RU2689574C1 - Композиционный материал с эффектом памяти формы и способ реализации эффекта памяти формы - Google Patents
Композиционный материал с эффектом памяти формы и способ реализации эффекта памяти формы Download PDFInfo
- Publication number
- RU2689574C1 RU2689574C1 RU2018107532A RU2018107532A RU2689574C1 RU 2689574 C1 RU2689574 C1 RU 2689574C1 RU 2018107532 A RU2018107532 A RU 2018107532A RU 2018107532 A RU2018107532 A RU 2018107532A RU 2689574 C1 RU2689574 C1 RU 2689574C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- composite material
- shape memory
- memory effect
- deformation
- reinforcing elements
- Prior art date
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08L101/00—Compositions of unspecified macromolecular compounds
- C08L101/12—Compositions of unspecified macromolecular compounds characterised by physical features, e.g. anisotropy, viscosity or electrical conductivity
Abstract
Изобретение относится к полимерным композиционным материалам с особыми свойствами, которые используются в различных областях, например в машиностроении, медицине, в качестве конструкционных материалов. Композиционный материал с эффектом памяти формы включает полимерную матрицу, армированную элементами из сплавов с эффектом памяти формы. Армирующие элементы представляют собой волокна, пластины или их сочетание. Матрица представляет собой композиционный материал на основе полимера, армированного элементами из различных материалов, в качестве которых могут использоваться углепластики, стеклопластики. Способ реализации эффекта памяти формы в композиционном материале может включать деформацию его при температуре ниже Ми нагрев до температуры выше А, причем при деформации материал выдерживают под нагрузкой не менее 30 минут. Способ реализации эффекта памяти формы в композиционном материале может включать его деформацию при температуре ниже Ми нагрев до температуры выше А, причем деформацию проводят со скоростью не более 0,3% в минуту. Технический результат заключается в повышении величины восстанавливаемой при нагреве деформации композиционного материала. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 табл.
Description
Изобретение относится к полимерным композиционным материалам с особыми свойствами.
Полимерные композиционные материалы широко используются в различных областях машиностроения, медицине и т.п. в качестве конструкционных материалов (Композиционные материалы: Справочник под ред. В.В. Васильева - М., Машиностроение, 1990 г.). Расширить возможности применения композиционных материалов удастся, если им придать особые свойства за счет, например, армирования элементами из функциональных материалов. Такими материалами могут служить сплавы с эффектом памяти формы и сверхупругостью.
В Патенте РФ №2477627, принятым за прототип, предложен полимерный композиционный материал, в котором армирующие элементы из сплава с термомеханической памятью выполнены в виде волокон длиной не менее чем в 3 раза превышающей расстояние между ними и имеющими температуру восстановления формы, соответствующую температуре эксплуатации композиционного материала.
Однако полимерные материалы, являющиеся матрицей такого композиционного материала, могут иметь сильно отличающиеся физико-механические свойства, в частности, модуль упругости. Чрезмерная жесткость матрицы из полимера с высоким модулем упругости будет препятствовать реализации эффекта памяти формы, несмотря на соблюдение условий, определенных в указанном патенте.
Задачей предложенного технического решения является разработка композиционного материала, наиболее полно проявляющего эффект памяти формы.
Технический результат заключается в повышении величины восстанавливаемой при нагреве деформации композиционного материала.
Поставленная задача решается за счет того, что композиционный материал с эффектом памяти формы включает полимерную матрицу, армированную элементами из сплавов с эффектом памяти формы, причем объемная доля армирующих элементов удовлетворяет следующему соотношению:
VA>ЕМ/(ЕМ+ЕА)
где VA - объемная доля армирующих элементов,
ЕМ - модуль упругости полимерной матрицы,
ЕА - «эффективный» модуль упругости армирующих элементов их сплавов с эффектом памяти формы.
Армирующие элементы представляют собой волокна, пластины или их сочетание.
