Композиционный материал с эффектом памяти формы и способ реализации эффекта памяти формы

Изобретение относится к полимерным композиционным материалам с особыми свойствами, которые используются в различных областях, например в машиностроении, медицине, в качестве конструкционных материалов. Композиционный материал с эффектом памяти формы включает полимерную матрицу, армированную элементами из сплавов с эффектом памяти формы. Армирующие элементы представляют собой волокна, пластины или их сочетание. Матрица представляет собой композиционный материал на основе полимера, армированного элементами из различных материалов, в качестве которых могут использоваться углепластики, стеклопластики. Способ реализации эффекта памяти формы в композиционном материале может включать деформацию его при температуре ниже М_К и нагрев до температуры выше А_К, причем при деформации материал выдерживают под нагрузкой не менее 30 минут. Способ реализации эффекта памяти формы в композиционном материале может включать его деформацию при температуре ниже М_К и нагрев до температуры выше А_К, причем деформацию проводят со скоростью не более 0,3% в минуту. Технический результат заключается в повышении величины восстанавливаемой при нагреве деформации композиционного материала. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к полимерным композиционным материалам с особыми свойствами.

Полимерные композиционные материалы широко используются в различных областях машиностроения, медицине и т.п. в качестве конструкционных материалов (Композиционные материалы: Справочник под ред. В.В. Васильева - М., Машиностроение, 1990 г.). Расширить возможности применения композиционных материалов удастся, если им придать особые свойства за счет, например, армирования элементами из функциональных материалов. Такими материалами могут служить сплавы с эффектом памяти формы и сверхупругостью.

В Патенте РФ №2477627, принятым за прототип, предложен полимерный композиционный материал, в котором армирующие элементы из сплава с термомеханической памятью выполнены в виде волокон длиной не менее чем в 3 раза превышающей расстояние между ними и имеющими температуру восстановления формы, соответствующую температуре эксплуатации композиционного материала.

Однако полимерные материалы, являющиеся матрицей такого композиционного материала, могут иметь сильно отличающиеся физико-механические свойства, в частности, модуль упругости. Чрезмерная жесткость матрицы из полимера с высоким модулем упругости будет препятствовать реализации эффекта памяти формы, несмотря на соблюдение условий, определенных в указанном патенте.

Задачей предложенного технического решения является разработка композиционного материала, наиболее полно проявляющего эффект памяти формы.

Технический результат заключается в повышении величины восстанавливаемой при нагреве деформации композиционного материала.

Поставленная задача решается за счет того, что композиционный материал с эффектом памяти формы включает полимерную матрицу, армированную элементами из сплавов с эффектом памяти формы, причем объемная доля армирующих элементов удовлетворяет следующему соотношению:

V_A>Е_М/(Е_М+Е_А)

где V_A - объемная доля армирующих элементов,

Е_М - модуль упругости полимерной матрицы,

Е_А - «эффективный» модуль упругости армирующих элементов их сплавов с эффектом памяти формы.

Армирующие элементы представляют собой волокна, пластины или их сочетание.

Матрица может представлять собой композиционный материал на основе полимера, армированного элементами из различных материалов, например, углепластики, стеклопластики и т.п.

Способ реализации эффекта памяти формы в композиционном материале может включать деформацию его при температуре ниже М_К и нагрев до температуры выше А_К (Сплавы с эффектом памяти формы / Под ред. Фунакубо X. - М.: Металлургия. 1990 г.), причем при деформации материал выдерживают под нагрузкой не менее 30 минут.

Способ реализации эффекта памяти формы в композиционном материале может включать его деформацию при температуре ниже М_К и нагрев до температуры выше А_К, причем деформацию проводят со скоростью не более 0,3% в минуту.

Технический результат достигается путем регламентации объемной доли армирующих элементов в композиционном материале в зависимости от соотношения модулей упругости армирующего материала и материала матрицы. Причем, в качестве модуля упругости армирующего материала из сплавов с эффектом памяти формы рассматривается «эффективный» модуль упругости, который характеризует механическое поведение материала при нагружении до критических напряжений при реализации эффекта памяти формы (Коллеров М.Ю. и др. Титан, 2012 г., №2).

При реализации эффекта памяти формы, армирующие элементы изменяют свою форму (деформируются) на достаточно большую величину (до 8%). Окружающая их матрица будет подвергаться деформации со стороны восстанавливающих форму армирующих волокон. В первом приближении, при нагружении равенство деформаций в композиционном материале армирующих элементов и матрицы будет наблюдаться при тождестве их жесткостей, которые можно выразить в виде соотношения:

В этом случае можно ожидать, что композиционный материал будет восстанавливать не более половины от деформации армирующих элементов из сплавов с эффектом памяти формы (до 4%). Если объемная доля армирующих элементов меньше, чем следует из соотношения (1), то величина восстанавливаемой деформации снижается в значительно большей степени. Таким образом, для того, чтобы композиционный материал мог восстанавливать при нагреве не менее половины деформации, объемная доля армирующих элементов из сплавов с эффектом памяти формы должна удовлетворять неравенству:

где V_A - объемная доля армирующих элементов из сплавов с памятью формы,

Е_А - «эффективный» модуль упругости сплава с памятью формы,

Е_М - модуль упругости материала матрицы.

