрореологических характеристик в зависимости от параметров деформирования, подбор кинематической модели для описания гистерезисных эффектов в рамках циклического нестационарного нагружения.

Научная новизна работы: впервые получены и охарактеризованы (в режимах установившегося сдвигового течения и динамического периодического деформирования) электрореологические свойства нового поколения ЭР суспензий с дисперсной фазой на основе наноразмерных частиц полиимида.

Исследованы физико-химические и электрофизические свойства частиц полиимида – дисперсной фазы ЭРС – различной химической структуры.

Определен оптимальный химический состав дисперсной фазы ЭРС на основе наноразмерных частиц полиимида, проявляющий наиболее ярко выраженные ЭР свойства.

Установлено, что ЭРС, полученные на основе наноразмерных частиц полиимидов, обладают мощным электрореологическим откликом в десятки раз превышающим электрореологический эффект ЭРС на основе микроразмерных частиц дисперсной фазы – например, оксида титана и крахмала.

Установлено влияние температуры на изменение реологических и электрореологических свойств ЭР суспензий на основе наноразмерного полиимида в постоянных электрических полях.

Предложена кинематическая модель реологического поведения электроуправляемых суспензий в условиях нестационарного циклического нагружения, учитывающая гистерезисные явления в ЭР средах.

Практическая значимость работы:

предложена технология синтеза и получения нано дисперсных частиц полиимидов для их дальнейшего использования в качестве дисперсной фазы в ЭРС;

разработаны оригинальные компонентные составы нового поколения ЭРС;

разработаны оригинальные составы нового поколения электрореологических суспензий с дисперсной фазой на основе наноразмерных частиц полиимидов, способных изменять свои реологические свойства под действием электрического поля различной напряженности в десятки раз, что придает им свойства высокоэффективных электроуправляемых материалов;

слабая зависимость от температуры ЭРС вплоть до 80°С, что открывает перспективы ее применения в устройствах с повышенными требованиями к температуре;

предложенная общая кинематическая модель для описания гистерезиса в электрореологических устройствах с рабочими телами на основе ЭРС, которая может быть использована в реальных механических демпферах, стабилизаторах и т.д.

Личный вклад автора: участие в синтезе полиимидов, анализ физико химических и электрофизических свойств полученных материалов;

исследования реологических и электрореологических свойств;

математическая аппроксимация реологических и электрореологических кривых течения, наработка экспериментальных данных для построения кинематической модели;

оптическая микроскопия. Обсуждение результатов проведено автором при участии научного руководителя и соавторов публикаций.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на следующих конференциях: Всероссийская конференция «Механика и наномеханика структурносложных и гетерогенных сред. Успехи, проблемы, перспективы» (Москва, 2009);

международная школа молодых ученых и специалистов «Механика неоднородных жидкостей в полях внешних сил» (Москва, 2010);

конференция молодых ученых с международным участием «Современные проблемы науки о полимерах» (Санкт-Петербург, 2011);

международный конкурс научных работ молодых ученых «Второй международный форум по нанотехнологиям Роснанотех 2009» (Москва, 2009);

Всероссийский симпозиум «Механика композиционных материалов и конструкций» (Москва, 2012);

Всероссийский симпозиум «Механика композиционных материалов и конструкций» (Москва, 2010);

19 симпозиум «Проблемы шин и резинокордных композитов» (Москва, 2008);

20 симпозиум «Проблемы шин и резинокордных композитов» (Москва, 2009).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 10 работ, 4 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК.

Основное содержание работы

Первая глава посвящена описанию современного состояния проблемы в области электрореологии. Отдельные подразделы включают рассмотрение составов перспективных электрореологических жидкостей: дисперсных фаз, дисперсионных сред, поверхностно-активных веществ, активаторов и добавок, исследовано современное понятие электрореологического эффекта, некоторые положения реологии, физические модели электрореологии и возможные применения электрореологических жидкостей в различных видах устройств.

Так же описываются результаты квантово-механического моделирования электрореологического эффекта для суспензий на основе полиимида.