Матрица может представлять собой композиционный материал на основе полимера, армированного элементами из различных материалов, например, углепластики, стеклопластики и т.п.
Способ реализации эффекта памяти формы в композиционном материале может включать деформацию его при температуре ниже МК и нагрев до температуры выше АК (Сплавы с эффектом памяти формы / Под ред. Фунакубо X. - М.: Металлургия. 1990 г.), причем при деформации материал выдерживают под нагрузкой не менее 30 минут.
Способ реализации эффекта памяти формы в композиционном материале может включать его деформацию при температуре ниже МК и нагрев до температуры выше АК, причем деформацию проводят со скоростью не более 0,3% в минуту.
Технический результат достигается путем регламентации объемной доли армирующих элементов в композиционном материале в зависимости от соотношения модулей упругости армирующего материала и материала матрицы. Причем, в качестве модуля упругости армирующего материала из сплавов с эффектом памяти формы рассматривается «эффективный» модуль упругости, который характеризует механическое поведение материала при нагружении до критических напряжений при реализации эффекта памяти формы (Коллеров М.Ю. и др. Титан, 2012 г., №2).
При реализации эффекта памяти формы, армирующие элементы изменяют свою форму (деформируются) на достаточно большую величину (до 8%). Окружающая их матрица будет подвергаться деформации со стороны восстанавливающих форму армирующих волокон. В первом приближении, при нагружении равенство деформаций в композиционном материале армирующих элементов и матрицы будет наблюдаться при тождестве их жесткостей, которые можно выразить в виде соотношения:
В этом случае можно ожидать, что композиционный материал будет восстанавливать не более половины от деформации армирующих элементов из сплавов с эффектом памяти формы (до 4%). Если объемная доля армирующих элементов меньше, чем следует из соотношения (1), то величина восстанавливаемой деформации снижается в значительно большей степени. Таким образом, для того, чтобы композиционный материал мог восстанавливать при нагреве не менее половины деформации, объемная доля армирующих элементов из сплавов с эффектом памяти формы должна удовлетворять неравенству:
где VA - объемная доля армирующих элементов из сплавов с памятью формы,
ЕА - «эффективный» модуль упругости сплава с памятью формы,
ЕМ - модуль упругости материала матрицы.
Из неравенства (2) следует, что объемная доля армирующих элементов из сплава с памятью формы зависит от модуля упругости материала матрицы. В случае использования в качестве матрицы материалов с малым модулем упругости, например, эластомеров типа силиконовой резины, объемная доля армирующих элементов может быть невелика, а при применении термопластов типа полиамид 66 или реактопластов типа эпоксидной смолы, она должна быть значительно повышена.
В качестве матрицы композиционного материала могут быть использованы полимеры, армированные органическими или неорганическими материалами для повышения ее механических или служебных свойств, например, углепласты, стеклопласты и т.п. При этом сохраняется необходимость выполнения неравенства (2).
Армирующие элементы из сплавов с памятью формы могут быть использованы в виде волокон (волокнистые композиционные материалы) или пластин (слоистые композиционные материалы).
Особенностью механического поведения полимерных материалов и композиционных материалов на их основе является упруго-вязкое поведение, которое, в частности, проявляется во временной зависимости напряжений в полимере и их релаксации. Эту особенность необходимо учитывать при реализации эффекта памяти формы в композиционном материале, армированном элементами из сплавов с памятью формы.
Так, деформацию композиционного материала при температуре ниже МК сплава с памятью формы, необходимо проводить либо со скоростью 0,3% в минуту, либо выдерживать в нагруженном состоянии не менее 30 минут. В этом случае удается зафиксировать максимальную остаточную деформацию композиционного материала, которая будет восстанавливаться при нагреве выше АК сплава с памятью формы.
