Композиционные материалы (КМ) представляют собой полимер, армированный значительно более прочными волокнами [1-4]. Основу КМ составляет матрица, в качестве которой используются технологически удобные в применении полимеры, которые имеют пластичные или текучие свойства на стадии изготовления КМ и приобретают прочностные свойства после изготовления КМ [5, 6]. Важнейшей характеристикой материала матрицы является способность связывать и удерживать инородные армирующие волокна за счет адсорбции подвижных молекул на поверхности жестких тел, формирования адгезионных сил, а также химических связей образованного твердого полимера [7]. Внутренняя структура полимеров существенно отличается от структуры металлов. В металлах связь отдельных атомов происходит за счет облака свободных электронов атомов кристаллической решетки и при этом существует синергетическое взаимодействие близлежащих атомов [8]. Это объясняет сочетание высокой жесткости структуры с высокой прочностью и упругостью. Кроме того в металлах образуется четкая кристаллическая решетка. А в сплавах образуются твердые растворы, вызывающие формирование фаз, которыми можно управлять с целью получения существенно различных механических и других физических свойств.
Связь атомов в полимерах происходит внутри длинных химических молекул, состоящих из различных химических элементов. Это обуславливает значительно большую упругость полимеров по сравнению с металлами и сплавами, что приводит к снижению жесткости [9, 10]. При этом прочность и модуль упругости полимеров значительно меньше аналогичных параметров металлов и сплавов, не имеющих дефектов. При том, что внутри одной полимерной молекулы практически отсутствует синергетическое взаимодействие между отдельными атомами в связи с их отдаленностью и низкой атомной массой химических элементов, присутствует сложное взаимодействие между полимерными молекулами. Данное взаимодействие дает возможность углублять фундаментальные возможности в области формирования энергоэффективных и синергетически связанных структур [11-13]. Так возможно формирование кристаллической структуры и поперечных связей полимерных молекул [14], модифицирование структуры и свойств на различных стадиях взаимодействия молекул под действием изменяющихся внешних факторов. Все указанные факторы непосредственно влияют на физические процессы, сопровождающие процесс механической обработки металлов и сплавов, полимеров и композиционных материалов.
Цель исследования – в связи со структурными особенностями композиционных материалов, наличием реологических процессов, высокой вязкостью полимерных материалов и их низкой теплопроводностью необходимо проанализировать существующие научные подходы, направленные на повышение качества и снижение энергоемкости механической обработки композиционных материалов.
Материалы и методы исследования
Процесс резания металлов связан с образованием зоны пластической деформации и трещины [15, с. 15-60] за счет отдаления контактирующих атомов или зерен твердого раствора под действием механической и тепловой энергии, передаваемой от режущего тела к металлу. При этом трещина образуется путем концентрации напряжений в области дефекта, многократно ослабляющего материал, и рост трещины происходит закономерно и предсказуемо по причине существенной изотропности структуры.
По причине более сильных и более жестких химических связей между соседними атомами внутри одной полимерной молекулы в полимерах их разрушение происходит иначе. Химические связи полимеров не дают возможности постепенно отдалять соседние атомы. Вместо этого растягиваются связи одновременно в целой полимерной молекуле. В конечном итоге происходит передача механической энергии от режущего тела и накопление внутренней энергии в определенном участке молекулы и разрушается химическая связь после существенной упругой деформации всего полимера на некотором участке контакта с режущим телом [16-18]. Значительно большая упругость при взаимодействии множества полимерных молекул, происходящем в полимерах по сравнению с металлами в процессе резания приводят к более значительному выделению тепла. Данная тепловая энергия образуется из механической энергии, передаваемой от режущего тела за счет длительного упругого сопротивления полимерных молекул.
В связи с этим первая фундаментальная задача для повышения энергоэффективности процесса резания полимеров заключается в уменьшении времени упругой деформации цепочки атомов под действием режущего тела. С уменьшением упругой деформации снижается количество энергии, преобразуемой в тепло. Данная задача может быть реализована двумя путями.
