The effectiveness of the effect of microwave radiation and convection heating on the relaxation of internal stresses in cured polymer composite materials

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Background and Objectives: The relaxation of internal stresses in pressed carbon and fiberglass plastics under the action of bending loads after modification by heating in a thermal chamber and exposure to a microwave electromagnetic field has been studied. It is shown that for pressed carbon and fiberglass plastics under the influence of bending loads, relaxation processes of internal stresses are characteristic, the intensity of which is determined by the initial state of the material. Materials and Methods: In the experiment, three groups of carbon and fiberglass samples produced by Eurocomplant LLC in Kaluga were used in the form of plane-parallel plates with dimensions of 75x10x5 mm, cut from a panel with dimensions of 500x500x5 mm in the state of delivery. Experiments with the first group of samples were carried out using a special microwave technological installation assembled on the basis of the Zhuk-2–02 radiator (NPP Agroecotech LLC, Obninsk, Kaluga region, Russia) with a horn-type radiator. The time of microwave exposure was recorded upon reaching the set surface temperature determined by the Flir E-40 thermal imager (FLIR, USA). The second group of samples was heated in an artificial light-weather chamber Solarbox 522 model 1500e RH (COFOMEGRA SRL, Italy). The study of internal stress relaxation was carried out according to the three-point bending scheme on a laboratory computer installation with LabVIEW software (IP Mayorov, Orel, Russia). Results: Microwave exposure to carbon and fiberglass contributes to stress relaxation by (5.1–7.2)% and (6.5–9.8)%, respectively, depending on the magnitude of the external load. After heating in the thermal chamber, stress relaxation was noted by(4.4–6.8)% and (5.2–9.0)%. For control samples, the degree of relaxation is(4.3–6.5)% and (4.9–8.55)%, the process stops almost 3 times earlier than for experimental samples. On average, the degree of stress relaxation in samples after exposure to a microwave electromagnetic field is 18.5% and 12.8% higher for carbon fiber and fiberglass, respectively, compared with heating in a thermal chamber. Conclusion: Тhis indicates a greater effectiveness of the microwave method of heat treatment in order to stabilize the properties of PCM.

About the authors

Irina V. Zlobina

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

ORCID iD: 0000-0002-2331-7444
SPIN-code: 6730-8099
77, Politechnicheskaya str., Saratov, 410054, Russia

Nikolaj Valeryevich Bekrenev

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

ORCID iD: 0000-0002-7457-1020
SPIN-code: 8948-8116
Scopus Author ID: 6506930142
77, Politechnicheskaya str., Saratov, 410054, Russia

Danila Olegovich Churikov

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

ORCID iD: 0009-0002-7389-9419
SPIN-code: 2704-6522
ResearcherId: HNB-5738-2023
77, Politechnicheskaya str., Saratov, 410054, Russia