Во второй главе представлена экспериментальная часть, которая включает в себя описание синтеза полиимидов с различным мономерным составом, физико химический анализ, данные микроскопии, и методики реологических испытаний.

Были синтезированы образцы полиимидов с разным мономерным составом (таблица 1). Инфракрасная спектроскопия показала соответствие полученных веществ ожидаемым. Физико-химический анализ полученных частиц полиимида проводили, используя стандартные методики.

Таблица 1 - Мономерный состав синтезированных образцов Реагенты СП-11 СП-12 СП-13 СП19 СП20 СП21 СП25 СП26 СП Амины 4,4’-(9-Флуоренилиден)-дианилин 2.4,4’-Оксидианилин N,N-диэтил-п-фенилендиамин Ангидриды Пиромеллитовый ангидрид 3,3’,4,4’-Дифенилтетракарбоновый диангидрид Электронно-микроскопические снимки порошка полиимида приведены на рисунке 1. Частицы порошка имеют округлую форму, их размер около 20нм, частицы объединены в агрегаты размером около 100нм.

а) б) Рисунок 1 - Электронная фотография частиц полиимида СП-20 а);

распределение частиц по размерам б) Изображения, полученные с электронного микроскопа, были обработаны при помощи специального программного пакета SPIP. На рисунке 1 изображена диаграмма распределения частиц по размерам. Тип распределения бимодальный, существует два пика 20нм и 90нм, что соответствует отдельным частицам и их агломератам. Для сравнения на рисунке 2 представлены данные электронной микроскопии для порошков полиимида СП-11, СП-12, СП-13, изображения а, б, в соответственно. Видно, что размеры этих порошков значительно больше, чем у СП 20. Более того, отчетливо наблюдаются агрегаты микронных размеров. Результаты измерения размеров частиц приведены в таблице 2.

а) б) в) Рисунок 2 - Данные электронной микроскопии для образцов полиимидов:

а) СП-11;

б) СП-12;

в) СП- По соотношению Su, 1) Dr можно рассчитать удельную поверхность частиц. Зависимость удельной поверхности от значения касательного напряжения, при скорости сдвига 27с-1, показаны на рисунке 3.

– 0, – 2.5, – 3.5. – 0, – 2.5, – 3.5.

Рисунок 3 - Зависимость среднего размера частиц и удельной поверхности частиц от касательных напряжений, при скорости сдвига 27с- Размер и дзета потенциал частиц диспергированных в ПМС оценивался по методу динамического рассевания света на приборе Zetasizer nano. Результаты приведены в таблице 2.

Зависимости дзета потенциала от касательных напряжений, при скорости - 27с, показаны на рисунке 4.

Реологические испытания проводили на одном из современных типов реовискозиметров – Rheostress RS-150 (HAAKE, Германия).

Таблица 2 - Результаты измерения размеров частиц и дзета потенциала Su0 м2/г, мВ Па, Образе Размер Па, Па, ц частиц, D, нм 3.5кВ/мм 0кВ/мм 2,5кВ/мм СП-11 1100 3,843 -12,9 10,82 11,03 10, СП-12 800 5,28 1,1 11,33 13,57 11, СП-13 360 11,74 - 11,73 23,47 31, СП-20 20 211,27 140 11,61 58,11 87, – 0, – 2.5, – 3.5.

Рисунок 4 - Зависимость потенциала от касательных напряжений при скорости сдвига 27с- В данном исследовании электрореологические испытания проводили на рабочем узле плоскость-плоскость. В связи с требованиями к равномерности зазора между пластинами расстояние между ними тщательно тарируется и составляет 1 мм. Этим обеспечивается высокая однородность электрического поля и возможность наложения на зазор высоких напряжений. Схема измерительной электрореологической ячейки приведена на рисунке 5.

Электрореологические эксперименты проводили в режимах установившихся сдвиговых деформаций и в динамических режимах испытаний, при изменении напряжений электрического поля в диапазоне от 0 до 3,5кВ/мм. При этом в первом случае испытания проводились в двух режимах – при изменении скоростей сдвига от 1 до 300с-1 и при постоянной скорости сдвига равной 27с-1 и 12с-1. В динамическом режиме испытания проводились в диапазоне изменения частоты от 0,1 до 102Гц, а также при постоянной частоте 1Гц и относительных амплитудах деформирования 0, и 1.

