RU2750491C1 - Method for creating test samples for carrying out strength studies in the system of monofilament - polymer matrix (drop - sting test) and a device for creating test samples - Google Patents

Method for creating test samples for carrying out strength studies in the system of monofilament - polymer matrix (drop - sting test) and a device for creating test samples Download PDF

Info

Publication number
RU2750491C1
RU2750491C1 RU2020143122A RU2020143122A RU2750491C1 RU 2750491 C1 RU2750491 C1 RU 2750491C1 RU 2020143122 A RU2020143122 A RU 2020143122A RU 2020143122 A RU2020143122 A RU 2020143122A RU 2750491 C1 RU2750491 C1 RU 2750491C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
monofilament
drop
test samples
test
binder
Prior art date
Application number
RU2020143122A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Викторович Шапагин
Антон Павлович Черевинский
Аркадий Анатольевич Потеряев
Никита Юрьевич Будылин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук (ИФХЭ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук (ИФХЭ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук (ИФХЭ РАН)
Priority to RU2020143122A priority Critical patent/RU2750491C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2750491C1 publication Critical patent/RU2750491C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
  • Sampling And Sample Adjustment (AREA)

Abstract

FIELD: test samples creation.
SUBSTANCE: invention relates to a method for creating test samples for conducting strength studies in a monofilament-matrix system (cured thermo-plastic binder) for fibers of various sizes, including ultra-thin ones (fiber diameter less than 10 microns). The resulting test sample differs from samples of other adhesive micromechanical techniques in that during its creation, the area of ​​the monofilament-matrix interface is precisely controlled. Shallow immersion depths (several tens of micrometers) make it possible to reduce the fracture load of the adhesive system below the cohesive failure load of the monofilament.
EFFECT: obtaining a test sample for carrying out deformation and strength studies of the monofilament - matrix system, suitable for studying interfacial interactions in systems with ultrathin monofilaments (less than 10 microns).
2 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к способу создания тестовых образцов для проведения исследований прочности в системе моноволокно - матрица (отвержденное реактопластичное связующее) для волокон различных размеров в том числе сверхтонких (диаметр волокна менее 10 мкм).The invention relates to a method for creating test samples for conducting strength studies in a monofilament-matrix system (cured thermo-plastic binder) for fibers of various sizes, including ultra-thin ones (fiber diameter less than 10 microns).

В современной промышленности широко используются волокнистые полимерные композиционные материалы (ПКМ), на основе реактопластичных матриц, армированные волокнами различной природы [Pedram Parandoush, Dong Lin A review on additive manufacturing of polymer-fiber composites // Composite Structures, 2017, V.182, pp.36-53; Kablov E.N. Composites: today and tomorrow // Metally Evrazii, 2015; Yao S.-S., Jin F.-L., Rhee K.Y., Hui D., Par S.-J. Recent advances in carbon-fiber-reinforced thermoplastic composites: A review // Composites Part B: Engineering, 2018, V.142, pp.241-250]. Деформационно-прочностные свойства армированных композитов определяются не только характеристиками матрицы и волокна, но и свойствами на межфазной границе волокно-матрица [Hughes J.D.H. The carbon fibre/epoxy interface - a review // Composites Science and Technology, 1991, V.41, pp.13-45]. Известно, что матрица равномерно распределяет нагрузку между волокнами, поэтому состояние граничного слоя в системе волокно-матрица во многом определяет степень реализации прочности армирующего наполнителя в композите. В связи с этим, для разработки современных волокнистых композиционных материалов, обладающих комплексом высоких физико-механических характеристик необходимо иметь надежную, воспроизводимую методику, позволяющую проводить адгезионные исследования на межфазной границе волокно-матрица в широком диапазоне характеристик компонентов.In modern industry, fibrous polymer composite materials (PCM), based on thermo-plastic matrices, reinforced with fibers of various natures are widely used [Pedram Parandoush, Dong Lin A review on additive manufacturing of polymer-fiber composites // Composite Structures, 2017, V.182, pp .36-53; Kablov E.N. Composites: today and tomorrow // Metally Evrazii, 2015; Yao S.-S., Jin F.-L., Rhee K.Y., Hui D., Par S.-J. Recent advances in carbon-fiber-reinforced thermoplastic composites: A review // Composites Part B: Engineering, 2018, V.142, pp. 241-250]. The deformation and strength properties of reinforced composites are determined not only by the characteristics of the matrix and the fiber, but also by the properties at the fiber-matrix interface [Hughes J.D.H. The carbon fiber / epoxy interface - a review // Composites Science and Technology, 1991, V.41, pp.13-45]. It is known that the matrix evenly distributes the load between the fibers; therefore, the state of the boundary layer in the fiber-matrix system largely determines the degree of realization of the strength of the reinforcing filler in the composite. In this regard, for the development of modern fibrous composite materials with a complex of high physical and mechanical characteristics, it is necessary to have a reliable, reproducible technique that allows adhesion studies at the fiber-matrix interface in a wide range of component characteristics.