References

  1. Колобков А. С. Полимерные композиционные материалы для различных конструкций авиационной техники (обзор) // Труды ВИАМ. 2020. № 6–7. С. 38–44. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2020-0-67-38-44
  2. Клименко О. Н., Валуева М. И. Рыбникова А. Н. Полимерные и полимерно-композиционные материалы в спорте (обзор) // Труды ВИАМ. 2020. № 10. С. 81–89. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2020-0-10-81-89
  3. Razali N., Sultan M. T. H., Mustapha F., Yidris N., Ishak M. R. Impact damage on composite structures – A review // The International Journal of Engineering and Science (IJES). 2014. Vol. 3, iss. 7. P. 8–20.
  4. Мошинский Л. Я. Эпоксидные смолы и отвердители. Структура, свойства, химия и топология отверждения. Тель-Авив : Аркадия пресс Лтд, 1995. 371 с.
  5. Корольков В. И., Некравцев Е. Н., Сафонов К. С., Огурцов П. С., Оганесов В. А., Попов И. С., Самохвалов В. В. Исследование процессов устранения коробления авиационных изделий из полимерных композиционных материалов, полученных методом высокотемпературного формования // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2021, № 10. С. 84–94. https://doi.org/10.18698/0536-1044-2021-10-84-94
  6. Карташова Е. Д., Муйземнек А. Ю. Технологические дефекты слоистых полимерных композиционных материалов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2017. № 2 (42), С. 79–89
  7. Дементьев И. И., Устинов А. Н. Метод снижения остаточных напряжений в композитных элементах конструкций космических аппаратов // Альманах современной науки и образования. Технические науки. 2017. № 6 (119). С. 27–31.
  8. Перминов А. А., Сарварова Т. М., Шестакова Н. К., Ажеганов А. С. Исследование процесса релаксации напряжений в деформированном композите с эпоксидной матрицей // Вестник Пермского университета. Физика. 2019. № 2. С. 55–62. https://doi.org/10.17072/1994-3598-2019-2-55-62
  9. Батрак В.Е., Бобряшов В. В. Влияние длительных процессов на ползучесть и релаксацию конструкционного стеклопластика // Вестник НИЦ «Строительство». 2018. № 3 (18). С. 5–11.
  10. Старцев О. В., Каблов Е. Н., Махоньков А. Ю. Закономерности α–перехода эпоксидных связующих композиционных материалов по данным динамического механического анализа // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. № S2. С. 104–113.
  11. Ажеганов А. С., Бегишев В. П., Горинов Д. А., Лысенко С. Н., Шардаков И. Н. Развитие и релаксация внутренних напряжений в зернистых композитах с эпоксидной матрицей // Прикладная механика и техническая физика. 2006. Т. 47, № 4. С. 104–114.
  12. Каблов Е. Н., Лаптев А. Б., Прокопенко А. Н., Гуляев А. И. Релаксация полимерных композиционных материалов под длительным действием статической нагрузки и климата (обзор) // Авиационные материалы и технологии. 2021. № 4 (65). С. 70–80. https://doi.org/10.18577/2713-0193-2021-0-4-70-80
  13. Жаворонок Е. С., Сенчихин И. Н., Ролдугин В. И. Физическое старение и релаксационные процессы в эпоксидных системах // Высокомолекулярные соединения. Сер. А. 2017. Т. 59, № 2. С. 113–149. https://doi.org/10.7868/S2308112017020110
  14. Dao B., Hodgkin J., Krstina J., Mardel J., Tian W. Accelerated agеing versus realistic agеing in aerospace composite materials. I. The chemistry of thermal agеing in a low-temperature-cure epoxy composite // Journal of Applied Polymer Science. 2006. Vol. 102, iss. 5. P. 4291–4303. https://doi.org/10.1002/app.27104
  15. Odegard G. M., Bandyopadhyay A. Physical Aging of Epoxy Polymers and Their Composites // J. Polym. Sci. Part B: Polym. Phys. 2011. Vol. 49, № 24. P. 1695–1716. https://doi.org/10.1002/polb.22384
  16. Канаева Н. С., Низин Д. Ф., Низина Т. А. Релаксационные свойства полимерных материалов на основе эпоксидных связующих // Эксперт: теория и практика. 2022. № 3 (18). С. 42–46. https://doi.org/10.51608/26867818_2022_3_42
  17. Железняков А. С., Шеромова И. А., Старкова Г. П. Моделирование релаксации напряжения композиционных материалов при постоянной деформации // Фундаментальные исследования. 2014. № 11. С. 2360–2364.
  18. Brovko A. V., Murphy E. K., Rother M. Waveguide microwave imaging: Spherical inclusion in a dielectric sample // IEEE Microwave and Wireless Comp. Lett. 2008. Vol. 18, № 9. P. 647–649.
  19. Еренков О. Ю., Исаев С. П., Шевчук К. А. Электрофизическое модифицирование связующих в технологии композитов. Хабаровск : Издательство Тихоокеанского государственного университета, 2020. 229 с.
  20. Архангельский Ю. С. Справочная книга по СВЧ-электротермии. Саратов : Научная книга, 2011. 560 с.
  21. Абуталипова Е. М., Александров А. А., Лисин Ю. В., Павлова И. В., Шулаев Н. С. Математическое моделирование кинетики нагрева системы полимерный материал-металл трубопровода при СВЧ-обработке // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2017. № 2 (71). С. 118–128. https://doi.org/10.18698/1812-3368-2017-2-118-128
  22. Жерносек С. В., Ольшанский В. И. Модификация структуры композиционных текстильных материалов в условиях воздействия СВЧ-излучения // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. 2020. № 6 (390). С. 41–43.
  23. Мамонтов А. В., Нефедов В. Н., Хриткин С. А. Исследование распределения температуры стержней из полимерных композитных материалов при их термообработке с использованием микроволнового излучения // Измерительная техника. 2019. № 4. С. 57–61. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2019-4-57-61
  24. Злобина И. В., Бекренев Н. В., Егоров А. С., Кузнецов Д. И. Влияние сверхвысокочастотного электромагнитного поля на межслоевую прочность в отвержденных полимерных композиционных материалах // Журнал технической физики. 2023. Т. 93, вып. 2. С. 237–340. https://doi.org/10.21883/JTF.2023.02.54498.201-22
  25. Злобина И. В., Бекренев Н. В., Игнатьев М. А. Анализ особенностей микроструктуры полимерной матрицы в составе ПКМ, сформированных под влиянием электрофизических воздействий // Пластические массы. 2024. № 2. С. 12–16. https://doi.org/10.35164/0554-2901-2024-02-12-16
  26. Kim T., Lee J., Lee K.-H. Microwave heating of carbonbased solid materials // Carbon Letters. 2014. Vol. 15, № 1. P. 15–24. https://doi.org/10.5714/CL.2014.15.1.015
  27. Kwak M. Microwave curing of carbon-epoxy composites: Process development and material evaluation. A thesis submitted to Imperial College London for the degree of Doctor of Philosophy. Imperial College London, 2016. 150 p. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2015.04.007
  28. Злобина И. В., Бекренев Н. В. О механизме повышения механических характеристик отвержденных полимерных композиционных материалов под действием СВЧ электромагнитного поля // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия : Физика. 2022. Т. 22, вып. 2. С. 158–169. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2022-22-2-158-169

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».