Порошковые эпокси-бензоксазиновые связующие для получения армированных композитов с градиентом матрицы

На основе порошковых эпокси-бензоксазиновых связующих получены углекомпозиты с градиентом состава связующего по сечению изделия. Изучены реологические, теплофизические и физико-механические свойства материалов, показаны преимущества градиентных составов для регулирования параметров технологического процесса как на стадии получения консолидированных пластин, так и на стадии получения изделия методом прессования. Оптимизированы технологические процессы получения сухих препрегов путем электростатического напыления порошковых связующих на углеткань с последующим оплавлением, процессы консолидации препрегов в пластины в вакуумном мешке и прессования изделия из полученных консолидированных пластин. На примере порошковых композиций на основе бензоксазина, термопластичного полимера, эпоксиноволачной и эпоксидиановой смол показана возможность получения градиентного углекомпозита с высокими физико-механическими и теплофизическими свойствами. Предложены составы связующих с градиентом компонентов, установлено положительное влияние градиента матрицы на компенсацию температурного градиента термопрессования.

1. Kumar P., Sharma S.K., Singh R.K.R. Recent trends and future outlooks in manufacturing methods and applications of FGM: A comprehensive review // Mater. Manuf. Processes. 2023. V. 38, No 9. P. 1033–1067. https://doi.org/10.1080/10426914.2022.2075892.

2. Saleh B., Jiang J., Fathi R., Al‑hababi T., Xu Q., Wang L., Song D., Ma A. 30 Years of functionally graded materials: An overview of manufacturing methods, applications and future challenges // Composites, Part B. 2020. V. 201. Art. 108376. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.108376.

3. Boggarapu V., Gujjala R., Ojha S., Acharya S., Venkateswara babu P., Chowdary S., Gara D.k. State of the art in functionally graded materials // Compos. Struct. 2021. V. 262. Art. 113596. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.113596.

4. Parihar R.S., Setti S.G., Sahu R.K. Recent advances in the manufacturing processes of functionally graded materials: A review // Sci. Eng. Compos. Mater. 2018. V. 25, No 2. P. 309–336. https://doi.org/10.1515/secm-2015-0395.

5. Loknath D., Ravindra Kumar V.M. A review on processing and characterization of bulk functionally graded polymer materials // Mater. Today. 2022. V. 56, Pt. 3. P. 1192–1200. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.11.152.

6. Andrianova K.A., Sidorov I.N., Amirova L.M. Modeling and study of properties distribution in graded polymer materials // Results Eng. 2023. V. 19. Art. 101299. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2023.101299.

7. Kumar S., Murthy Reddy K.V.V.S., Kumar A., Rohini Devi G. Development and characterization of polymer–ceramic continuous fiber reinforced functionally graded composites for aerospace application // Aerosp. Sci. Technol. 2013. V. 26, No 1. P. 185–191. https://doi.org/10.1016/j.ast.2012.04.002.

8. Андрианова К.А., Халиков А.А., Беззаметнов О.Н., Амирова Л.М. Функциональноградиентный углепластик на основе эпоксидной матрицы, модифицированной термоэластопластом // Вопросы материаловедения. 2023. № 3 (115). С. 170–177. https://doi.org/10.22349/1994-6716-2023-115-3-170-177.

9. Huang Z.‑M., Wang Q., Ramakrishna S. Tensile behaviour of functionally graded braided carbon fibre/epoxy composite material // Polym. Polym. Compos. 2002. V. 10, No 4. P. 307–314. https://doi.org/10.1177/096739110201000406.

10. Sidorov I.N., Andrianova K.A., Gaifutdinov A.M., Usmonov R.S., Amirova L.M. Modeling and experimental investigations of mechanical properties of hybrid composite rods with gradient composition // Mater. Today Commun. 2024. V. 39. Art. 108738. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2024.108738.