Важно, что методики прямого измерения прочности в системе моноволокно-матрица, моделирующей элементарную ячейку волокнистого ПКМ [Karzov I.M., Alentiev A.Yu., Bogdanova Yu.G., Kostiina Yu.V., Shapagin A.V. The influence of "fibre-matrix" interface energetic characteristics on the polymer composite strength // Moscow University Chemistry Bulletin, 2010, V.51, N.6, p.462], позволяют избежать наложения на результат конструкционных, масштабных и других факторов, и получить истинные значения прочности, учитывающие только физико-химические свойства компонентов системы. Измерение адгезионной прочности микромеханической методикой в такой ячейке максимально соответствует процессам, происходящим в реальных полимерных композиционных материалах при разрушении.It is important that the methods of direct measurement of strength in a monofilament-matrix system simulating the unit cell of a fibrous PCM [Karzov I.M., Alentiev A.Yu., Bogdanova Yu.G., Kostiina Yu.V., Shapagin A.V. The influence of "fiber-matrix" interface energetic characteristics on the polymer composite strength // Moscow University Chemistry Bulletin, 2010, V.51, N.6, p.462], allow avoiding the imposition of structural, large-scale and other factors on the result, and obtain the true values of strength, taking into account only the physicochemical properties of the components of the system. The measurement of the adhesive strength by the micromechanical technique in such a cell corresponds to the maximum extent to the processes occurring in real polymer composite materials during fracture.

Основная сложность при исследовании адгезионной прочности микромеханическими методами в системе моноволокно-матрица заключается в приготовлении тестовых образцов [Chand S. Review Carbon fibers for composites // J. of Materials Science, 2000, V. 35, pp. 1303-1313]. На сегодняшний день, лучшие прочностные свойства демонстрируют ПКМ, армированные углеродными волокнами (УВ), диаметры которых варьируются от 5 до 10 мкм. Сверхтонкие моноволокна характеризуются низкими абсолютными значениями когезионной прочности, что требует, при разработке микромеханической методики определения прочности, снижения поверхности контакта в адгезионной паре моноволокно-матрица до значений, исключающих когезионное разрушение моноволокна при его извлечении.The main difficulty in the study of adhesion strength by micromechanical methods in the monofilament-matrix system is the preparation of test samples [Chand S. Review Carbon fibers for composites // J. of Materials Science, 2000, V. 35, pp. 1303-1313]. To date, the best strength properties are demonstrated by PCMs reinforced with carbon fibers (CF), the diameters of which vary from 5 to 10 microns. Ultrathin monofilaments are characterized by low absolute values of cohesive strength, which requires, when developing a micromechanical technique for determining strength, to reduce the contact surface in an adhesive monofilament-matrix pair to values that exclude cohesive destruction of the monofilament during its extraction.

