Построение структур, обобщенные параметры, классификация и расчет составов ДНПКМ. Лекция 5

Содержание

Слайд 2

Бакалавриат (академический)
Направление подготовки:
18.03.01 «Химическая технология»
Профиль: «Технология и переработка полимеров»
Дисциплина:
Б1.В.ДВ.10.3

Бакалавриат (академический) Направление подготовки: 18.03.01 «Химическая технология» Профиль: «Технология и переработка полимеров»
«Принципы создания полимерных композиционных материалов»
Лектор:
доктор технических наук, профессор
Симонов-Емельянов Игорь Дмитриевич

Слайд 3

Лекция 5. Построение структур,
обобщенные параметры, классификация и расчет составов ДНПКМ

доктор технических

Лекция 5. Построение структур, обобщенные параметры, классификация и расчет составов ДНПКМ доктор
наук,
профессор
И. Д. Симонов-Емельянов

Слайд 4

ПКМ – гетерогенные, гетерофазные монолитные материалы, полученные из 2-х и более компонентов,

ПКМ – гетерогенные, гетерофазные монолитные материалы, полученные из 2-х и более компонентов,
имеющие границу раздела фаз и непрерывную в объеме фазу-матрицу, обладающие новой структурой и технологическими и эксплуатационными свойствами

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПКМ

Слайд 5

Модель структуры ДНПКМ

Модель структуры ДНПКМ включает рассмотрение:

геометрических параметров, определяемых геометрией, размерами дисперсной

Модель структуры ДНПКМ Модель структуры ДНПКМ включает рассмотрение: геометрических параметров, определяемых геометрией,
фазы различных включений (наполнителей), их распределением и упаковкой в объеме полимерной матрицы;

физико-химических параметров, которые зависят от взаимодействия на границе раздела, приводимых в молекулярный контакт исходных фаз и образования граничных (межфазных) слоев;

обобщенных параметров, характеризующих структуру ДНПКМ и деление полимерного связующего (матрицы) на три функциональных элемента (φп = Θ + В + М) при условии сохранения сплошности (монолитности) дисперсно-наполненного материала:
φп + φн = 1 или Θ + В + М + φн = 1.

Слайд 6

Θ — доля полимерной матрицы (связующего) для формирования прослоек между частицами;
В

Θ — доля полимерной матрицы (связующего) для формирования прослоек между частицами; В
— доля полимерной матрицы (связующего) для заполнения объема между частицами с прослойками;
М — доля полимерной матрицы в граничном слое с толщиной δ;
аср — среднестатистическое расстояние между частицами или аср /d.

Обобщенные параметры структуры ДНПКМ - это параметры для расчета, которых используют несколько основных параметров

φн < φm

φн = φm

а1

δ

а1

Слайд 8

Обобщенные параметры дисперсно-наполненных полимерных композиционных материалов (ДНПКМ)

Обобщенные параметры дисперсно-наполненных полимерных композиционных материалов (ДНПКМ)

Слайд 9

Расчетные формулы для определения обобщенных параметров дисперсной структуры ДНПКМ

Обобщенные параметры структуры ДНПКМ

Расчетные формулы для определения обобщенных параметров дисперсной структуры ДНПКМ Обобщенные параметры структуры
- это параметры для расчета, которых используют несколько основных параметров

Основное условие монолитности ДНПКМ:

и

Слайд 10

Рис. Зависимость аср в КМ при φмакс= 0,64 об. д от содержания

Рис. Зависимость аср в КМ при φмакс= 0,64 об. д от содержания
наполнителя и разном диаметре частиц:
а - 1 – 10 нм и 2 – 100нм ;
б) - 1 – 1мкм; 2 - 10 и 3 - 100мкм. от содержания частиц

Обобщенный параметр аср для ПКМ с разным размером частиц

Нанокомпозит

ПКМ фазовой структуры

а)

б)

Слайд 11

Зависимость аср между микрочастицами при разном диаметре от содержания наполнителя в дисперсно-наполненных

Зависимость аср между микрочастицами при разном диаметре от содержания наполнителя в дисперсно-наполненных
ПКМ (ДНПКМ)

Диаметр (d): 1 – 1 мкм; 2 - 10 и 3 - 100 мкм, при φm=0,64 об. д.