Из неравенства (2) следует, что объемная доля армирующих элементов из сплава с памятью формы зависит от модуля упругости материала матрицы. В случае использования в качестве матрицы материалов с малым модулем упругости, например, эластомеров типа силиконовой резины, объемная доля армирующих элементов может быть невелика, а при применении термопластов типа полиамид 66 или реактопластов типа эпоксидной смолы, она должна быть значительно повышена.

В качестве матрицы композиционного материала могут быть использованы полимеры, армированные органическими или неорганическими материалами для повышения ее механических или служебных свойств, например, углепласты, стеклопласты и т.п. При этом сохраняется необходимость выполнения неравенства (2).

Армирующие элементы из сплавов с памятью формы могут быть использованы в виде волокон (волокнистые композиционные материалы) или пластин (слоистые композиционные материалы).

Особенностью механического поведения полимерных материалов и композиционных материалов на их основе является упруго-вязкое поведение, которое, в частности, проявляется во временной зависимости напряжений в полимере и их релаксации. Эту особенность необходимо учитывать при реализации эффекта памяти формы в композиционном материале, армированном элементами из сплавов с памятью формы.

Так, деформацию композиционного материала при температуре ниже М_К сплава с памятью формы, необходимо проводить либо со скоростью 0,3% в минуту, либо выдерживать в нагруженном состоянии не менее 30 минут. В этом случае удается зафиксировать максимальную остаточную деформацию композиционного материала, которая будет восстанавливаться при нагреве выше А_К сплава с памятью формы.

Примеры:

Были изготовлены образцы композиционного материала, в которых в качестве матрицы использовались полиамид 66, сэвилен и стеклопластик с эпоксидной матрицей. Модули упругости этих материалов составляли, соответственно 1,5; 0,4; 30 ГПа. В качестве армирующих элементов применяли волокна в виде проволоки диаметром 1,3 мм и в виде пластин толщиной 2,2 и 1,5 мм из сплава ТН1 (температуры М_К = 28°С, А_К = 50°С). Эффективный модуль упругости сплава ТН1 равен 5 ГПа. В соответствии с неравенством (2) объемная доля армирующих элементов из сплава с эффектом памяти формы должна быть не менее 0,23 для полиамида 66, 0,09 для сэвилена и 0,8 для стеклопластика. Образцы композиционного материала размером ≈ 5×20×150 мм получали прессованием при температуре 180-260°С. Волокна в полиамиде 66 и сэвилене располагались по средней плоскости образца на равных расстояниях друг от друга. Объемную долю армирующих элементов меняли количеством волокон в композиционном материале. Пластины из сплава ТН1 в слоистом композиционном материале располагали по поверхностям образца, стеклопластик - между ними.

Образцы при комнатной температуре (ниже М_К) деформировали изгибом на 10% со скоростями 10; 0,3; 0,1% в минуту. Часть образцов после деформации со скоростью 10% в минуту выдерживали под нагрузкой в течении 15, 30 и 60 минут, после чего измеряли остаточную деформацию и подвергали нагреву до температуры 60°С (выше А_К). После нагрева замеряли остаточную деформацию, которую вычитали из остаточной деформации, зафиксированной при комнатной температуре. Эта разность соответствовала восстановленной при нагреве деформации. Результаты экспериментов приведены в Таблице.

Анализ приведенных результатов показал, что у образцов, для которых выполняется неравенство (2) при скоростях деформации не более 0,3% в минуту или при выдержке в нагруженном состоянии не менее 30 минут, в композиционном материале при комнатной температуре удается зафиксировать значительную остаточную деформацию (см. опыты 1-7), которая при последующем нагреве практически полностью восстанавливается.

Аналогичные результаты наблюдались при использовании армирующих материалов из других сплавов на основе Al, Cu и других.

Таким образом, задачу изобретения можно считать выполненной.

1. Композиционный материал с эффектом памяти формы, включающий полимерную матрицу, армированную элементами из сплавов с эффектом памяти формы, отличающийся тем, что объемная доля армирующих элементов удовлетворяет следующему соотношению:

V_A>Е_М/(Е_М+Е_А),

где V_A - объемная доля армирующих элементов,

Е_М - модуль упругости полимерной матрицы,

Е_А - "эффективный" модуль упругости армирующих элементов их сплавов с эффектом памяти формы.

2. Композиционный материал по п. 1, отличающийся тем, что армирующие элементы представляют собой волокна, пластины или их сочетание.

3. Композиционный материал по п. 1, отличающийся тем, что матрица представляет собой композиционный материал на основе полимера, армированного элементами из различных материалов.

4. Композиционный материал по п. 3, отличающийся тем, что в качестве армирующих элементов могут использоваться углепластики, стеклопластики.

5. Способ реализации эффекта памяти формы в композиционном материале по п. 1, включающий его деформацию при температуре ниже М_К и нагрев до температуры выше А_К, причем при деформации материал выдерживают под нагрузкой не менее 30 минут.

6. Способ реализации эффекта памяти формы в композиционном материале по п. 1, включающий его деформацию при температуре ниже М_К и нагрев до температуры выше А_К, причем деформацию проводят со скоростью не более 0,3% в минуту.