Разработанные ранее методики прямого определения прочности имеют ряд недостатков, связанных со способами создания тестовых образцов. В микромеханической методике «трех волокон» [Горбаткина Ю.А., Иванова-Мумжиева В.Г. Адгезия модифицированных эпоксидов к волокнам // Москва, ТОРУС ПРЕСС, 2018, 216с.; Gorbatkina Yu.A. Adhesive Strength of Fibre-Polymer System // Ellis Horwood, New York, London, 1992] область контакта моноволокна и матрицы невозможно регулировать, так как она определяется диаметром вспомогательных стеклянных волокон. Методика, для которой приготовление тестовых образцов осуществляется этим способом, не может быть использована при исследовании моноволокон с диаметрами менее 10 мкм. Микромеханическую методику microbond [Day R.J., Caucih Rodrigez J.V.// Investigation of the micromechanics of the microbond test // Composites Science and Technology. 1998. V.58, Iss.6, pp.907-914; Wu Q., Zhao R., Zhu J, Wang F. //. Interfacial improvement of carbon fiber reinforced epoxy composites by tuning the content of curing agent in sizing agent// Applied Surface Science. 2020. V. 504. p. 12] невозможно использовать для измерений адгезионной прочности в системе углеродное моноволокно-матрица, так как диаметр углеродных моноволокон обуславливает малый размер капли отвержденного связующего (матрицы) при котором невозможно использовать оснастку для испытаний. Методика fragmentation test SFFT [Feih S., Wonsyld K., Minzari D. Wesermann P., Lolholt H. Testing Procedure for the Single Fiber Fragmentation Test // Roskilde: Risø National Laboratory, 2004 Report no.: Risø-R-1483(EN)] позволяет получать достоверные результаты для волокон практически любой толщины. Однако, ее использование существенно ограничивает сложность предварительных калибровочных процедур и обработки экспериментально полученных данных, а на точность и воспроизводимость результатов существенное влияние оказывает способ создания тестовых образцов. Одной из самых востребованных, наряду с методикой microbond является pull-out test в обеих модификациях (крепление в зажим сверху и фиксация ножом) [Sørensen B.F., Lolholt H. Fiber pull-out test and single fiber fragmentation test - analysis and modelling // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Volume 139, 37th Risø International Symposium on Materials Science 5-8 September 2016, Risø, Denmark; Di Francia S., Ward T.C., Claus R.O. The single-fibre pull-out test. 1: Review and interpretation // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 1996, V.27, Iss.8, pp.597-612.], но его возможности не позволяют определять прочность адгезионных систем со сверхтонкими углеродными моноволокнами, в связи с отсутствием условий для контроля площади поверхности адгезионного контакта.The previously developed methods for direct determination of strength have a number of disadvantages associated with the methods of creating test samples. In the micromechanical technique of "three fibers" [Gorbatkina Yu.A., Ivanova-Mumzhieva V.G. Adhesion of modified epoxides to fibers // Moscow, TORUS PRESS, 2018, 216p .; Gorbatkina Yu.A. Adhesive Strength of Fiber-Polymer System // Ellis Horwood, New York, London, 1992] the area of contact between the monofilament and the matrix cannot be adjusted, since it is determined by the diameter of the auxiliary glass fibers. The technique for which the preparation of test samples is carried out in this way cannot be used when examining monofilaments with diameters less than 10 μm. Micromechanical technique of microbond [Day R.J., Caucih Rodrigez J.V. // Investigation of the micromechanics of the microbond test // Composites Science and Technology. 1998. V. 58, Iss. 6, pp. 907-914; Wu Q., Zhao R., Zhu J, Wang F. //. Interfacial improvement of carbon fiber reinforced epoxy composites by tuning the content of curing agent in sizing agent // Applied Surface Science. 2020. V. 504. p. 12] cannot be used to measure the adhesion strength in the carbon monofilament-matrix system, since the diameter of the carbon monofilaments determines the small droplet size of the cured binder (matrix), which makes it impossible to use test equipment. SFFT fragmentation test [Feih S., Wonsyld K., Minzari D. Wesermann P., Lolholt H. Testing Procedure for the Single Fiber Fragmentation Test // Roskilde: Risø National Laboratory, 2004 Report no .: Risø-R-1483 ( EN)] provides reliable results for virtually any fiber thickness. However, its use significantly limits the complexity of preliminary calibration procedures and processing of experimentally obtained data, and the method of creating test samples significantly affects the accuracy and reproducibility of the results. One of the most popular, along with the microbond technique, is the pull-out test in both modifications (clamping from above and fixing with a knife) [Sørensen BF, Lolholt H. Fiber pull-out test and single fiber fragmentation test - analysis and modeling // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Volume 139, 37th Risø International Symposium on Materials Science 5-8 September 2016, Risø, Denmark; Di Francia S., Ward T.C., Claus R.O. The single-fiber pull-out test. 1: Review and interpretation // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 1996, V.27, Iss.8, pp.597-612.], But its capabilities do not allow determining the strength of adhesive systems with ultra-thin carbon monofilaments, due to with the absence of conditions for controlling the surface area of the adhesive contact.

Таким образом, на сегодняшний день для моноволокон с размерами менее 10 мкм не существует методик измерения прочности в системе моноволокно-реактопластичная матрица. Это связано с отсутствием в существующих способах создания тестовых образцов возможности достижения между компонентами системы площади контакта заданного размера, обеспечивающего разделение компонентов без когезионного разрушения моноволокна.Thus, to date, for monofilaments with sizes less than 10 microns, there are no methods for measuring the strength in the monofilament-thermosetting matrix system. This is due to the absence in the existing methods of creating test samples of the possibility of achieving between the components of the system of the contact area of a given size, ensuring the separation of the components without cohesive destruction of the monofilament.

Настоящее изобретение включает в себя способ создания тестовых образцов для проведения исследований прочности в системе моноволокно-матрица для реактопластичных отвержденных связующих и волокон практически любых размеров. Название патентуемого способа создания тестовых образцов - Drop-Sting test было определено авторским коллективом.The present invention includes a method for creating test specimens for performing monofilament-matrix strength studies for thermo-plastic cured binders and fibers of virtually any size. The name of the patented method for creating test samples - Drop-Sting test was determined by the team of authors.

Разработанный способ создания тестовых образцов для проведения микромеханических исследований Drop-Sting test позволяет с достаточной точностью воспроизвести процессы структурообразования в композиционных материалах, и лишена большинства недостатков, присущих имеющимся методикам. Неоспоримым достоинством способа является проведение исследований на моноволокне в отвержденном связующем. Это позволяет получать истинные значения прочностных характеристик в системе моноволокно-матрица, являющейся элементарной ячейкой ПКМ, исключая особенности, связанные с пропиткой нитей и, как следствие, с обработкой полученных результатов.The developed method of creating test samples for conducting micromechanical studies Drop-Sting test allows with sufficient accuracy to reproduce the processes of structure formation in composite materials, and is devoid of most of the disadvantages inherent in the existing methods. The indisputable advantage of this method is to conduct research on monofilament in a hardened binder. This makes it possible to obtain the true values of the strength characteristics in the monofilament-matrix system, which is an elementary cell of the PCM, excluding the features associated with the impregnation of the threads and, as a consequence, with the processing of the results obtained.

