Упрочнённые полимерные композиты, армированные углеродным волокном, с эпоксидными матрицами, модифицированными наночастицами

В настоящей работе исследованы микроструктура и характеристики разрушения полимерных композитов, армированных углеродным волокном (CFRP), на основе матриц из эпоксидной смолы, отверждённой ангидридом и содержащей реакционноспособный разбавитель, с добавлением наночастиц диоксида кремния и/или наночастиц полисилоксанового каучука с ядро–оболочечной структурой (CSR). Для определения межслойной энергии разрушения композитов CFRP проведены испытания образцов с двойной консолью, а для оценки энергии разрушения полимеров в массиве использованы образцы для изгиба с одной краевой трещиной. Энергия разрушения массивных эпоксидных полимеров увеличивалась со 173 Дж/м² для немодифицированного полимера до максимального значения 1237 Дж/м² при добавлении 16 мас.% наночастиц CSR. Механизмами упрочнения были идентифицированы (a) локализованное пластическое сдвиговое течение и (b) кавитация частиц CSR с последующим пластическим ростом пор в матрице. Установившееся значение межслойной энергии разрушения при распространении трещины в композитах CFRP увеличивалось с ростом концентрации наночастиц: с 1246 Дж/м² для немодифицированной эпоксидной матрицы до максимальных 1851 Дж/м² при содержании 4 мас.% наночастиц диоксида кремния и 8 мас.% наночастиц CSR. Распространение трещины в композитах CFRP определялось главным образом механизмами упрочнения за счёт мостикового перекрытия трещины волокнами. Была рассмотрена эффективность переноса трещиностойкости от массивных полимеров к композитам, армированным углеродным волокном. Измеренная энергия разрушения как массивных, так и композиционных материалов снижалась при температуре испытания −80 °C по сравнению с комнатной температурой, то есть 20 °C. Тем не менее упрочняющее действие наночастиц диоксида кремния и CSR на массивные эпоксидные полимеры и композиты CFRP по сравнению с немодифицированными эпоксидными полимерами сохранялось и при более низкой температуре. Более того, упрочняющее действие наночастиц диоксида кремния при −80 °C было сильнее, чем при комнатной температуре.