Скорость сдвига в устройствах вида плоскость-плоскость определяется как 2) 2 Rn, 60h где R – внешний радиус пластины, h – зазор между пластинами, n – частота вращения ротора.

Напряжение сдвига на внешнем крае плоскости пропорционально крутящему моменту Md и геометрическому коэффициенту A 3) Md A,, R-внешний радиус пластины где A R Для жидкостей характеризуемых неньютоновским характером течения, напряжение сдвига корректируется по формуле Вайсенберга:

4) 3n ), M d A( Рисунок 5 - Измерительная ячейка вискозиметра:

1 – изолирующая керамическая ось, 2 – подшипник на который подается электрический ток, 3 – проводящая металлическая ось, 4 – верхний вращающийся электрод-пластина, 5 – образец электрореологической жидкости, 6 – нижний стационарный электрод-пластина.

Полученные в результате синтеза порошки полиимидов использовали в качестве дисперсной фазы ЭР суспензий. В качестве дисперсионной среды был взят полиметилсилоксан (ПМС-400) с плотностью 0,95г/см3 и =4. ЭР жидкости готовили весовым методом, с содержанием твердой фазы 5%, 10% и 15%.

Все измерения электрореологического эффекта проводили при температуре 25±5 оС.

В третьей главе представлены результаты реологических экспериментов и их обсуждение. Среди 9-ти наработанных в ходе химического синтеза опытных партий образцов полиамидов (см. таблицу 2) в ходе предварительной «тестовой» оценки предстояло выбрать несколько объектов с оптимальными (ярко выраженными) электрореологическими эффектами. Эти эффекты, в частности, можно фиксировать по электрореологическому отклику – зависимости касательных напряжений от напряжения электрического поля при нескольких постоянных значениях скорости сдвига. Для подобных тестовых испытаний были приготовлены образцы с 5 масс.% концентрацией полиимидов в ПМС-400, на которых проводили реологические оценки в режиме постоянной скорости сдвига при значениях - 12с-1 и 27с-1. Полученные в ходе подобных испытаний результаты представлены на рисунке 6.

Из диаграмм видно, что у 4-х образцов – СП-19, СП-20, СП-26 и СП-27 – при повышении напряжения электрического поля существенно изменяются и вязкость и напряжения сдвига. Однако, наиболее сильно электрореологический эффект выражен у образцов СП-20 и СП-27 (см. таблицу 1), поэтому с учетом проведенных тестовых испытаний для дальнейших широкомасштабных электрореологических экспериментов были выбраны именно эти объекты.

Для сопоставления величин электрореологического эффекта ЭРС на основе полиимидов были проведены исследования ЭРС, традиционно обсуждаемых в литературе с микроразмерной дисперсной фазой на основе оксида титана и крахмала.

Эти образцы ЭРС были приготовлены с концентрациями дисперсной фазы 10 масс.% и 30 масс.% соответственно, а дисперсионной средой также являлась полиметилсилоксановая жидкость ПМС-400.

Как отмечалось выше, в ходе реологических исследований при установившемся сдвиговом течении проводилось два типа испытаний – при варьировании скорости сдвига и при фиксированной постоянной скорости сдвига. Серия образцов полиимида СП-20 имела следующий химический состав: 4,4’-(9-Флуоренилиден) дианилин и пиромеллитовый ангидрид (см. таблицу 1).

На образцах СП-20 были проведены эксперименты в режиме установившегося сдвигового деформирования, при варьировании скорости сдвига от 1 до 300 с-1, а также испытания с постоянной скоростью сдвига (12с-1 и 27с-1) при длительности деформирования в течение 300 секунд.

Рисунок 6 - Диаграммы тестовых испытаний.