Первый подход заключается в уменьшении количества атомов в отдельных полимерных молекулах с целью уменьшения и ослабления связей полимерных молекул между соседними полимерными молекулами. Данный способ применяется в России и за рубежом в таких формах как механическое предварительное ослабление поверхностного слоя полимера, а также обработка полимера физическими методами [19, 20] с целью разрушения или укорочения полимерных молекул. Одним из таких методов является предварительная обработка полимера ультразвуковыми колебаниями, магнитными и электрическими полями, электромагнитными импульсами [21].
Второй подход заключается в уменьшении пути в цепочке атомов, по которому передается волна энергии, способствующей упругой деформации полимера. Цель данного подхода заключается в ускорении процесса разрыва химических связей и переход в область хрупкого и квазихрупкого разрушения. Ускорение данного процесса возможно за счет уменьшения промежутка времени между началом приложения усилия от режущего тела к полимерной молекуле и моментом разрыва химической связи. Данный промежуток времени может быть уменьшен за счет увеличения скорости приложения усилия от режущего тела. В этом случае существенно уменьшается упругая деформация и пропорционально снижается количество энергии, затраченной на процесс резания и соответственно количество выделяемого тепла. Ускорение процесса резания сопровождается существенным уменьшением ударной вязкости полимера [22] и приближению типа процесса разрушения к хрупкому. Хрупкое разрушение полимера по причине отсутствия четкой кристаллической решетки сопровождается лавинообразным ростом трещин, размер которой l коррелирует с количеством прилагаемой энергии E и скоростью передачи этой энергии с (1).
l = f(E, c), (1)
где l – длина трещины; E – энергия, передаваемая материалу в процессе его разрушения; c – скорость звука в материале.
Композиционный материал представляет собой структурированный в той или иной степени массив, содержащий армирующие волокна. Армирующие волокна представляют собой четко структурированные образования с ненарушенной кристаллической решеткой. По причине отсутствия или минимизации дефектов, такие материалы как углеродные нити, стекловолокно и др. имеют очень высокую прочность, значение которой приближается к теоретической и сопоставимую с модулем упругости материала [23, с. 175-212]. При этом армирующие волокна не имеют высокой структурной жесткости и прочности при сжатии и поперечном сдвиге. Поэтому армирующие волокна могут выполнять свою роль только в структуре полимера, который содержит в своей структуре данные волокна. При этом матрица объединяет армирующие волокна в единое целое, КМ приобретает высокую прочность на растяжение, а также на сжатие и поперечный сдвиг [24]. Однако КМ теряет четкую кристаллическую структуру и приобретает дефекты внутри матрицы и на границе матрицы и армирующих волокон. При этом армирующие волокна передают механическую нагрузку матрице посредством сил адгезии от атомов армирующего волокна к атомам адгезионного слоя и в тело матрицы, которая перераспределяет нагрузку за счет своих упругих свойств между другими армирующими волокнами [7]. Кроме того, КМ приобретает существенно анизотропные свойства на макроуровне при упорядоченном расположении армирующих волокон, либо на микроуровне при хаотичном их расположении.