Технический результат заявленного изобретения - получение тестового образца для проведения деформационно-прочностных исследований системы моноволокно-матрица, пригодного для изучения межфазных взаимодействий в системах со сверхтонкими моноволокнами (менее 10 мкм).The technical result of the claimed invention is to obtain a test sample for carrying out deformation and strength studies of the monofilament-matrix system, suitable for studying interfacial interactions in systems with ultra-thin monofilaments (less than 10 microns).

Получаемый тестовый образец отличается от образцов других адгезионных микромеханических методик тем, что при его создании прецизионно контролируется площадь межфазной границы моноволокно - матрица. Малые глубины погружения (несколько десятков микрометров) позволяют снизить нагрузку разрушения адгезионной системы ниже нагрузки когезионного разрушения моноволокна.The resulting test sample differs from samples of other adhesive micromechanical techniques in that the area of the monofilament-matrix interface is precisely controlled during its creation. Shallow immersion depths (several tens of micrometers) make it possible to reduce the fracture load of the adhesive system below the cohesive failure load of the monofilament.

Технический результат достигается тем, что: The technical result is achieved by:

моноволокно помещают в зажим, позволяющий без механических повреждений, надежно зафиксировать его вертикально, свободный конец моноволокна имеет длину не менее глубины погружения в связующее;the monofilament is placed in a clamp, which allows it to be securely fixed vertically without mechanical damage, the free end of the monofilament has a length not less than the immersion depth in the binder;

подложку из медной (серебряной, алюминиевой) проволоки (диаметр 100÷500 мкм) размещают на термостатируемом столике вертикально под моноволокном;a substrate made of copper (silver, aluminum) wire (diameter 100 ÷ 500 μm) is placed on a thermostatically controlled table vertically under the monofilament;

каплю реактопластичного связующего наносят на подложку (на торец проволоки);a drop of thermo-plastic binder is applied to the substrate (on the end of the wire);

совмещают конец моноволокна и вершину капли, позиционирование осуществляют при помощи гониометрического стола микромеханическими винтами по осям oX, oY и при помощи прецизионного шагового двигателя по оси oZ, контроль осуществляется оператором через видео камеру горизонтального микроскопа;the end of the monofilament and the top of the drop are aligned, positioning is carried out using a goniometric table with micromechanical screws along the oX, oY axes and using a precision stepping motor along the oZ axis, control is carried out by the operator through the video camera of a horizontal microscope;

погружают моноволокно в каплю связующего на заданную глубину, прецизионным перемещением вверх подложки на термостатируемом столике;immerse the monofilament in a drop of binder to a predetermined depth by precisely moving the substrate upward on a thermostatted table;

адгезионную систему нагревают до температуры отверждения связующего и выдерживают до фиксации компонентов системы (до точки гелеобразования);the adhesive system is heated to the curing temperature of the binder and held until the components of the system are fixed (to the point of gelation);

полное отверждение системы проводят в термостатируемом шкафу, для увеличения скорости создания тестовых образцов;complete curing of the system is carried out in a thermostatted cabinet to increase the speed of creating test samples;

тестовый образец вклеивают в держатель для проведения деформационно-прочностных испытаний.the test piece is glued into the holder for deformation and strength tests.

Устройство для создания тестового образца позволяет опустить моноволокно на определенную глубину в реактопластичное связующее и посредством отверждения связующего при заданной температуре зафиксировать систему моноволокно-матрица. Формирование адгезионного соединения происходит с микроскопическим контролем на разработанном оригинальном прецизионном устройстве и включает:The device for creating a test sample allows you to lower the monofilament to a certain depth in a thermo-plastic binder and fix the monofilament-matrix system by curing the binder at a given temperature. The formation of an adhesive bond occurs with microscopic control on a developed original precision device and includes:

зажим для крепления моноволокна, обеспечивающий надежную фиксацию;clip for fastening monofilament, providing a secure fit;

систему прецизионного позиционирования моноволокна относительно матрицы по осям оX и оY, состоящую из гониометрического стола с микромеханическими винтами регулировки по осям oX и oY;a system for precision positioning of the monofilament relative to the matrix along the oX and oY axes, consisting of a goniometric table with micromechanical adjustment screws along the oX and oY axes;

систему управления позиционированием по оси oZ, в состав которой входит шаговый двигатель с редуктором, для погружения моноволокна в матрицу на заданную глубину;a positioning control system along the oZ axis, which includes a stepper motor with a gearbox, for immersing the monofilament in the matrix to a predetermined depth;

термостатируемый столик для поддержания температуры в диапазоне от 20 до 220°С;thermostatically controlled table for maintaining the temperature in the range from 20 to 220 ° С;

горизонтальный оптический микроскоп, оснащенный видео камерой для контроля за позиционированием;horizontal optical microscope equipped with a video camera for positioning control;

компьютер для обработки видеоизображения с микроскопа.a computer for processing video images from a microscope.