Значения касательных напряжений при постоянных скоростях сдвига 12с-1 и 27с-1 для 5 масс.% суспензий различных типов полиимидов Зависимости касательных напряжений от скорости сдвига, полученные в ходе этих испытаний для ЭРС СП-20, представлены на рисунке 7. Как видно из зависимостей ( ) (кривые течения) в отсутствии электрического поля в изученном диапазоне скоростей сдвига ЭРС СП-20 ведет себя практически как среда со слабо выраженными неньютоновскими свойствами. Ее поведение приближенно можно аппроксимировать степенным законом типа n, 5) где и n параметры, величины которых определяются свойствами среды. Для всех получаемых экспериментально реологических кривых ( ) рассматривали различные аппроксимирующие соотношения – линейные, степенные, полиномиальные которые представлены в таблице 3. Все они приближенно с погрешностью 10-20% хорошо описывают экспериментальные зависимости ( ).

Однако, конкретный вид аппроксимационной зависимости будет целесообразно выбрать на дальнейших этапах работы, на стадии разработки алгоритмов управления электрореологическими свойствами среды применительно к конкретному инженерному устройству (демпфер, амортизатор, стабилизатор и т.п.).

Для сравнения величин электрореологического эффекта для 5 и 10 масс.% суспензии полиимида СП-20 (рисунок 7) сопоставляли значения касательных напряжений при постоянных скоростях сдвига 12 и 27 с-1.

Следует отметить резко выраженный ЭР эффект для суспензии СП-20 с содержанием полиимида 10 масс.%, сопровождающийся повышением напряжения сдвига с 10 Па до 60 Па уже при 2,5 кВ и до 100 Па при 3,5 кВ.

Рисунок 7 - Зависимости касательных напряжений от скорости сдвига для образцов полиимида СП-20: концентрация дисперсной фазы образца 5 а), 10 масс.% б), температура ~298К Видно, что при повышении величин электрического напряжения и концентрациях дисперсной фазы 5 и 10 масс.% в суспензиях в исследованном диапазоне режимов деформирования наблюдается эффект структурирования, который проявляется в интенсивности изменения (повышения) напряжения сдвига или вязкости среды по сравнению с параметрами измеренными в отсутствии напряжения.

Также видно, что для 10 масс.% суспензии полиимида ЭР эффект выражен более ярко. Вероятно, это связано с особенностями структуры СП-20. При концентрации полиимида 10 масс.% в среде образуются более прочные и развитые структуры. Это предположение подтверждается результатами визуализации процесса структурирования с помощью оптического микроскопа (увеличение до 1500Х). Для проведения подобных экспериментов было сконструировано специальное устройство в виде плоского конденсатора с одной прозрачной стенкой. Между стенками конденсатора помещалась исследуемая ЭРС. При наложении электрического поля в среде начинают происходить процессы структурообразования – образуются вертикальные тяжи, что четко фиксируется встроенной в микроскоп кинокамерой.

Интерес представляет сопоставление данных теоретических предсказаний с экспериментально полученными на реовискозиметре RS-150.

В таблице 3 представлены численные значения сравниваемых реологических параметров, которые нормировали к их начальным значениям в отсутствие электрического тока.

Как следует из полученных результатов, при 2,5 кВ наблюдается качественное отличие предсказываемых теоретически и экспериментально определенных значений реологических параметров. Это может быть связанно с мгновенным формированием объемной структуры в системе в экспериментах при наложении электрического поля, в то время как в КМ вычислениях процесс структурирования моделируется пошагово, т.е. электрическое напряжение и деформация растут постепенно ступенчато.

Таблица 3 - Сопоставление данных теоретических предсказаний с экспериментально полученными данными.

Относительное Относительное изменение изменение Теоритические(КМ) модулей экспериментальные напряжений Напряженность значения модуля упругости, при значения сдвига, при электрического упругости при наложении напряжения сдвига, наложении поля сдвиге, GE, ГПа электрического E, Па электрического поля и без поля и без поля, поля, GE/G0 E/ 0 кВ 0,8 1 16,35 2,5 кВ 4 5 255,15 15, 3,5 кВ 17 21,25 339,33 20, Динамические испытания проводили в условиях контролируемого малоамплитудного периодического деформирования (0) в диапазоне частот деформирования от 0,1 до 10 Гц. Подобные режимы не вызывают разрушения внутренней структуры среды (отсутствует механодеструкция) и отвечают условиям геометрически линейной области деформирования.