Процесс резания композиционного материала сопровождается упругой деформацией полимера матрицы с большим выделением тепла. Наличие в структуре КМ армирующих волокон приводит к значительному увеличению упругой деформации, поскольку армирующее волокно имеет ненарушенную кристаллическую решетку и его разрушение происходит принципиально иначе, чем в полимерах. Армирующие волокна представляют собой выращенные кристаллы, содержащие в структуре атомы или химические молекулы [25]. Поскольку в армирующих волокнах отсутствуют дефекты, то данный материал разрушается не от места концентратора напряжений, а посредством растягивания межатомных кристаллических связей, что многократно увеличивает количество энергии, необходимое для разрыва связей в области приложения механической нагрузки. Отличие кристаллической связи заключается в том, что одновременно работает значительно большее количество связей, чем в полимерных молекулах, а также имеется синергетический эффект за счет взаимодействия атомов решетки с электронами соседних и удаленных атомов этой решетки. Все эти факторы приводят к тому, что режущее тело, встречая на своем пути армирующее волокно, натягивает его как струну, существенно деформируя и волокно и матрицу. Но разрушение материала происходит только после разрушения связей кристаллической решетки армирующего волокна после значительной упругой деформации всего КМ [26]. Кроме того, возникает такой эффект, что на армирующее волокно, закрепленное в матрице КМ силами адгезии, осуществляется воздействие, как на отдельное тело, нежестко закрепленное в упругой массе. Разрушение нежестко закрепленного тела неизбежно приводит к повреждению структуры материала вблизи места контакта и на некотором удалении от него. Процесс такого резания напоминает разрыв слабонатянутой струны внутри менее жесткой среды. Армирующее волокно (АВ) при этом может разрезать матрицу, терять адгезионные связи и нарушать целостность КМ на микроуровне. Кроме того, разрыв тонкого протяженного тела без ослабленных точек может рваться в непредсказуемых местах, что существенно снижает качество обрабатываемой поверхности КМ и наличие на обработанной поверхности фрагментов порванных волокон.
Результаты исследования и их обсуждение
В связи с представленным анализом первая фундаментальная задача для повышения энергоэффективности процесса резания КМ, коррелирует с аналогичной задачей при резании полимеров и заключается в уменьшении времени упругой деформации цепочки атомов матрицы и армирующих волокон под действием режущего тела с целью увеличения жесткости системы матрица-АВ и перевода механизма разрушения армирующих волокон в область квазихрупкого разрушения. Реализация данной задачи позволит уменьшить энергоемкость процесса резания КМ за счет уменьшения потерь энергии на упругую деформацию КМ. Снижение области распространения волны деформации по разрезаемому армирующему волокну и матрицы позволит локализовать область разрушения волокна и матрицы и повысит качество обрабатываемой поверхности. Снижение упругой деформации армирующего волокна будет способствовать снижению повреждения матрицы и разрушения адгезионных связей между АВ и матрицей. Снижение энергоемкости процесса резания приведет к снижению тепловыделения и износа режущего инструмента за счет уменьшения энерго-временных параметров взаимодействия режущей и разрезаемой поверхностей при отсутствии изменений твердости и абразивности материалов.
Данная задача для КМ может быть также реализована двумя путями. Первый подход – уменьшение длины и количества атомов в отдельных полимерных молекулах, а также уменьшение и ослабление связей полимерных молекул между соседними полимерными молекулами [18, 19]. Второй подход заключается в уменьшении цепочки атомов, передающих волну упругой энергии, способствующей упругой деформации полимера и АВ. Техническая реализация второго подхода как правило показывает более значимые перспективы для повышения качества обрабатываемой поверхности и имеет три основных направления.
Первое направление связано с резанием на высокой скорости за счет достижения скорости вращения детали или режущего инструмента более 15 000 об/мин [27-29]. При этом линейная скорость резания будет существенно зависеть от диаметра детали или режущего инструмента, что потребует настраивать кинематические параметры конкретно под выполняемую технологическую операцию или даже в процессе этой операции. Техническая реализация данного подхода также осложняется повышенными энергозатратами, требованиями к безопасности процесса и сложности контроля качества обработанной поверхности. Энергоемкость процесса резания увеличивается по мере увеличения скорости резания [30]. Также с увеличением скорости резания может снижаться точность обработки и качество обрабатываемой поверхности
Второе направление связано с приложением механического колебательного воздействия через режущий инструмент к обрабатываемому материалу в процессе точения или фрезерования. Данное направление появилось во второй половине XX века при обработке металлов [31, 32]. Применительно к КМ в настоящее время исследуется в научных организациях (СТАНКИН, ИМАШ, МГТУ Баумана, ТПУ). При этом в Китае и Индии данное направление получило широкое распространение [33, 34] и активно развивается в настоящее время. Наложение ультразвуковых колебаний широко применяется при обработке композиционных и керамических изделий в области протезирования и стоматологии в медицине [35, 36]. Переменное силовое воздействие с высокой скоростью сочетает в себе возможности выполнения задачи снижения энергоемкости резания КМ, снижения износа режущего инструмента, достижения высокого качества обработанной поверхности за счет контролируемого количества энергии, передаваемой в зону образования трещины в каждый цикл. Исследования показывают, что скорости приложения нагрузки, вызывающей хрупкое разрушение КМ соответствуют параметры ультразвуковых колебаний [37]. Колебания более низких частот вызывают побочные явления в виде резонанса режущего инструмента, недостаточная скорость приложения нагрузки [38, с. 204-207]. Технические трудности реализации данного подхода связаны с необходимостью разработки узла крепления режущего инструмента (фрезы) с возможностью одновременной передачи крутящего момента и возвратно-поступательного колебательного движения с частотой не менее 20 кГц. Для достижения энергоэффективного режима обработки также требуется поиск режима авторезонанса режущей системы станка с целью снижения рассеивания энергии колебательной системы. В настоящее время в Мире известны и находят широкое применение источники ультразвуковых колебаний с автоподстройкой режима авторезонанса [39].