Зависимость отношения среднестатистического расстояния между частицами к диаметру частиц дисперсно-наполненных ПКМ от объемной доли наполнителя при φm 1 – 0,52 об. д., 2 – 0,64 об. д

Слайд 12

Зависимость геометрического параметра аср/ d от обобщенного параметра Θ для ДНПКМ

Рисунок —

Зависимость геометрического параметра аср/ d от обобщенного параметра Θ для ДНПКМ Рисунок
Зависимость геометрического обобщенного параметра аср/d от параметра Θ

Слайд 13

Классификация
по структурному принципу дисперсных систем

разбавленные системы (РС) - с 1,0 ≥

Классификация по структурному принципу дисперсных систем разбавленные системы (РС) - с 1,0
Θ ≥ 0,90об. д.
низко-наполненные (ННС) - с 0,90 ≥ Θ ≥ 0,75об. д.
- средне-наполненные (СНС) - с 0,75 >Θ ≥ 0,20об. д.
СНС-1 – 0,75 > Θ > 0,45об. д. (до предела текучести)
СНС-2 – 0,45 > Θ > 0,20об. д. (с пределом текучести)
высоконаполненные (ВНС) – с 0,20 ≥ Θ ≥ 0об. д.
- сверх высоконаполненные (СВНС) – с Θ < 0,0 об. д.

Слайд 14

Построение структуры ДНПКМ
с разным параметром Θ

Структура разбавленных и низко наполненных

Построение структуры ДНПКМ с разным параметром Θ Структура разбавленных и низко наполненных
дисперсных систем:
1,0 ≥ Θ ≥ 0,90об. д.
0,90 ≥ Θ ≥ 0,75об. д.

Структура
средне наполненных дисперсных систем:
0,75 >Θ ≥ 0,20об. д.

Структура
высоконаполненных дисперсных систем:
0,20 ≥ Θ ≥ 0,0об. д.

Слайд 15

6. Проектирование состава ДНПКМ с заданным типом структуры и параметрами решетки –

6. Проектирование состава ДНПКМ с заданным типом структуры и параметрами решетки –
по рассчитанному значению содержания наполнителя (φн) определяют объемную долю полимерной матрицы (φп) как: φп = 1 – φн

Алгоритм прогнозирования различных типов структур и расчет составов ДНПКМ с заданными свойствами

Экспериментально по известным методикам для конкретного дисперсного наполнителя с диаметром d определяют максимальный параметр упаковки - φm об. д.
(по насыпной плотности, по кривой уплотнения, по трем концентрациям);

2. Рассчитывают значение обобщенного параметра Θ для наполнителя с известным параметром φm варьирую содержание наполнителя φн;

3. По значением обобщенного параметра Θ определяют тип структуры ДНПКМ с заданным содержанием наполнителя φн;

4. Строят зависимость Θ = f (φн) и указывают содержание наполнителя для разных типов структур ДНПКМ;

5. Выбирают тип дисперсной структуры ДНПКМ и определяют содержание наполнителя для конкретного полимерного композиционного материала

Слайд 16

Усредненные значения параметра φm (об. д.) для твердых наполнителей с разными размерами

Усредненные значения параметра φm (об. д.) для твердых наполнителей с разными размерами
частиц, которые хорошо согласуются с экспериментальными данными, приведены ниже:
наночастицы (НЧ), размер 1-100нм - φm ≈ 0,05 - 0,255 об. д.
ультрадисперсные (УДЧ), размер 0,1 -1,0 мкм - φm ≈ 0,20 – 0,30 об. д.
микрочастицы (МикЧ) , размер 1,0 – 5 (10) мкм - φm≈ 0,255 – 0,40 об. д.
макрочастицы (МакЧ), размер 10-40мкм - φm ≈ 0,40 - 0,55 об. д.
- крупные частицы (КрЧ), размер более 50мкм - φm≈ 0,55 - 0,64 об. д.

Упаковка дисперсных частиц разного диаметра

Слайд 17

Расчет обобщенного параметра Θ структуры ДНПКМ

Обобщенный параметр структуры ДНПКМ – Θ об.