Примеры:
Были изготовлены образцы композиционного материала, в которых в качестве матрицы использовались полиамид 66, сэвилен и стеклопластик с эпоксидной матрицей. Модули упругости этих материалов составляли, соответственно 1,5; 0,4; 30 ГПа. В качестве армирующих элементов применяли волокна в виде проволоки диаметром 1,3 мм и в виде пластин толщиной 2,2 и 1,5 мм из сплава ТН1 (температуры МК = 28°С, АК = 50°С). Эффективный модуль упругости сплава ТН1 равен 5 ГПа. В соответствии с неравенством (2) объемная доля армирующих элементов из сплава с эффектом памяти формы должна быть не менее 0,23 для полиамида 66, 0,09 для сэвилена и 0,8 для стеклопластика. Образцы композиционного материала размером ≈ 5×20×150 мм получали прессованием при температуре 180-260°С. Волокна в полиамиде 66 и сэвилене располагались по средней плоскости образца на равных расстояниях друг от друга. Объемную долю армирующих элементов меняли количеством волокон в композиционном материале. Пластины из сплава ТН1 в слоистом композиционном материале располагали по поверхностям образца, стеклопластик - между ними.
Образцы при комнатной температуре (ниже МК) деформировали изгибом на 10% со скоростями 10; 0,3; 0,1% в минуту. Часть образцов после деформации со скоростью 10% в минуту выдерживали под нагрузкой в течении 15, 30 и 60 минут, после чего измеряли остаточную деформацию и подвергали нагреву до температуры 60°С (выше АК). После нагрева замеряли остаточную деформацию, которую вычитали из остаточной деформации, зафиксированной при комнатной температуре. Эта разность соответствовала восстановленной при нагреве деформации. Результаты экспериментов приведены в Таблице.
Анализ приведенных результатов показал, что у образцов, для которых выполняется неравенство (2) при скоростях деформации не более 0,3% в минуту или при выдержке в нагруженном состоянии не менее 30 минут, в композиционном материале при комнатной температуре удается зафиксировать значительную остаточную деформацию (см. опыты 1-7), которая при последующем нагреве практически полностью восстанавливается.
Аналогичные результаты наблюдались при использовании армирующих материалов из других сплавов на основе Al, Cu и других.
Таким образом, задачу изобретения можно считать выполненной.
Claims (10)
1. Композиционный материал с эффектом памяти формы, включающий полимерную матрицу, армированную элементами из сплавов с эффектом памяти формы, отличающийся тем, что объемная доля армирующих элементов удовлетворяет следующему соотношению:
VA>ЕМ/(ЕМ+ЕА),
где VA - объемная доля армирующих элементов,
ЕМ - модуль упругости полимерной матрицы,
ЕА - "эффективный" модуль упругости армирующих элементов их сплавов с эффектом памяти формы.
2. Композиционный материал по п. 1, отличающийся тем, что армирующие элементы представляют собой волокна, пластины или их сочетание.
3. Композиционный материал по п. 1, отличающийся тем, что матрица представляет собой композиционный материал на основе полимера, армированного элементами из различных материалов.
4. Композиционный материал по п. 3, отличающийся тем, что в качестве армирующих элементов могут использоваться углепластики, стеклопластики.
5. Способ реализации эффекта памяти формы в композиционном материале по п. 1, включающий его деформацию при температуре ниже МК и нагрев до температуры выше АК, причем при деформации материал выдерживают под нагрузкой не менее 30 минут.
