Інтелектуальні полімерні композиційні матеріали в суднобудуванні

Івіцький, І. І. Інтелектуальні полімерні композиційні матеріали в суднобудуванні = Intellectual polymer composite materials in shipbuilding / І. І. Івіцький // Shipbuilding & Marine Infrastructure. – 2018. – № 2 (10). – С. 188–192.Анотація. Полімерні композиційні матеріали знайшли широке застосування у суднобудуванні. На даний час у світі проводяться інтенсивні наукові дослідження в напрямах створення технологій та устаткування для виробництва інтелектуальних полімерних композиційних матеріалів, зокрема на базі експериментальних і числових методів та моделювання цих процесів. Аналіз наявних робіт учених у цій галузі свідчить також про те, що у відкритих джерелах відсутня інформація про застосування інтелектуальних полімерних матеріалів у суднобудуванні. Проте здійснення неперервного онлайн-контролю напружено-деформованого стану елементів конструкції суден дасть змогу вирішити цілу низку проблем. Введення в конструкцію інтелектуальних датчиків дасть змогу проводити дистанційний контроль та моніторинг напружено-деформованого стану безпосередньо під час експлуатації в реальному часі. Для контролю напружень найбільш доцільно використовувати електроємний метод неруйнівного контролю, який може забезпечити контроль матеріалів з різними властивостями, від діелектриків до провідників. Застосування електроємного методу є найбільш прийнятним для контролю такого типу матеріалів, як інтелектуальні полімерні композити. На сьогодні є технології та обладнання для введення інтелектуальних датчиків у полімерний матеріал під час його виробництва з використанням процесів екструзії лиття під тиском і пресування. У проектуванні технологічних режимів виробництва таких матеріалів слід пам’ятати про необхідність урахування пристінних ефектів, які мають значний вплив на процес у зв’язку з розташуванням датчиків переважно у пристінних шарах виробу. Для дозованого введення інтелектуальних датчиків під час формування виробів запропоновано два варіанти конструктивного оформлення інжектувальних пристроїв: пристрій для дозованого неперервного введення датчиків на певну глибину і з кроком та введення одного датчика в певну точку виробу. Застосування інтелектуальних полімерних композиційних матеріалів у суднобудуванні дає змогу здійснювати неперервний контроль цілісності у реальному часі з моніторингом напружено-деформованого стану. Такий контроль дає змогу вчасно реагувати на порушення цілісності конструкції, що значно підвищує рівень безпеки.Abstract. Polymer composite materials are widely used in shipbuilding. Currently, intensive research is being conducted in the world in the areas of creating technologies and equipment for the production of intelligent polymer composite materials, in particular, on the basis of experimental and numerical methods and modeling of these processes. The analysis of existing scientific works in this field also indicates that in open sources there is no information on the use of intelligent polymeric materials in shipbuilding. However, the implementation of continuous online monitoring of the stress-strain state of the structural elements of the courts will solve a number of problems. Introduction to the design of intelligent sensors will allow remote monitoring and monitoring of the stress-strain state directly during operation in real time. For stress control, it is most advisable to use an electro-capacitive method of non-destructive testing, which can provide control of materials with different properties, from dielectrics to conductors. The use of the electro-capacitance method is most appropriate for controlling such types of materials as intelligent polymer composites. Currently, there are technologies and equipment for the input of intelligent sensors into the polymer material during its production using the processes of extrusion, injection molding and pressing. When designing the technological modes of production of such materials, one should be aware of the need to take into account wall effects, which have a significant impact on the process due to the location of sensors mainly in the wall layers of the product. For the dosed introduction of intelligent sensors in the formation of products, we proposed two options for the design of injection devices: a device for dosed continuous introduction of sensors at a certain depth with a step and device for introducing one sensor at a certain point of the product. The use of intelligent polymer composite materials in shipbuilding allows continuous monitoring of integrity in real time with monitoring of the stress-strain state. This control allows respond in a timely manner to the violation of the integrity of the structure, which significantly increases the level of security.Аннотация. Полимерные композиционные материалы нашли широкое применение в судостроении. На сегодняшний день в мире проводятся интенсивные научные исследования в направлениях создания технологий и оборудования для производства интеллектуальных полимерных композиционных материалов, в частности на базе экспериментальных и численных методов и моделирования этих процессов. Анализ имеющихся работ ученых в этой области свидетельствует также о том, что в открытых источниках отсутствует информация о применении интеллектуальных полимерных материалов в судостроении. Однако осуществление непрерывного онлайн-контроля напряженно-деформированного состояния элементов конструкции судов позволит решить целый ряд проблем. Введение в конструкцию интеллектуальных датчиков позволит проводить дистанционный контроль и мониторинг напряженно-деформированного состояния непосредственно во время эксплуатации в реальном времени. Для контроля напряжений наиболее целесообразно использовать электроемкий метод неразрушающего контроля, который может обеспечить контроль материалов с различными свойствами, от диэлектриков до проводников. Применение электроемкого метода является наиболее приемлемым для контроля такого типа материалов, как интеллектуальные полимерные композиты. В настоящее время есть технологии и оборудование для ввода интеллектуальных датчиков в полимерный материал при его производстве с использованием процессов экструзии, литья под давлением и прессования. В проектировании технологических режимов производства таких материалов следует помнить о необходимости учета пристенных эффектов, которые оказывают значительное влияние на процесс в связи с расположением датчиков преимущественно в пристенных слоях изделия. Для дозированного введения интеллектуальных датчиков при формировании изделий предложено два варианта конструктивного оформления инжектирующих устройств: устройство для дозированного непрерывного введения датчиков на определенную глубину и с шагом и для ввода одного датчика в определенную точку изделия. Применение интеллектуальных полимерных композиционных материалов в судостроении позволяет осуществлять непрерывный контроль целостности в реальном времени с мониторингом напряженно-деформированного состояния. Такой контроль позволяет своевременно реагировать на нарушение целостности конструкции, что значительно повышает уровень безопасности