Расчет обобщенного параметра Θ структуры ДНПКМ Обобщенный параметр структуры ДНПКМ – Θ
д.
Θ – доля полимерной матрицы для формирования прослойки между частицами в структуре ДНПКМ
1. Обобщенный параметр Θ структуры ДНПКМ рассчитывают по известному значению параметра φm по формуле:
Θ = (φm – f3φн)/φm ,
где: f3 = (1 + 2δ/d) и δ - толщина граничного слоя;
2. При размере частиц более10мкм и δ ≈ 10 – 500нм
доля М ≤ 5об. % и обобщенный параметр Θ структуры ДНПКМ рассчитывают по упрощенной формуле:
Θ = (φm – φн) / φm

Слайд 18

Классификация ДНПКМ по параметрам решеток и структурному принципу

- РС – разбавленные системы

Классификация ДНПКМ по параметрам решеток и структурному принципу - РС – разбавленные
– 1,0 ≥ Θ ≥ 0,90 об. д.
- ННС – низко-наполненные системы – 0,90 ≥ Θ ≥ 0,75об. д. ;
- СНС – средне-наполненные системы – 0,75 ≥ Θ≥ 0,20 об. д. ;
- СНС-1 (до предела текучести) – 0,75 > Θ > 0,45 об. д. ;
- СНС- 2 (с пределом текучести) – 0,45 ≥ Θ ≥ 0,20 об. д. ;
- ВНС – высоконаполненные системы –0,20 ≥ Θ ≥ 0,0 об д. ;
- СВНС – сверх высоконаполненные системы – Θ < 0,0 об. д.

Классификация ДНПКМ по структурному принципу:
РС →ННС →СНС-1 → СНС-2 →ВНС →СВНС

Слайд 19

Таблица
Расчет составов ДНПКМ с разным типом структуры при φm = 0,35-0,80

Таблица Расчет составов ДНПКМ с разным типом структуры при φm = 0,35-0,80
об. д.

Расчет содержания наполнителя (φн) для разных групп ДНПКМ при φm = Const

Слайд 20

Рисунок Зависимость φн от Θ при разных значения φm (об. д.):
1

Рисунок Зависимость φн от Θ при разных значения φm (об. д.): 1
- 0,35; 2- 0,4; 3-0,45; 4- 0,5; 5- 0,6; 6-0,64; 7- 0,70; 8- 0,75; 9- 0,80 об. д..

Расчет содержания наполнителя (φн) для разных типов структур ДНПКМ при φm = Const

Слайд 21

Расчет содержания наполнителя (φн) для разных типов структур ДННК и ДНПКМ при

Расчет содержания наполнителя (φн) для разных типов структур ДННК и ДНПКМ при
φm = Const

Рисунок — Зависимость содержания наполнителя (ϕн) в ДНПКМ от обобщенного параметра Θ
при разных значениях ϕm (об. д.): 0,1 (1), 0,20 (2), 0,3 (3), 0.4 (4), 0,5 (5), 0,6 (6), 0,64 (7), 0,7 (8), 0,74 (9), 0,8 (10) и 0,85 об. д. (11)

Слайд 22

Составы ДНПКМ с крупными дисперсными частицами при φm = 0,64 об. д.

Рисунок

Составы ДНПКМ с крупными дисперсными частицами при φm = 0,64 об. д.
– Зависимость содержания наполнителя φн в ДНПКМ с разными типами структур от
обобщенного параметра Θ для крупных частиц с параметром φm = 0,64 об. д.

Слайд 23

Составы ДНПКМ с наночастицами при φm = 0,255 об. д.

Рисунок – Зависимость

Составы ДНПКМ с наночастицами при φm = 0,255 об. д. Рисунок –
содержания нанонаполнителя φн в ДНПКМ с разными типами структур от
обобщенного параметра Θ для наночастиц с параметром φm = 0,255 об. д.

Слайд 24

Составы ДНПКМ с деформирующимися частицами
при φm = 0,90 об. д.

Рисунок –

Составы ДНПКМ с деформирующимися частицами при φm = 0,90 об. д. Рисунок
Зависимость содержания деформирующегося под давлением наполнителя φн в ДНПКМ
с разными типами структур от обобщенного параметра Θ; Параметр φm = 0,90 об. д.

Слайд 25

Сводная таблица по составам и обобщенным параметрам структуры ДНПКМ
(d =50мкм, φm

Сводная таблица по составам и обобщенным параметрам структуры ДНПКМ (d =50мкм, φm
= 0,64 об. д.)

Примечание: * - для конкретного наполнителя, связующего (матрицы)и ПКМ с заданной плотностью можно рассчитать содержание наполнителя в масс. д., масс. % , масс. ч.;

Слайд 26

Таблица по составам и обобщенным параметрам структуры ДННК

Примечание: * - для

Таблица по составам и обобщенным параметрам структуры ДННК Примечание: * - для
конкретного наполнителя, связующего (матрицы)и ДННК с заданной плотностью можно рассчитать содержание наполнителя в масс. д., масс. %, масс. ч.;