Третье направление связано с пропусканием звуковых колебаний внутри КМ в процессе механической обработки. Данное направление исследовалось в р. Беларусь [38, с. 136-225] при обработке металлов. Автором исследованы энергетические параметры ультразвуковых колебаний, технологические характеристики и качество обработанной поверхности. Применительно к обработке полимеров и КМ данный подход также имеет существенные перспективы. В качестве преимущества можно отметить простоту технической реализации, независимо от формы обрабатываемой детали. Однако пропускание ультразвука в КМ может вызывать модификацию структуры и свойств [40]. В частности возможно уменьшение размеров полимерных молекул в результате их деления, образование новых структурных образований и химических связей. Данные изменения могут иметь как положительное, так и негативное значение применительно к физико-механическим и эксплуатационным характеристикам КМ. В связи с этим необходимо исследование влияния ультразвука с различными энергетическими параметрами на свойства и структуру полимеров и КМ. В результате пропускания ультразвуковых колебаний внутри полимера может увеличиваться его трещиностойкость, меняться упругие и другие физические свойства [41]. Но при определенном воздействии ультразвук может способствовать разрушению полимерных молекул и ослаблению материала [18].
Выводы
1. Для повышения качества обработки необходимо использовать методы с дозированным подводом энергии, преобразуемой в механическую энергию разрушения и трещинообразования.
2. Также для повышения качества обработки композиционных материалов необходимо учитывать изменение реологических свойств КМ и их составляющих при динамическом воздействии. В частности повышение скорости механической обработки связано именно с изменением реологических характеристик, ударной вязкости матрицы и волокон в момент воздействия. Однако существенная скорость обработки наоборот может приводить к снижению качества обработанной поверхности по причине неконтролируемого роста трещин.
3. Для повышения качества обработки необходимо снижать глубину разрушения или длину трещины, образуемой в один заход. А именно необходимо снижать подачу, усилие длительного воздействия, необходимо регулировать углы резания для уменьшения заглубления трещины в матрицу.
4. Для снижения энергоемкости процесса необходимо применять дозированное преобразование энергии в механическую энергию разрушения материала при помощи наложения колебательного воздействия на режущий инструмент или на сам материал, предварительной механической или другой физической обработки с целью нанесения ограниченного повреждения.
5. Дополнительные возможности дает предварительная обработка КМ с целью частичного разрушения или ослабления поверхности, а также с целью модификации структуры и моделирования физических свойств. Однако данный подход должен применяться с учетом специализированного назначения конкретной детали, ее физико-механических характеристик, что существенно удорожает применение данного подхода и ограничивает его массовое применение.
Библиографическая ссылка
Шигин А.О. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ЭФФЕКТИВНОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ // Современные наукоемкие технологии. – 2023. – № 12-2. – С. 258-263;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=39891 (дата обращения: 20.05.2024).