Creation of Structural Polymer Composite Materials for Functional Application Using Physicochemical Modification

The various aspects of physico-chemical modification of the components of structural materials of functional application based on classical composites and nanocomposites are analyzed. Potential applications of such materials are briefly described. Ultrasonic cavitation treatment is considered as a basic method of physical modification when obtaining the indicated classes of composites. The influence of ultrasonic treatment modes on the technological and operational properties of reactoplastic polymers, as well as on the hardening of reinforced composites based on them, is investigated. Technical means of ultrasonic cavitation processing of liquid binders and polymer composites based on them are briefly described. An effective spectrum of interrelated structural and technological parameters of ultrasonic treatment has been characterized, which is established by calculation and experimentally-statistically. The design issues of the technological processes of obtaining polymer composites of functional application are analyzed. The efficiency of creating carbon fiber composite materials, as well as the prospects for creating of these materials based on reinforcing fabric with nanomodified fillers is described. The methods of obtaining functional nanomodified carbon-composites with improved physicomechanical and operational properties, in particular with increased strength and electrical conductivity, are characterized. The effectiveness of the ultrasonic treatment and production of nanomodified thermoplastic composite materials by extrusion method is considered. Some issues of forming products from intelligent polymer composites are analyzed. The results of the survey can be used in the design of advanced technologies for the creation of functional polymer composites of functional application

Use of Physicochemical Modification Methods for Producing Traditional and Nanomodified Polymeric Composites with Improved Operational Properties