По результатам динамических испытаний образцов СП-20 с концентрацией 5 и 10 масс.%, проведенных при постоянных относительной амплитуде деформации 1,0 и частоте 1 Гц, были представлены диаграммы соответствующих значений динамических характеристик (рисунок 8).

Отметим, что линейность проводимых в широком диапазоне частот динамических измерений проверялась в экспериментах с варьированием относительных амплитуд деформации в пределах от 0,1 до 1,0, в ходе которых были подтверждена стабильность получаемых динамических характеристик и их независимость от величины прикладываемых амплитуд деформирования.

Для оценки и сравнения электрореологических характеристик ЭРС с дисперсными фазами различных размеров (нано- и микро) были проведены дополнительные электрореологические эксперименты образцов ЭРС, в частности, на основе микроразмерных частиц оксида титана и крахмала. Анализировались ЭРС на основе 10 масс.% суспензии оксида титана и 30 масс.% суспензии крахмала в полиметилсилоксане (ПМС-400).

Эксперименты проводились в динамическом режиме деформирования (периодическое малоамплитудное синусоидальное деформирование) с относительной амплитудой деформации 1,0 и частотой 1 Гц. Продолжительность воздействия на образцы синусоидального деформирования в каждом эксперименте составляла 300 секунд. Измерялись динамические модули упругости G' и потерь G'' и тангенс угла механических потерь.

Из диаграмм, приведенных на рисунке 9 видно, что при приложении электрического напряжение величина G' для суспензии с дисперсной фазой оксида титана увеличивается в 2 раза, для ЭРС на основе крахмала в 10 раз, в то время как для суспензии полиимида – в 46 раз. Это свидетельствует о более высоком электрореологическом эффекте в ЭРС с наноразмерной полимерной дисперсной фазой и, как следствие, значительно более высокой прочности структуры полиимидов при приложении эквивалентных значений электрических напряжений.

Рисунок 8 - Диаграммы значений G' а) и G'' б) полученные для 5 и 10 масс.% ЭРС с дисперсной фазой на основе полиимида СП-20 при относительных амплитудах периодического деформирования 0,1-1 и частоте 1 Гц (температура 298К).

Значительный интерес представляет анализ структуры ЭРС, сформированной в электрических полях. Подобные оценки были проведены с использованием оптической микроскопии (см. рисунок 10).

Из рисунка 10 видно, что образец СП-20 в отсутствие электрического поля представляет собой равномерно диспергированную суспензию, с достаточно мелкими частицами твердой фазы. ЭРС СП-27 имеет более грубую структуру, с крупными агрегатами.

После приложения электрического поля частицы полиимида выстраиваются вдоль линий электрического поля, образуя нитеподобные структуры. Число таких структур на миллиметр анализируемого масштаба длины в поперечном направлении к электрическому полю для образца СП-20 равно 3, а для образца СП-27 – 6. Стоит отметить, что подобные структуры формируются уже при напряжении 2,5кВ и их количество не изменяется с увеличением напряжения до 3,5кВ.

В работе также была исследована и другая серия образцов ЭРС с дисперсной фазой на основе полиимида, а именно ЭРС СП-27. Это образец полиимида имел химический состав, в который входят 2,4,4’-Оксидианилин и 3,3’,4,4’ Дифенилтетракарбоновый диангидрид. Реологические свойства ЭРС СП-27 были изучены в тех же режимах деформирования, что и образцы СП-20.

Рисунок 9 - Сопоставление значений модулей упругости G' (а) и модулей потерь G'' (б) для ЭРС с различными дисперсными фазами на основе крахмала, полиимида и оксида титана(температура 298К).

Напряжение 0кВ 2,5кВ 3,5кВ поля СП- СП- Рисунок 10 - Микрофотографии полиимидов СП-20 и СП- при различных напряжениях поля.