Сущность заявленного изобретения в дальнейшем поясняется детальным описанием и иллюстрациями, на которых изображено следующее:The essence of the claimed invention is further illustrated by a detailed description and illustrations, which depict the following:

Фиг.1. Фотоизображение устройства создания тестовых образцов по способу Drop-Sting test и вспомогательного оборудования, где:Fig. 1. Photograph of the device for creating test samples according to the Drop-Sting test method and auxiliary equipment, where:

А - устройство создания тестовых образцов;A - device for creating test samples;

Б - горизонтальный оптический микроскоп с видеокамерой;B - horizontal optical microscope with a video camera;

В - монитор компьютера с изображением тестового образца;B - computer monitor with an image of a test sample;

Г - блок управления устройством (температурой и глубиной погружения);Г - device control unit (temperature and immersion depth);

Фиг. 2. Фотоизображения видов: спереди, сбоку и на термостатируемый столик устройства создания тестовых образцов по способу Drop-Sting test, где:FIG. 2. Photo images of the views: in front, on the side and on the thermostatted stage of the device for creating test samples according to the Drop-Sting test method, where:

1 - зажим;1 - clamp;

2 - подложка;2 - substrate;

3 - термостатируемый столик;3 - thermostatically controlled table;

4 - реактопластичное связующее;4 - thermo-plastic binder;

5 - гониометрический стол;5 - goniometric table;

6 - микромеханический винт по оси oX;6 - micromechanical screw along the oX axis;

7 - микромеханический винт по оси oY;7 - micromechanical screw along the oY axis;

8 - прецизионный шаговый двигатель по оси oZ;8 - precision stepper motor along the oZ axis;

9 - горизонтальный оптический микроскоп;9 - horizontal optical microscope;

Фиг. 3. Изображение тестового образца, полученное через объектив горизонтального микроскопа, где:FIG. 3. Image of a test sample obtained through the objective of a horizontal microscope, where:

2 - подложка;2 - substrate;

4 - реактопластичное связующее;4 - thermo-plastic binder;

10 - моноволокно;10 - monofilament;

Фиг. 4. Тестовый образец в держателе, где:FIG. 4. Test piece in holder, where:

2 - подложка;2 - substrate;

4 - реактопластичное связующее;4 - thermo-plastic binder;

10 - моноволокно;10 - monofilament;

11 - держатель11 - holder

Фиг. 5. Прожигание держателя тестового образца перед проведением деформационно-прочностных исследований, где:FIG. 5. Burning through the test specimen holder before carrying out deformation and strength studies, where:

11 - держатель;11 - holder;

12 - зажимы физико-механического оборудования;12 - clamps of physical and mechanical equipment;

13 - электрод;13 - electrode;

Фиг. 6. Пример адгезионограммы, полученной при разрушении тестового образца, созданного по способу Drop-Sting test;FIG. 6. An example of an adhesion pattern obtained by breaking a test sample created by the Drop-Sting test method;

Фиг. 7. СЭМ-изображение извлеченного из матрицы моноволокна с отмеченными геометрическими параметрами контактирующей с матрицей поверхности, где:FIG. 7. SEM image of a monofilament extracted from the matrix with the marked geometric parameters of the surface in contact with the matrix, where:

10 - моноволокно;10 - monofilament;

14 - мениск отвержденного связующего;14 - meniscus of the hardened binder;

l - длинаl - length

d - диаметрd - diameter

Фиг. 8. Оптическое изображение разрушенного тестового образца после деформационно-прочностных испытаний, где:FIG. 8. Optical image of the destroyed test specimen after deformation and strength tests, where:

2 - подложка;2 - substrate;

4 - реактопластичное связующее;4 - thermo-plastic binder;

10 - моноволокно;10 - monofilament;

14 - мениск отвержденного связующего;14 - meniscus of the hardened binder;

15 - полый канал после извлечения моноволокна из матрицы.15 - hollow channel after removing the monofilament from the matrix.

Конкурентное преимущество способа создания тестовых образцов Drop-Sting test - отсутствие требований к минимальной толщине волокна и к его когезионной прочности, так как разработанный способ принципиально отличается от описанных ранее тем, что специальное устройство для создания тестовых образцов элементарных ячеек ПКМ позволяет регулировать глубину погружения моноволокна в связующее с последующей его фиксацией при отверждении. Таким образом, варьируя поверхность контакта моноволокна в матрице, достигается условие, когда прочность адгезионной системы моноволокно-матрица ниже когезионной прочности моноволокна. Соблюдение этого условия при приложении к тестовому образцу растягивающей нагрузки исключает когезионное разрушение моноволокна. Пороговая глубина фиксации моноволокна в матрице определяется эмпирически, исходя из условия, что абсолютное значение прочности адгезионного соединения должно быть ниже, чем предварительно экспериментально определенное значение прочности моноволокна.The competitive advantage of the method for creating test samples Drop-Sting test is the absence of requirements for the minimum fiber thickness and its cohesive strength, since the developed method is fundamentally different from those described earlier in that a special device for creating test samples of PCM unit cells allows you to adjust the immersion depth of the monofilament in a binder with its subsequent fixation during curing. Thus, by varying the contact surface of the monofilament in the matrix, the condition is reached when the strength of the monofilament-matrix adhesive system is lower than the cohesive strength of the monofilament. Compliance with this condition when applying a tensile load to the test specimen excludes cohesive destruction of the monofilament. The threshold depth of fixation of the monofilament in the matrix is determined empirically, proceeding from the condition that the absolute value of the strength of the adhesive joint should be lower than the previously experimentally determined value of the strength of the monofilament.