Various aspects of the methods of physical and physicochemical modification of components of filled thermo-plastic composite materials are analyzed, aimed at improving the surface properties of the fillers and the technological properties of the polymer matrix during their interaction. It is noted that the improvement of the interfacial interaction of the components of polymer reactoplastic composites, including adhesive strength, is a key factor for improving the reliability of the cured filled composite. As a promising area of research, a modification of the surface of the reinforcing fibrous filler and the technological characteristics of the liquid polymer binder, aimed at increasing their contact properties in the composite was chosen. The effectiveness of the physical method of modifying the components of composites in the form of low-frequency ultrasonic processing is described. The peculiarities of cluster formation and physicochemical modification of epoxy polymers filled with dispersed fillers are analyzed. Attention is focused on the effectiveness of ultrasonic processing in cavitation mode for deagglomeration and uniform distribution of nanoparticles in a liquid medium during the creation of nanocomposites. Experimentally confirmed the improvement of the technological properties of liquid epoxy polymers, modified by ultrasound, used for the impregnation of oriented fibrous fillers, as well as the improvement of the physicomechanical properties of the sonicated epoxy matrices

Определение вязкости пристенного слоя в формующих каналах оборудования для переработки полимеров

Статтю присвячено визначенню властивостей розплаву перероблюваного полімерного матеріалу в пристінному шарі робочих каналів обладнання. В одному з поширених для числового моделювання процесів течії розплавів полімерів програмному комплексі Ansys Fluent є стандартна процедура задання коефіцієнта пристінного тертя, яка передбачає лінійну залежність між в’язкістю в пристінному шарі й коефіцієнтом пристінного тертя, що часто не відповідає дійсності. Проведені експериментальні дослідження залежності в’язкості пристінного шару від коефіцієнта пристінного тертя для трьох типів поліолефінів показали її нелінійний характер, неінваріантний для різних типів полімерів, у деяких випадках з наявністю екстремуму. Встановлено, що вигляд вказаної залежності змінюється зі збільшенням швидкості течії полімеру, проходячи три стадії, що спричиняється пристінними ефектами. Результати проведених досліджень дають змогу більш коректно враховувати граничні умови під час числового моделювання процесів переробки полімерів і отримувати більш точні розрахункові параметри.The research objective is definition of the processed polymeric material melt properties in a wall boundary layer of working equipment channels. Setting the slip coefficient, that provides a linear relation between the viscosity in the boundary layer and the slip coefficient which often don't correspond to reality is a standard procedure in one of the most common polymer melts flow numerical simulation software package Ansys Fluent. The experimental researches of the viscosity boundary layer slip coefficient for the three types of polyolefins have shown its non-linear, non-invariant for different polymers types, in some cases with the extreme presence. The form of this dependence varies with the flow rate increase of the polymer passes through three stages caused by the wall effect is established. The results of these researches allow more accurate considering of the boundary conditions for the polymer processing numerical modeling and optimize the accuracy of the design parameters.Статья посвящена определению свойств расплава перерабатываемого полимерного материала в пристенном слое рабочих каналов оборудования. В одном из распространенных для численного моделирования процессов течения расплавов полимеров программном комплексе Ansys Fluent есть стандартная процедура задания коэффициента пристенного трения, которая предусматривает линейную зависимость между вязкостью в пристенном слое и коэффициентом пристенного трения, что часто не соответствует действительности. Проведенные экспериментальные исследования зависимости вязкости пристенного слоя от коэффициента пристенного трения для трех типов полиолефинов показали ее нелинейный характер, неинвариантный для различных типов полимеров, в некоторых случаях с наличием экстремума. Установлено, что вид указанной зависимости изменяется с увеличением скорости течения полимера, проходя три стадии, вызываемые пристенными эффектами. Результаты проведенных исследований позволяют более корректно учитывать граничные условия при численном моделировании процессов переработки полимеров и получать более точные расчетные параметры

Modification of Oligomers and Reinforced Polymeric Composites by Carbon Nanotubes and Ultrasonic

An abridged version of the book chapter is presented in the archive. Full version on the publisher's site: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-030-26672-1_3Розглядається широке коло питань щодо розроблених напрямів модифікації епоксидних олігомерів і армованих полімерних композитів на їх основі вуглецевими нанотрубками і ультразвуком. Аналізується перспективність створення гібридних полімерних композитів функціонального призначення.This chapter analyzes the physical (in the form of ultrasound) and chemical modification of liquid polymer media and reinforced polymeric composites. The main emphasis is made on the analysis of ultrasonic cavitation processing as the most effective one for solving one of the main technological problems in the production of nanomodified polymer composites