11. Hsu C.‑s., Hwang P.‑Y. The water uptake, thermal and mechanical properties, and aging resistance to thermo-oxidation of phenylboronic acid-modified benzoxazine-glass fiber composites // J. Appl. Polym. Sci. 2022. V. 139, No 19. Art. 52135. https://doi.org/10.1002/app.52135.

12. Сиротин И.С., Петракова В.В., Киреев В.В. Полибензоксазиновые связующие для полимерных композиционных материалов // Пластические массы. 2022. Т. 1, № 5–6. С. 4–12. https://doi.org/10.35164/0554-2901-2022-5-6-4-12.

13. Каблов Е.Н., Валуева М.И., Зеленина И.В., Хмельницкий В.В., Алексашин В.М. Углепластики на основе бензоксазиновых олигомеров – перспективные материалы // Труды ВИАМ. 2020. № 1 (85). С. 68–77. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2020-0-1-68-77.

14. Winroth S., Scott C., Ishida H. Structure and performance of benzoxazine composites for space radiation shielding // Molecules. 2020. V. 25, No 18. Art. 4346. https://doi.org/10.3390/molecules25184346.

15. Liu L., Wang F., Zhu Y., Qi H. Degradable Schiff base benzoxazine thermosets with high glass transition temperature and its high-performance epoxy alloy: Synthesis and properties // Polym. Adv. Technol. 2023. V. 34, No 1. P. 405–418. https://doi.org/10.1002/pat.5899.

16. Casarino A.F., Bortolato S.A., Casis N., Estenoz D.A., Spontón M.E. Novel polybenzoxazine and polybenzoxazine/epoxy thermosetting copolymers containing polysilsesquioxane nanostructures for high-performance thermal protection systems // Eur. Polym. J. 2023. V. 182. Art. 111722. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2022.111722.

17. Liu L., Wang F., Zhu Y., Qi H. Study on properties of copolymers based on different types of benzoxazines and branched epoxy resins // High Perform. Polym. 2023. V. 35, No 3. P. 238–250. https://doi.org/10.1177/09540083221125862.

18. Антипин И.С., Амирова Л.М., Андрианова К.А., Мадиярова Г.М., Шумилова Т.А., Казымова М.А., Амиров Р.Р. Безрастворный синтез бензоксазиновых мономеров различного строения и полимеры на их основе // Вестник Технологического университета. 2023. Т. 26, № 9. С. 17–25. https://doi.org/10.55421/1998-7072_2023_26_9_17.

19. Bornosuz N.V., Korotkov R.F., Shutov V.V., Sirotin I.S., Gorbunova I.Y. Benzoxazine copolymers with mono- and difunctional epoxy active diluents with enhanced tackiness and reduced viscosity // J. Compos. Sci. 2021. V. 5, No 9. Art. 250. https://doi.org/10.3390/jcs5090250.

20. Mamalis D., Floreani C., Brádaigh C.M.Ó. Influence of hygrothermal ageing on the mechanical properties of unidirectional carbon fibre reinforced powder epoxy composites // Compos. B. Eng. 2021. V. 225. Art. 109281. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109281.

21. Mamalis D., Murray J.J., McClements J., Tsikritsis D., Koutsos V., McCarthy E.D., Brádaigh C.M.Ó. Novel carbon-fibre powder-epoxy composites: Interface phenomena and interlaminar fracture behaviour // Compos. B. Eng. 2019. V. 174. Art. 107012. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2019.107012.

22. Floreani C., Robert C., Alam P., Davies P., Brádaigh C.M.Ó. Mixed-mode interlaminar fracture toughness of glass and carbon fibre powder epoxy composites – for design of wind and tidal turbine blades // Materials. 2021. V. 14, No 9. Art. 2103. https://doi.org/10.3390/ma14092103.

