Патент на изобретение №2297617

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ ЮНГА И КОЭФФИЦИЕНТА ПУАССОНА МАТЕРИАЛА МИКРО- И НАНОЧАСТИЦ

(57) Реферат:

Изобретение относится к способам определения модуля упругости Юнга материалов, а именно сферических микро- и наночастиц, входящих в состав композиционного материала. Техническим результатом изобретения является возможность определения модуля упругости и коэффициента Пуассона для монодисперсных сферических микро- и наночастиц. Способ определения модуля упругости основан на том, что изготавливают образец из полимерной матрицы с добавлением заданного процентного содержания (1-7)% монодисперсных сферических микро- или наночастиц. Проводят экспериментальное одноосное сжатие образца композиционного материала. Определяют продольные и поперечные деформации образца. Строят зависимость продольных деформаций от осевого напряжения. По линейному участку кривой деформирования определяют модуль упругости и коэффициент Пуассона композиционного материала, и на основании полученных значений модуля упругости и коэффициента Пуассона композиционного материала определяют модуль упругости и коэффициент Пуассона для монодисперсных сферических микро- и наночастиц. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к способам определения механических свойств материалов путем приложения растягивающих или сжимающих нагрузок, а именно к способам определения модуля упругости Юнга и коэффициента Пуассона.

Известен способ определения модуля упругости [Регистрационный номер заявки № 96116367/03, кл. G01N 33/38, 1998], основанный на том, что изготавливают образцы, содержащие эталонный и исследуемый крупный заполнитель с различной его абсолютной концентрацией. Модуль упругости растворной составляющей определяют по результатам испытаний бетонных образцов на эталонном заполнителе, а модуль упругости исследуемого заполнителя находят из формулы.

Недостатком указанного способа определения модуля упругости является его неприменимость к образцам композиционных материалов, содержащих монодисперсные сферические микро- или наночастицы.

_nt по формуле (1):

где ₀ и _q – частоты связи до и после охлаждения; _nt и _m – коэффициенты теплового расширения нанотрубки и матрицы; T₀ и Т_q – температура до охлаждения и после; _nt – доля объема углеродных нанотрубок или углеродных волокон в составе образца; Е_m – модуль упругости матрицы; _nt – деформация длины связи.

Недостатком указанного способа определения модуля упругости является то, что он непригоден для определения коэффициента Пуассона включений, добавленных в эпоксидную матрицу.

Задача изобретения – получение способа определения модуля упругости и коэффициента Пуассона сферических микро- и наночастиц на основе приложения осевых нагрузок к образцу композиционного материала.

Способ определения модуля упругости включает в себя два этапа.

1. Изготавливают образец из полимерной матрицы с добавлением заданного процентного содержания (1-7)% монодисперсных сферических микро- или наночастиц. Процентное содержание микро- или наночастиц в образце материала выбирается исходя из того, что частицы так малы и настолько удалены одна от другой, что взаимодействием между ними можно пренебречь. Сферические частицы равномерно распределены в образце композиционного материала. Размер всех частиц, входящих в состав образца, должен быть одинаков. Проводят экспериментальное одноосное сжатие образца композиционного материала силой n*F, где n=1,9…m.

Определяют продольные и поперечные деформации образца. Строят зависимость продольной деформации от осевого напряжения.

2. Определяют по линейному участку кривой деформирования модуль упругости и коэффициент Пуассона композиционного материала. Вычисляют значения модуля упругости и коэффициента Пуассона материала сферических микро- или наночастиц.

На фиг.1 представлена конструкция для реализации предлагаемого способа.

На фиг.2 представлена схема сжатия пуансоном 1 композиционного материала 2 с упругими сферическими включениями 3 после приложения силы F.

Способ реализуется следующим образом: с помощью пуансона 1 прикладывают силу n*F при n=1, действующую на композиционный материал 2, содержащий сферические включения 3, представляющие собой монодисперсные шарообразные микро- или наночастицы.

Определяют продольную _пр1 и поперечную _поп1 деформацию (5, 6), осевое напряжение (7)

где S – площадь сечения перпендикулярного оси образца композиционного материала.

Продолжают прикладывать силы n*F, где n=2, …m, находят продольные, поперечные деформации и осевые напряжения. Строят зависимость продольной деформации от осевого напряжения. Для линейного участка кривой деформирования определяют модуль упругости Е (8) и коэффициент Пуассона (9) композиционного материала

где i – точка на линейном участке кривой деформирования.

Вычисляют модуль сдвига (10) и объемный модуль k (11) композиционного материала

По формулам (12), (13) вычисляют модуль сдвига _I и объемный модуль k_I сферических микро- или наночастиц [Р.Кристенсен, Введение в механику композитов: Издательство МИР, 1982, с.50-51]

где _M, k_M, _M – модуль сдвига, объемный модуль и коэффициент Пуассона полимерной матрицы, с – концентрация (14)

VI – объем монодисперсных сферических микро- или наночастиц, V – объем образца композиционного материала.

Определяют модуль упругости E_I (15) и коэффициент Пуассона _I (16) сферических микро- или наночастиц

Благодаря предложенному способу стало возможным определять модуль упругости и коэффициент Пуассона для монодисперсных сферических микро- и наночастиц.

Формула изобретения

1. Способ определения модуля упругости Юнга композиционных материалов путем приложения растягивающих или сжимающих нагрузок, отличающийся тем, что изготавливают образец из полимерной матрицы с добавлением заданного процентного содержания монодисперсных сферических микро- или наночастиц, проводят экспериментальное одноосное сжатие образца композиционного материала, определяют продольную и поперечную деформацию образца, строят зависимость продольной деформации от осевого напряжения, определяют по линейному участку кривой деформирования модуль упругости и коэффициент Пуассона композиционного материала; на основе полученных значений модуля упругости и коэффициента Пуассона образца вычисляют значения модуля упругости и коэффициента Пуассона материала микро- или наночастиц.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процентное содержание монодисперсных сферических микро- или наночастиц в образце композиционного материала составляет 1-7%.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что монодисперсные сферические микро- или наночастицы в образце композиционного материала имеют одинаковый размер.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что монодисперсные сферические микро- или наночастицы равномерно распределены в образце композиционного материала.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 25.10.2007

Извещение опубликовано: 27.06.2009 БИ: 18/2009