Simulation of Nanomodified Polymers Testing by the Electric Capacitive Method

At present, the issue of the electric capacitive method application for non-destructive testing of nanomodified polymer composite materials (NMPCM) is relevant. The paper gives a mathematical model based on Maxwell-Ampere, Faraday and Gauss's equations and satisfying the Dirichlet boundary condition. This paper proposes a computer simulation of the nanomodified polymers testing by the electric capacitive method. The simulation was carried out in a two-dimensional planar formulation and a minimum required density of the calculated grid was determined (37,300 elements) to obtain a qualitative result of the calculation. A number of numerical studies were conducted with different contents of CNT in NMPCM in the range of 0 wt % up to 10 wt %, different defect depths in the material and distances from the sensor to the surface. The homogeneity of the dispersion is estimated using the Cochran statistical criterion. The value of the Cochren criterion did not exceed the critical one for all conducted experiments. Approximation relations of the maximum defect depth and distance from the sensor to the surface were obtained depending on the content of CNT in NMPCM. The results of the studies allowed determining the limits of the method application in the testing of NMPCM. The maximum defect depth was 5H (H is the relative value of the defect) at the CNT concentration of 1 wt % and with increasing the CNT concentration, the maximum defect depth decreases to 2H. The maximum distance between the sensor and the surface was 0.33H at the CNT concentration of more than 5 wt %. The obtained data can be used in the design of technological equipment for the polymeric nanocomposites productio

Modeling the Electrostatic Control Over Depth of the Introduction of Intelligent Sensors Into a Polymer Composite Material

Intelligent polymeric composites are materials that can remotely transmit data on the properties of material, including the stress-strained state. It is necessary for the implementation of online monitoring of critically important parts and nodes. Obtaining data is achieved by the introduction of intelligent sensors into a polymer composite. Intelligent sensor is a miniature measuring device consisting of one or more transducers of measured magnitudes. They form an output signal, which is used for the remote transmission, storage and use in the control systems.A problem of obtaining data about the depth of the introduction of intelligent sensors into polymer composites is a multifaceted one. On one hand, the question is about technology and equipment for the introduction of sensors into polymer composites, the interpretation of data on deformations and other properties received from the sensors, and is connected to polymer engineering. On the other hand, the question of receiving signals about the depth of placement of intelligent sensors and their further processing is associated with nondestructive control.The present article investigated the possibility of receiving a signal about the depth of placement of intelligent sensors that are introduced at a certain depth into a polymer composite material, using the electrostatic method of nondestructive testing. We performed a simulation of the distribution of electric potential in the material. Through modeling, we determined maximum possible depth of the introduction of intelligent sensor into polymer material, which can be measured with a given accuracy, which is 40H, where H is the relative magnitude of the size of electrodes.The technique applied might be used to any dielectric material after adjusting the properties of material. The obtained results allow the determination by numerical simulation of maximum depth of the introduction of intelligent sensors into a polymer material

Modeling the Structures of Oriented Macrofiber Polymer Composites as Capillary-Porous Bodies

The problems of modeling the structure and design of technical parameters for forming of oriented macrofiber polymer composites are analyzed. The considered approaches are based on the application of geometric modeling of the structure of oriented fibrous fillers and the design of the parameters of technical means for forming oriented macrofiber polymer composite materials. Peculiarities of the application of the phenomenological and structural approaches to the design of structural and technological parameters of technical means and to the calculation of the elements of composite structures based on oriented macrofibrous fillers are considered. The technique for determining the structural characteristics of oriented macrofibrillar fillers based on its adequate geometric model as capillary-porous bodies is given. As the structural characteristics, the porosity, the specific internal surface, and also the effective (hydraulic) capillary radius of oriented macrofibrous fillers are considered. It is noted that the obtained structural models are used, in particular, to the prognosis of the design and technological parameters of the technical means for molding macro-fiber polymer composite materials