23. Çelik M., Noble T., Jorge F., Jian R., Brádaigh C.M.Ó., Robert C. Influence of line processing parameters on properties of carbon fibre epoxy towpreg // J. Compos. Sci. 2022. V. 6, No 3. Art. 75. https://doi.org/10.3390/jcs6030075.

24. Zhang H., Zhang K., Li A., Wan L., Robert C., Brádaigh C.M.Ó., Yang D. 3D printing of continuous carbon fibre reinforced powder-based epoxy composites // Compos. Commun. 2022. V. 33. Art. 101239. https://doi.org/10.1016/j.coco.2022.101239.

25. Brooks R.A., Wang H., Ding Z., Xu J., Song Q., Liu H., Dear J.P., Li N. A review on stamp forming of continuous fibre-reinforced thermoplastics // Int. J. Lightweight Mater. Manuf. 2022. V. 5, No 3. P. 411–430. https://doi.org/10.1016/j.ijlmm.2022.05.001.

26. Akkerman R., Haanappel S. Chapter 12 – Thermoplastic stamp forming // Harper L., Clifford M. (Eds.) Design and Manufacture of Structural Composites. Ser.: Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering. Cambridge: Woodhead Publ., 2023. P. 301–321. https://doi.org/10.1016/C2018-0-05165-8.

27. Соловьев Р.И., Балькаев Д.А., Амирова Л.М. Термоформование изделий из консолидированных листовых заготовок на основе армированного стеклотканью полипропилена // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2024. № 1. С. 183–191. https://doi.org/10.3103/S1068799824010215.

28. Ishida H. Chapter 1 – Overview and historical background of polybenzoxazine research // Ishida H., Agag T. (Eds.) Handbook of Benzoxazines Resins. Amsterdam: Elsevier, 2011. P. 3–81. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-53790-4.00046-1.

29. Ohashi S., Ishida H. Chapter 1 – Various synthetic methods of benzoxazine monomers // Ishida H., Froimowicz P. (Eds.) Advanced and Emerging Polybenzoxazine Science and Technology. Amsterdam: Elsevier, 2017. P. 3–8. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-804170-3.00001-9.

30. Vyazovkin S., Achilias D., Fernandez‑Francos X., Galukhin A., Sbirrazzuoli N. ICTAC Kinetics Committee recommendations for analysis of thermal polymerization kinetics // Thermochim. Acta. 2022. V. 714. Art. 179243. https://doi.org/10.1016/j.tca.2022.179243.

31. ASTM E1640-1994 Standard Test Method for Assignment of the Glass Transition Temperature by Dynamic Mechanical Analysis. West Conshohocken, PA: ASTM Int., 1994. 5 p.

32. Соловьев Р.И., Сафин А.Р., Балькаев Д.А., Батраков В.В., Амирова Л.М. Определение формообразующего поведения термопластичных композиционных материалов для моделирования термоформования // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2023. Т. 89, № 7. С. 61–70. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2023-89-7-61-70.

33. ГОСТ 4647-2015 Пластмассы. Метод определения ударной вязкости по Шарпи. М.: Стандартинформ, 2017. 18 с.

34. ГОСТ Р 56682-2015 Композиты полимерные и металлические. Методы определения объема матрицы, армирующего наполнителя и пустот. М.: Стандартинформ, 2016. 24 с.

35. Yuan H., Khan M., Qian C., Reynolds N., Kendall K. Experimental and numerical investigation of the intra-ply shear behaviour of unidirectional prepreg forming through picture-frame test // Composites, Part B. 2023. V. 266. Art. 111036. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.111036.

36. Bai R., Chen B., Colmars J., Boisse P. Physics-based evaluation of the drapability of textile composite reinforcements // Composites, Part B. 2022. V. 242. Art. 110089. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110089.

37. Rashidi A., Crawford B., Olfatbakhsh T., Milani A.S. A mixed lubrication model for interply friction behaviour of uncured fabric prepregs // Composites, Part A. 2021. V. 149. Art. 106571. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2021.106571.