6. Способ реализации эффекта памяти формы в композиционном материале по п. 1, включающий его деформацию при температуре ниже МК и нагрев до температуры выше АК, причем деформацию проводят со скоростью не более 0,3% в минуту.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018107532A RU2689574C1 (ru) | 2018-03-01 | 2018-03-01 | Композиционный материал с эффектом памяти формы и способ реализации эффекта памяти формы |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018107532A RU2689574C1 (ru) | 2018-03-01 | 2018-03-01 | Композиционный материал с эффектом памяти формы и способ реализации эффекта памяти формы |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2689574C1 true RU2689574C1 (ru) | 2019-05-28 |
Family
ID=67037157
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018107532A RU2689574C1 (ru) | 2018-03-01 | 2018-03-01 | Композиционный материал с эффектом памяти формы и способ реализации эффекта памяти формы |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2689574C1 (ru) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2001091822A1 (en) * | 2000-05-31 | 2001-12-06 | Mnemoscience Gmbh | Shape memory thermoplastics and polymer networks for tissue engineering |
CN101332647A (zh) * | 2007-06-27 | 2008-12-31 | 冷劲松 | 形状记忆聚合物及其复合材料智能模具制备方法及应用 |
RU2477627C1 (ru) * | 2011-07-18 | 2013-03-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ИЛЬКОМ" | Полимерный композиционный материал |
-
2018
- 2018-03-01 RU RU2018107532A patent/RU2689574C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2001091822A1 (en) * | 2000-05-31 | 2001-12-06 | Mnemoscience Gmbh | Shape memory thermoplastics and polymer networks for tissue engineering |
CN101332647A (zh) * | 2007-06-27 | 2008-12-31 | 冷劲松 | 形状记忆聚合物及其复合材料智能模具制备方法及应用 |
RU2477627C1 (ru) * | 2011-07-18 | 2013-03-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ИЛЬКОМ" | Полимерный композиционный материал |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Selmy et al. | Mechanical properties of inter-ply hybrid composites reinforced with glass and polyamide fibers | |
Ivens et al. | Shape recovery in a thermoset shape memory polymer and its fabric-reinforced composites. | |
Hariprasad et al. | Study of mechanical properties of banana-coir hybrid composite using experimental and fem techniques | |
Jahan et al. | Comparative study of physical and elastic properties of jute and glass fiber reinforced LDPE composites | |
Reddy et al. | Dynamic mechanical analysis of hemp fiber reinforced polymer matrix composites | |
Huang et al. | General model of temperature-dependent modulus and yield strength of thermoplastic polymers | |
RU2689574C1 (ru) | Композиционный материал с эффектом памяти формы и способ реализации эффекта памяти формы | |
Sonparote et al. | Mechanical properties of carbon/glass fibre reinforced hybrids | |
Islam et al. | Study on physio-mechanical properties of rice husk ash polyester resin composite | |
Prajer et al. | Bio‐composites for structural applications: poly‐L‐lactide reinforced with long sisal fiber bundles | |
Kore et al. | Textile-grade carbon fiber-reinforced polycarbonate composites: effect of epoxy sizing | |
BE1010823A3 (nl) | Constructieveer van met vezels versterkte kunststof. | |
Ohki et al. | Creep and cyclic mechanical properties of composites based on shape memory polymer | |
Boyd et al. | Thermomechanical response of shape memory composites | |
JP4955294B2 (ja) | 自動車部品用炭素繊維強化プラスチック成形材料及び自動車部品用炭素繊維強化プラスチック成形体 | |
Hiltz | Shape memory polymers: literature review | |
Stochioiu et al. | Basic modeling of the visco elastic behavior of flax fiber composites | |
Callens et al. | Tensile behaviour of ductile steel fibre/epoxy and steel fibre/polyamide composites | |
Yang et al. | Prestressed double network thermoset: preparation and characterization | |
Kaviti et al. | Effect of dual resin on mechanical properties of juteglass fibre reinforced hybrid composite | |
Razavi et al. | Compressive properties of Kenaf/Vinylester composite with different fibre volume | |
Lokesh et al. | Examination of Modulus of Rupture of Fibre mat Bonded with Potential Adhesives | |
Nakada et al. | Time and temperature dependence on the flexural fatigue strength in the transverse direction of unidirectional CFRP | |
Hiltz | Shape Memory Polymers | |
Ramesh et al. | Experimental investigation on the mechanical properties of flax, E-glass and carbon fabric reinforced hybrid epoxy resin composites |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20191017 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20210302 |