Деформационно-прочностные испытания тестовых образцов по способу Drop-Sting test проводят на физико-механическом оборудовании, которое должно обеспечивать приложение к тестовым образцам растягивающей нагрузки со скоростью в диапазоне 0,1÷10 мм/мин и регистрацию нагрузки с высокой точностью в диапазоне 0÷1 Н.The deformation and strength tests of test specimens according to the Drop-Sting test method are carried out on physical and mechanical equipment, which should ensure the application of a tensile load to the test specimens at a speed in the range of 0.1 ÷ 10 mm / min and registration of the load with high accuracy in the range of 0 ÷ 1 N.

Способ создания тестового образца осуществляется следующим образом.The method for creating a test sample is as follows.

моноволокно помещают в зажим, позволяющий без механических повреждений, надежно зафиксировать его вертикально, свободный конец моноволокна имеет длину не менее глубины погружения в связующее;the monofilament is placed in a clamp, which allows it to be securely fixed vertically without mechanical damage, the free end of the monofilament has a length not less than the immersion depth in the binder;

подложку (2) из медной (серебряной, алюминиевой) проволоки (диаметр 100÷500 мкм) размещают на термостатируемом столике (3) вертикально под моноволокном;a substrate (2) made of copper (silver, aluminum) wire (diameter 100 ÷ 500 μm) is placed on a thermostatically controlled table (3) vertically under the monofilament;

каплю реактопластичного связующего (4) наносят на подложку (на торец проволоки);a drop of thermo-plastic binder (4) is applied to the substrate (on the end of the wire);

совмещают конец моноволокна и вершину капли, позиционирование осуществляют при помощи гониометрического стола (5) микромеханическими винтами по осям oX, oY (6, 7) и при помощи прецизионного шагового двигателя по оси oZ (8), контроль осуществляется оператором через видео камеру горизонтального микроскопа (9);align the end of the monofilament and the top of the drop, positioning is carried out using a goniometric table (5) with micromechanical screws along the oX, oY axes (6, 7) and using a precision stepping motor along the oZ axis (8), control is carried out by the operator through the video camera of a horizontal microscope ( nine);

погружают моноволокно (10) в каплю связующего на заданную глубину, прецизионным перемещением вверх подложки на термостатируемом столике;immerse the monofilament (10) into a drop of binder to a predetermined depth, by precisely moving the substrate upwards on a thermostatted table;

адгезионную систему нагревают до температуры отверждения связующего и выдерживают до фиксации компонентов системы (до точки гелеобразования);the adhesive system is heated to the curing temperature of the binder and held until the components of the system are fixed (to the point of gelation);

полное отверждение системы проводят в термостатируемом шкафу, для увеличения скорости создания тестовых образцов;complete curing of the system is carried out in a thermostatted cabinet to increase the speed of creating test samples;

тестовый образец вклеивают в держатель (11) для проведения деформационно-прочностных испытаний.the test specimen is glued into the holder (11) for carrying out deformation-strength tests.

Держатель с тестовым образцом помещают в зажимы физико-механического оборудования (12) и перед нагружением боковые поверхности держателя прожигают омически разогретым электродом (13), что исключает механическое повреждение тестового образца (фиг. 5). Приложение растягивающей нагрузки в результате перемещения зажима (12) с заданной скоростью испытания, приводит к извлечению моноволокна из матрицы. В результате деформационно-прочностных испытаний системы моноволокно-матрица регистрируется адгезионограмма (фиг. 6). Проверку глубины погружения моноволокна в матрицу и оценку характера разрушения системы рекомендуется проводить посредством анализа извлеченных моноволокон в сканирующем электронном микроскопе (фиг. 7) или оптическом микроскопе (фиг. 8) с увеличением, обеспечивающем достаточное для анализа разрешение. Анализ микрофотографий (фиг. 7) позволяет определить диаметр (d) моноволокна и его глубину погружения (l) в связующее по фрагментам на моноволокне материала (14) матрицы (мениска). Из этих данных рассчитываем площадь поверхности (S) моноволокна на межфазной границе с матрицей по формулеThe holder with the test sample is placed in the clamps of the physical and mechanical equipment (12) and, before loading, the side surfaces of the holder are burned with an ohmically heated electrode (13), which excludes mechanical damage to the test sample (Fig. 5). The application of a tensile load as a result of the movement of the clamp (12) at a given test speed leads to the extraction of the monofilament from the matrix. As a result of deformation-strength tests of the monofilament-matrix system, an adhesion pattern is recorded (Fig. 6). It is recommended to check the depth of immersion of the monofilament in the matrix and assess the nature of the destruction of the system by analyzing the extracted monofilaments in a scanning electron microscope (Fig. 7) or an optical microscope (Fig. 8) with a magnification that provides sufficient resolution for analysis. Analysis of micrographs (Fig. 7) makes it possible to determine the diameter (d) of the monofilament and its immersion depth (l) in the binder from the fragments on the monofilament of the material (14) of the matrix (meniscus). From these data, we calculate the surface area (S) of the monofilament at the interface with the matrix using the formula