На рисунке 11 представлены кривые течения (зависимости касательных напряжений от скорости сдвига) для ЭРС СП-27 с 5, 10 и 15 масс.% концентраций полиимида.

Из рисунков видно, что электрореологический эффект для образца ЭРС СП- увеличивается с ростом концентрации дисперсной фазы более чем в 10 раз.

Динамические испытания ЭРС СП-27 проводили при постоянной относительной амплитуде деформирования (1,0) при изменении частоты в диапазоне от 0,1 до Гц.

Рисунок 11 - Зависимости касательных напряжений от скорости сдвига для образцов ЭРС СП-27. Концентрация дисперсной фазы: а) 5, б) 10, в) 15 масс.% (температура ~298К).

На базе полученных данных были построены сравнительные значения динамических модулей упругости и контроль для образцов ЭРС СП-27 с различной концентрацией дисперсной фазы 5, 10 и 15 масс.% при частоте 1 ГЦ (рисунок 12).

Исследования влияния температуры на электрореологический эффект проводилось при 25, 45, 60 и 80 С для образцов ЭРС серии СП-27 10 масс.% при электрическом напряжении 2,5кВ деформирования фазы.

Первая серия экспериментов была проведена в режиме установившегося сдвигового деформирования при варьировании скорости сдвига от 10 до 200 с-1. По результатам этих измерений были построены зависимости касательных напряжений от скорости сдвига (рисунок 13).

Из графиков видно, что максимальные значения касательных напряжений наблюдаются при температуре 450С, а самые низкие значения при 800С.

Другая серия экспериментов проводилась при постоянной скоростью сдвига 12с и 27с-1 и длительности деформирования в течение 300 секунд.

- Для определения влияния среды на изменение реологических свойств суспензии было проведено сопоставление реологических характеристик при темпераутруе 25, 45, 60 и 80оС для ПМС-400 с данными для суспензии. Для улучшения визуализации приведем значения касательных напряжений к значениям полученным при комнатной температуре (25оС, рисунок 14).

Рисунок 12 - Диаграммы значений G’ а) и G” б) для 5, 10 и 15 масс.% полиимида при постоянной относительной амплитуде деформирования (1) и частоте(1 Гц).

Рисунок 13 - Кривые течения для 10% суспензии полиимида СП-27 при разных температурах 25оС( ), 40оС( ), 60оС( ) и 80оС( ) и напряжении электрического поля 2,5кВ В четвертой главе представлена кинематическая модель реологического поведения электрореологической суспензии. Математическое описание реологических свойств вязких сред, в том числе, суспензий с нано- и микроразмерной дисперсной фазой, представляет фундаментальный научный интерес. Прежде всего, это связано с их применением в различных технических устройствах. Например, использование в качестве дисперсной фазы электро- или магниточувствительных частиц даёт возможность управлять свойствами таких жидкостей (ЭРЖ или МРЖ) путем наложения соответствующих физических полей.

б) а) Рисунок 14 - Сопоставление приведенных касательных напряжений для ПМС-400 и суспензии СП-27 в электрическом поле 2,5кВ/мм при различных температурах и скорости сига 12с-1 а) и 27с-1 б) Предлагаемый метод позволяет одним дифференциальным уравнением описать множество зависимостей, имеющих произвольные точки «старта» текущего цикла и асимптотически подобных друг другу.

Метод заключается в использовании обыкновенного дифференциального уравнения первого порядка в виде df (q ) dq R( f, q ), устанавливающего реологическую зависимость f (q ). Правая часть этого уравнения R( f, q) подбирается из класса функций, обеспечивающих асимптотическое приближение решения к предельным кривым гистерезиса.

В дальнейшем будем ограничиваться исследованием кривой течения.

