Механизм разрушения эпоксидных композитов с металлическим порошковым наполнителем при кавитационном воздействии

В работе рассмотрены результаты испытаний на кавитационный износ образцов эпоксидного компаунда без наполнителя и с наполнителем. В качестве последнего применен порошок из алюминиевой бронзы БрАЖНМц9-4-4-1, полученный опиливанием прутка из этой бронзы. Был использован следующий состав компаунда: 100 частей смолы К‑153 и 12 частей отвердителя (полиэтиленполиамина). Распределение частиц бронзы в компаунде по размеру подчинялось закону, близкому к показательному, средний размер частиц составил порядка 27 мкм, объемная доля бронзового порошка в компаунде — примерно 9,5 %. Отмечается, что испытания проводили на ультразвуковом магнитострикционном вибраторе УЗДН‑2Т в пресной воде при комнатной температуре с частотой и амплитудой колебаний торца концентратора вибратора 22 кГц и 28 мкм соответственно. Расстояние между торцами концентратора и цилиндрического образца выставлялось равным 0,5 мм. В процессе испытаний износ образцов оценивали взвешиванием на аналитических весах с дискретностью показаний 0,1 мг, а также проводили измерения шероховатости изнашиваемой поверхности и микротвердости частиц бронз в составе композита. Показано, что добавка в эпоксидной компаунд частиц бронзы не только изменяет кинетику кавитационного изнашивания, но и снижает кавитационную износостойкость полимера. Изменение кинетики заключается в том, что кавитационное изнашивание эпоксидного компаунда с порошковым наполнителем происходит без инкубационного периода, тогда как ненаполненный компаунд изнашивается с выраженным инкубационным периодом. В процессе проведенного исследования сделан вывод о том, что снижение кавитационной износостойкости после добавки частиц бронзы обусловлено тем, что границы между металлической частицей и полимерной матрицей являются «слабым» местом, и именно с этих граничных районов начинается разрушение полимера при кавитационном воздействии. 

1. Billet M. L. The Specialist Committee on Cavitation Erosion on Propellers and Appendages on High Powered/High Speed Ships / M. L. Billet, M. Mehmel // Proceedings of the 24th ITTC. — UK, 2005. — Vol. III. — Pp. 699–704.

2. Георгиевская Е. П. Кавитационная эрозия гребных винтов и методы борьбы с ней / Е. П. Георгиевская. — Л.: Судостроение, 1978. — 206 с.

3. Пустошный А. В. Влияние шероховатости поверхности гребного винта на его пропульсивные характеристики / А. В. Пустошный, А. В. Сверчков, С. П. Шевцов // Труды Крыловского государственного научного центра. — 2019. — № 4 (390). — С. 11–26. DOI: 10.24937/2542-2324-2019-4-390-11-26.

4. Кацман Ф. М. Эксплуатация пропульсивного комплекса морского судна / Ф. М. Кацман. — М.: Транспорт, 1987. — 223 с.

5. Горбаченко Е. О. Кавитационный износ гребных винтов и технологические методы борьбы с ним / Е. О. Горбаченко // Материалы VIII межвузовской научно-практической конференции аспирантов, студентов и курсантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России» 17 мая 2017 года. — СПб.: Изд-во ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова, 2017. — С. 120–125.

6. Фиактистов Я. О. Ремонт гребных винтов, изношенных при кавитации, с применением полимерных составов / Я. О. Фиактистов // Материалы X межвузовской научно-практической конференции аспирантов, студентов и курсантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России», 22 мая 2019 года. — СПб.: Изд-во ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова, 2019. — C. 279–282.

7. Чурсова Л. В. Эпоксидные смолы, отвердители, модификаторы и связующие на их основе / Л. В. Чурсова, Н. Н. Панина, Т. А. Гребнева, И. Ю. Кутергина. — Санкт-Петербург: ЦОП «Профессия», 2020. — 576 с.

8. Yamatogi T. Study on cavitation erosion of composite materials for marine propeller / T. Yamatogi, H. Murayama, K. Uzawa, K. Kageyama, N. Watanabe // 17th International Conference on Composite Materials Edinburgh, Scotland. — 2009.

9. Preece C. M. Cavitation erosion / C. M. Preece // Treatise on Materials Science and Technology, Volume 16: Erosion. — Academic Press New York, 1979. — Pp. 249–308.

10. Фомин В. В. Гидроэрозия металлов / В. В. Фомин. — М.: Машиностроение, 1977. — 287 с.

11. Garcia G. L. Cavitation resistance of epoxy-based multilayer coatings: Surface damage and crack growth kinetics during the incubation stage/ G. L. Garcia, V. Lopez-Rios, A. Espinosa, J. Abenojar, F. Velasco, A. Toro // Wear. — 2014. — Vol. 316. — Is. 1–2. — Pp. 124–132. DOI: 10.1016/j.wear.2014.04.007

12. Correa C. E. Wear mechanisms of epoxy-based composite coating submitted to cavitation/ C. E. Correa, G. L. Garcia, A. N. Garcia, W. Bejarano, A. A. Guzman, A. Toro // Wear. — 2011. — № 271. — Is. 9–10. — Pp. 2274–2279. DOI: 10.1016/j.wear.2011.01.088

13. Qiu N. Research on cavitation erosion and wear resistance performance of coatings / N. Qiu, L. Wang, S. Wu, D. S. Likhachev // Engineering Failure Analysis. — 2015. — Vol. 55. — Pp. 208–223. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2015.06.003

14. Abenojar J. Erosion-wear, mechanical and thermal properties of silica filled epoxy nanocomposites / J. Abenojar, J. Tutor, Y. Ballesteros, J. C. del Real, M. A. Martinez // Composites Part B: Engineering. — 2017. — Vol. 120. — Pp. 42–53. DOI: 10.1016/j.compositesb.2017.03.047

15. Салтыков С. А. Стереометрическая металлография / С. А. Салтыков. — М.: Металлургия, 1976. — 271 с.

16. Гурский Е. И. Теория вероятностей с элементами математической статистики / Е. И. Гурский. — М.: Высшая школа, 1971. — 328 с.

17. ASTM G32–10 Standard test method for cavitation erosion using vibratory apparatus. — ASTM International, 2010. — 19 p.