S=πdl+π(d/2)2.S = πdl + π (d / 2) 2 .

Полученные деформационно-прочностные зависимости (фиг. 6) позволяют рассчитать прочность системы моноволокно-матрица, как максимальное напряжение при разрушении (σР) тестового образца по формулеThe obtained deformation-strength dependences (Fig. 6) make it possible to calculate the strength of the monofilament-matrix system as the maximum stress at fracture (σ P ) of the test specimen according to the formula

σР=FР/S,σ P = F P / S,

и дифференцировать процесс разрушения, выделяя локальные пики на адгезионограмме, что важно при проведении как прикладных работ, так и фундаментальных - по изучению механизма разрушения элементарных ячеек ПКМ моноволокно-матрица.and to differentiate the process of destruction, highlighting local peaks on the adhesionogram, which is important when carrying out both applied and fundamental work - to study the mechanism of destruction of elementary cells of PCM monofilament-matrix.

Таким образом, в лаборатории структурно-морфологических исследований Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН разработан микромеханический способ Drop-Sting test создания тестовых образцов для определения прочности элементарной ячейки ПКМ моноволокно-матрица для реактопластичных связующих и для моноволокн с размерами от сотен до единиц микрометров. Способ, помимо прикладного применения для оценки качества адгезионного контакта посредством прямого измерения, полезен при проведении фундаментальных работ по изучению смачивания, адгезионных характеристик и механизма разрушения в системах моноволокно-матрица. Для реализации способа разработано оригинальное устройство создания тестовых образцов моноволокно-матрица.Thus, in the laboratory of structural and morphological studies of the Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry named after V.I. A.N. Frumkin Russian Academy of Sciences developed a micromechanical method Drop-Sting test for creating test samples to determine the strength of the unit cell of PCM monofilament-matrix for thermo-plastic binders and for monofilaments with sizes from hundreds to units of micrometers. The method, in addition to its application for assessing the quality of adhesive contact by direct measurement, is useful in fundamental studies of wetting, adhesive characteristics and the mechanism of destruction in monofilament-matrix systems. To implement the method, an original device for creating test samples of a monofilament-matrix has been developed.

Claims (3)

1. Способ создания тестовых образцов для проведения исследований прочности в системе моноволокно - полимерная матрица (Drop-Sting test), в котором моноволокно помещают в зажим, позволяющий без механических повреждений надёжно зафиксировать его вертикально, свободный конец моноволокна имеет длину не менее глубины погружения в связующее; подложку из проволоки размещают на термостатируемом столике вертикально под моноволокном; каплю реактопластичного связующего наносят на подложку (на торец проволоки); совмещают конец моноволокна и вершину капли, позиционирование осуществляют при помощи гониометрического стола микромеханическими винтами по осям oX, oY и при помощи прецизионного шагового двигателя по оси oZ, контроль осуществляется оператором через видеокамеру горизонтального микроскопа; погружают моноволокно в каплю связующего на заданную глубину прецизионным перемещением вверх подложки на термостатируемом столике; адгезионную систему нагревают до температуры отверждения связующего и выдерживают до фиксации компонентов системы (до точки гелеобразования); полное отверждение системы проводят в термостатируемом шкафу для увеличения скорости создания тестовых образцов; тестовый образец вклеивают в держатель для проведения деформационно-прочностных испытаний.1. A method of creating test samples for carrying out strength studies in the system monofilament - polymer matrix (Drop-Sting test), in which the monofilament is placed in a clamp, which allows it to be securely fixed vertically without mechanical damage, the free end of the monofilament has a length not less than the immersion depth in the binder ; the wire support is placed vertically under the monofilament on a thermostatted table; a drop of thermo-plastic binder is applied to the substrate (on the end of the wire); the end of the monofilament and the top of the drop are aligned, positioning is carried out using a goniometric table with micromechanical screws along the oX, oY axes and using a precision stepping motor along the oZ axis, control is carried out by the operator through the video camera of a horizontal microscope; immerse the monofilament in a drop of binder to a predetermined depth by precisely moving the substrate upward on a thermostatted table; the adhesive system is heated to the curing temperature of the binder and held until the components of the system are fixed (to the point of gelation); complete curing of the system is carried out in a thermostatically controlled cabinet to increase the speed of creating test samples; the test piece is glued into the holder for deformation and strength tests. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что проволоку используют медную, или серебряную, или алюминиевую.2. The method according to claim 1, characterized in that the wire is copper, or silver, or aluminum. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что проволоку используют диаметром от 100 до 500 мкм.3. The method according to PP. 1 and 2, characterized in that the wire is used with a diameter of 100 to 500 μm.
RU2020143122A 2020-12-25 2020-12-25 Method for creating test samples for carrying out strength studies in the system of monofilament - polymer matrix (drop - sting test) and a device for creating test samples RU2750491C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020143122A RU2750491C1 (en) 2020-12-25 2020-12-25 Method for creating test samples for carrying out strength studies in the system of monofilament - polymer matrix (drop - sting test) and a device for creating test samples