Для описания кривой течения при нестационарном и цикличном воздействии на среду предлагается обыкновенное дифференциальное уравнение первого порядка вида km d C i, j i1 j1 6) d i 1 j где – скорость сдвига, – напряжение сдвига;

коэффициенты Cij определяются методами приближения, минимизируя невязку аналитического представления d / d в виде правой части уравнения 6 к множеству значений d / d, полученных из экспериментов для предельного цикла. Числа k и m подбираются в результате простых численных экспериментов. Значения этих параметров определяют характер (скорость) асимптотического приближения решения с начальной точкой 0, 0 во внутренней или внешней окрестностях гистерезиса к кривой предельного цикла.

В опытах было выполнено около 11 циклов «нагрузки» и «разгрузки». По данным каждой группы была построена аналитическая аппроксимация в соответствии с уравнением 6.

На рисунке 15 собраны вместе кривые «нагрузки» и «разгрузки» для всех циклов. На левом рисунке а) показаны результаты экспериментальных исследований, на правом б) – результаты аналитического моделирования. Кривые «нагрузки» и «разгрузки» изображены соответственно сплошными и пунктирными линиями.

Предложенная методология позволяет построить модель непрерывного процесса. Для этого достаточно определить интервалы изменений скорости сдвига в соответствии с опытными данными и воспользоваться предложенной методологией на основе интегрирования уравнения 6. Результаты представлены на рисунке 16, где кривые «нагрузки» показаны сплошными линиями, кривые «разгрузки» – пунктирными.

Рисунок 15 - «Траектория» зависимостей для серии циклов «нагрузка-разгрузка»:

а) – экспериментальные кривые;

б) – кривые аналитической аппроксимации Рисунок 16 - Моделирование процесса течения при циклическом нагружении в соответствии с заданными интервалами скоростей сдвига Уравнение 6 имеет феноменологический смысл и описывает процесс физической связи между напряжением и скоростью сдвига. Поэтому оно определяет множества решений, зависящих от начальной точки и внешнего воздействия на систему.

Коэффициенты этого уравнения определяются по характерным кривым «разгрузки нагрузки», полученным в результате типовых экспериментов.

Основные результаты 1. Предложен новый тип электроуправляемых материалов – суспензий на основе наноразмерных частиц полиимидов и полиметилсилоксана – с высокоэффективными электрореологическими свойствами.

2. Синтезированные образцы порошков полиимидов различного размера и химического состава полиимидов были охарактеризованы методами: ИК спектроскопии (по химическому составу);

электронной микроскопии (размеры частиц и агрегатов);

фотонной корреляционной микроскопии (электрофизические свойства);

реологическими тестовыми экспериментами на модельных дисперсионных средах (электрореологические эффекты).

3. Проведены широкомасштабные реологические и электрореологические испытания указанных объектов – получены кривые течения (зависимости напряжения сдвига от скорости деформации в режиме установившегося течения), реологические характеристики при периодическом деформировании (динамические режимы), построены зависимости вязкостных, упругих и диссипативных характеристик от параметров деформирования и величины напряженности электрического поля.

Построена аналитическая аппроксимация указанных реологических зависимостей в виде различных приближений – по линейному, степенному, полиноминальному законам.

4. Установлено, что ЭРС, полученные на основе наноразмерных частиц полиимидов, обладают мощным электрореологическим эффектом – реологические характеристики изменяются в десятки раз при наложении электрического поля.

Подобные свойства позволяют отнести эти ЭРС к классу “giant” (супермощных) электрочувствительных материалов.

5. Предложена физическая интерпретация наблюдаемых электрофизических явлений. Установлено, что электрореологический отклик подобных ЭРС зависит от размеров частиц дисперсной фазы, величины ее удельной поверхности, величины потенциала частиц в дисперсионной среде, напряженности приложенного электрического поля.

6. В качестве перспективного практического приложения разработанных типов ЭРС для использования в реальных электроуправляемых механизмов рассмотрен подход к моделированию течения ЭРС в условиях нестационарного и циклического нагружения и оценке гистерезисных явлений. Для учёта энергорассеяния предложен феноменологический метод, основанный на использовании кинематических уравнений, коэффициенты которых определяются из анализа экспериментальных реологических данных для предельных циклов (увеличение – уменьшение прикладываемых электрических полей). Этот подход может быть использован при решении задач о нестационарных колебаниях различных механизмов с гистерезисным характером рассеяния энергии.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Яновский Ю.Г., Семенов Н.А., Сидорова Г. Я., Никитин С.М., Гусева М.А. Электрореологические свойства суспензий на основе наноразмерных частиц полиимидов // Механика композиционных материалов и конструкций. - 2012. - Т. 18, № 2. - С. 273-300.

2. Yanovsky Yu.G., Semenov N.A., Nikitin S.M., Sidorova G.Ya., Guseva M.A.

Smart Materials with Electrically Controlled Properties. Electrorheological Suspensions with a Nanosized Polymeric Disperse Phase. Part 2. Synthesis and Mechanical Properties // Nanomechanical Science and Technology: Au International Journal. - 2012. – V.3, №3. – P. 212-242.

3. Ю.Г. Яновский, Н.А. Семенов, Г.Я. Сидорова, М.А. Гусева, Орлов В.Н.

Электрореологические эффекты в суспензиях полимерных сред. Полиимиды // Химическая физика и мезоскопия. - 2012. - Том 14., №3. - С. 440-451.

4. Данилин А.Н., Яновский Ю.Г., Семёнов Н.А., Шалашилин А.Д.

Кинематическая модель реологического поведения неньютоновских жидкостей в условиях нестационарного циклического нагружения // Механика композиционных материалов и конструкций. - 2012. - Т. 18, № 3. – С. 369-383.

другие публикации:

5. Яновский Ю.Г., Семенов Н.А., Сидорова Г.Я., Гусева М.А., Орлов В.Н.

Электрореология и электрофизические свойства в суспензий с наноразмерной дисперсной фазой. Полиимиды // Механика композиционных материалов и конструкций. Сб. трудов 4 Всероссийского симпозиума. – М.: ИПРИМ РАН, 2012. Т.1. - С. 231-243.

6. Яновский Ю.Г., Гусева М.А., Юмашев О.Б., Никитина Е.А., Данилин А.Н., Корнев Ю.В., Семенов Н.А., Бойко О.В. Некоторые перспективы использования углеродных нанотрубок в качестве функциональных добавок в эластомерные композиты // Механика композиционных материалов и конструкций. - 2010. - Т. 16, № 5. - С. 680-692.

7. Корнев Ю.В., Яновский Ю.Г., Бойко О.В., Семёнов Н.А., Юмашев О.Б., Николаева С.В. Нанодисперсный минерал шунгит - новый усиливающий наполнитель для эластомерных материалов // Промышленное производство и использование эластомеров. - 2011. - № 4. - С. 36-40.

8. Семенов Н.А., Гамлицкий Ю.А., Корнев Ю.В., Жогин В.А., Юмашев О.Б., Яновский Ю.Г. Изучение усиливающей активности наполнителей по данным физико-механических и реологических испытаний резин // Проблемы шин и резинокордных композитов. Сб. докладов 19 симпозиума. – М.: ООО «Научно технический центр “НИИШП», 2008 г. - Т.2. - С.173-179.

9. Корнев Ю.В., Яновский Ю.Г., Бойко О.В., Жогин В.А., Семенов Н.А.

Новые эластомерные композиты, наполненные частицами минерала шунгита наноразмеров // Проблемы шин и резинокордных композитов. Сб. докладов симпозиума. – М.: ООО «Научно-технический центр “НИИШП», 2009 г. - Т.2. С.22-31.

10. Семенов Н.А., Яновский Ю.Г., Корнев Ю.В., Косичкина К.П., Валиев Х.Х. Исследование структуры эластомерных композитов по данным атомно-силовой микроскопии // Проблемы шин и резинокордных композитов. Сб. докладов симпозиума. – М.: ООО «Научно-технический центр “НИИШП», 2009 г. - Т.2. С.170-178.

Подписано в печать «3» мая 2013 г.

Бумага офсетная. Формат 6084 1/ Усл. печ. л. 1,2. Тираж 100 экз.

Отпечатано в ИПРИМ РАН 119991, г. Москва, Ленинский проспект, 32А.



 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.