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020143122A RU2750491C1 (en) 2020-12-25 2020-12-25 Method for creating test samples for carrying out strength studies in the system of monofilament - polymer matrix (drop - sting test) and a device for creating test samples

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2750491C1 true RU2750491C1 (en) 2021-06-28

Family

ID=76755892

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020143122A RU2750491C1 (en) 2020-12-25 2020-12-25 Method for creating test samples for carrying out strength studies in the system of monofilament - polymer matrix (drop - sting test) and a device for creating test samples

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2750491C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114486525A (en) * 2022-01-25 2022-05-13 南京航空航天大学 Fiber monofilament force resistance response online testing device and testing method

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2683106C1 (en) * 2018-03-12 2019-03-26 Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения" (АО "ЦНИИСМ") Sample for the reinforcing threads and polymer binder adhesion connection strength determining and its manufacturing method

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2683106C1 (en) * 2018-03-12 2019-03-26 Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения" (АО "ЦНИИСМ") Sample for the reinforcing threads and polymer binder adhesion connection strength determining and its manufacturing method

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A.I. Gulyaev "Measurement of adhesion strength" fiber-matrix "using nanoindentation", Composite materials, UDC 66.017. *
Zhandarov S., Mader E. Characterization of fiber/matrix interface strength: applicability of different tests, approaches and parameters // Composites Science and Technology. 2005. Vol. 65. P. 149-160. *
А.И. Гуляев "Измерение адгезионной прочности "волокно-матрица" с применением наноиндентирования", Композиционные материалы, УДК 66.017. Zhandarov S., Mader E. Characterization of fiber/matrix interface strength: applicability of different tests, approaches and parameters // Composites Science and Technology. 2005. Vol. 65. P. 149-160. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114486525A (en) * 2022-01-25 2022-05-13 南京航空航天大学 Fiber monofilament force resistance response online testing device and testing method
CN114486525B (en) * 2022-01-25 2024-05-17 南京航空航天大学 Online testing device and testing method for force resistance response of fiber monofilaments

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Miller et al. A microbond method for determination of the shear strength of a fiber/resin interface
Woodcock et al. A method for mounting 4μ resin sections routinely for ultra‐thin sectioning
RU2750491C1 (en) Method for creating test samples for carrying out strength studies in the system of monofilament - polymer matrix (drop - sting test) and a device for creating test samples
Fischer et al. Testing of individual fiber-fiber joints under biaxial load and simultaneous analysis of deformation
US4856342A (en) Process and device for measuring the adhesion of fibres in fibre-reinforced synthetic materials
Park et al. Composite characterization
CN107314960B (en) Blood cell concentration sensor, preparation method thereof and testing device
Kalinka et al. Characterisation of the fibre/matrix interface in reinforced polymers by the push-in technique
Lorbach et al. Pulp fiber bending stiffness in wet and dry state measured from moment of inertia and modulus of elasticity
Kunc et al. Fiber length distribution measurement for long glass and carbon fiber reinforced injection molded thermoplastics
US20220205887A1 (en) Observable micro-nano mechanical testing apparatus and method
CN112730744B (en) Composite material interface mechanics evaluation device and method based on microdroplet debonding method
Herrera-Franco et al. Bond strength measurement in composites—Analysis of experimental techniques
US4263811A (en) Adhesion test instrument
Haaksma et al. A critical evaluation of the use of the microbond method for determination of composite interfacial properties
CN108225948B (en) Method and device for evaluating mechanical property of metal by utilizing ultrasonic cavitation
CN115266355A (en) Method for determining specified value of elongation after fracture to be lower than 5%
Lauraitis Tensile strength of off axis unidirectional composites
KR100534977B1 (en) Method and apparatus for characterizing in-situ tensile of metallic meterial
Nygård et al. Wetting kinetics and adhesion strength between polypropylene melt and glass fibre: influence of chemical reactivity and fibre roughness
US6394409B1 (en) Real time observable sample mounting fixture
Lodeiro Single-fibre fragmentation test for the characterisation of interfacial phenomena in PMCs.
Botty et al. Application of microscopical techniques to the evaluation of experimental fibers
Orr et al. A Single-Fiber Load-Elongation Tester for Cotton
Lodeiro Investigation of PMC interface properties using the single-fibre fragmentation technique.