Simulation of ultimate strength characteristics of polymer compositions modified with lubricant microcapsules and magnetite nanoparticles

Authors

  • Kolesnikov V.I. Rostov State Transport University, Rostov-on-Don, Российская Федерация ORCID 0000-0003-4323-9268
  • Bardushkin V.V. Institute of Nanotechnology of Microelectronics of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Российская Федерация ORCID 0000-0002-8805-5764
  • Lavrov I.V. Institute of Nanotechnology of Microelectronics of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Российская Федерация ORCID 0000-0002-1467-5100
  • Sychev A.P. Federal Research Centre the Southern Scientific Centre of the Russian Academy of Sciences, Rostov-on-Don, Российская Федерация ORCID 0000-0001-6344-108X
  • Yakovlev V.B. Institute of Nanotechnology of Microelectronics of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Российская Федерация ORCID 0000-0001-8515-3951
  • Ananko A.M. Rostov State Transport University, Rostov-on-Don, Российская Федерация ORCID 0009-0007-0198-2439

UDC

539.3

DOI:

https://doi.org/10.31429/vestnik-20-3-57-65

Abstract

The problem of constructing a model and carrying out numerical calculations
of the values of ultimate strength indicators under uniaxial compression of polymer compositions modified with spherical microcapsules with a lubricant and magnetite nanoparticles is being solved. The model is based on the generalized singular approximation of the random fields theory in the version of the self-consistency method and makes it possible to take into account the composition, volume fractions of the components of antifriction coatings, and the characteristic size of microcapsules (the ratio of the shell thickness to the radius of the liquid core). For compositions based on epoxy binder ED-20 (PEPA hardener) with microcapsules (polyester shells filled with vegetable oil and magnetite nanoparticles), model calculations of their ultimate strength parameters under uniaxial compression were carried out. The calculations took into account the change in the characteristic size and the uneven distribution of microcapsules over the thickness of antifriction coatings, which occurs as a result of exposure to a constant magnetic field. Numerical modeling has shown that an increase in the volume fraction of microcapsules leads to a decrease in the values of ultimate strength parameters of polymer compositions, while for the percentages of microcapsules used in practice, this decrease is not significant.

Keywords:

simulation, microcapsule, epoxy binder, magnetite, stress concentration operator, compressive strength

Acknowledgement

This work was supported by a grant from the Russian Science Foundation (project No. 21-19-00288).

Author Infos

Vladimir I. Kolesnikov

д-р техн. наук, академик РАН, заведующий кафедрой "Теоретическая механика", президент Ростовского государственного университета путей сообщения

e-mail: kvi@rgups.ru

Vladimir V. Bardushkin

д-р физ.-мат. наук, главный научный сотрудник Института нанотехнологий микроэлектроники РАН

e-mail: bardushkin@mail.ru

Igor V. Lavrov

канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник Института нанотехнологий микроэлектроники РАН

e-mail: iglavr@mail.ru

Aleksandr P. Sychev

канд. физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник Южного научного центра РАН

e-mail: alekc_sap@mail.ru

Viktor B. Yakovlev

д-р физ.-мат. наук, профессор РАН, главный научный сотрудник Института нанотехнологий микроэлектроники РАН

e-mail: yakvb@mail.ru

Anatoly M. Ananko

младший научный сотрудник НОЦ «Нанотехнологии и новые материалы» Ростовского государственного университета путей сообщения

e-mail: nypotilitailla@mail.ru

References

  1. Солодовник, В.Д., Микрокапсулирование. Химия, Москва, 1980. [Solodovnik, V.D., Mikrokapsulirovaniye = Microencapsulation. Khimiya, Moscow, 1980. (in Russian)]
  2. Лопанов, А.Н., Тихомирова, К.В., Физико-химические аспекты инженерии капсулирования. Изд-во Белгородского государственного технического университета, Белгород, 2015. [Lopanov, A.N., Tikhomirova, K.V., Fiziko-khimicheskiye aspekty inzhenerii kapsulirovaniya = Physical and chemical aspects of encapsulation engineering. Belgorod State Technical University Publ., Belgorod, 2015. (in Russian)]
  3. Наумов, А.Г., Новиков, В.В., Раднюк, В.С., Наумова, О.А., О возможности использования микрокапсулированных СОТС при лезвийном резании материалов. Известия ВолгГТУ, 2017, № 9, с. 47–50. [Naumov, A.G., Novikov, V.V., Radnyuk, V.S., Naumova, O.A., On the possibility of using microencapsulated lubricating and cooling technological means in blade cutting of materials. Izvestiya VolgGTU = Izvestiya VSTU, 2017, no. 9, pp. 47–50. (in Russian)]
  4. Wang, Y, Pham, D.T., Ji, Ch., Self-healing composites: A review. Cogent Engineering, 2015, vol. 2, no. 1, art. 1075686. DOI: 10.1080/23311916.2015.1075686
  5. Kolesnikov, I.V., Bardushkin, V.V., Myasnikov, Ph.V., Calculation of stress-deformed condition in polymer nanocomposites filled with microcapsules with lubricant. Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2017, vol. 47, no. 4, pp. 37–47. DOI: 10.1515/jtam-2017-0019
  6. Колесников, В.И., Бардушкин, В.В., Колесников, И.В., Мясников, Ф.В., Сычев, А.П., Яковлев, В.Б., Прогнозирование эксплуатационных упругих свойств трибокомпозитов с микрокапсулами, заполненными жидкой смазкой. Сборка в машиностроении, приборостроении, 2017, т. 18, № 9, с. 398–403. [Kolesnikov, V.I., Bardushkin, V.V., Kolesnikov, I.V., Myasnikov, F.V., Sychev, A.P., Yakovlev, V.B., Forecasting the operational elastic properties of tribocomposites with microcapsules filled with liquid lubricant. Sborka v mashinostroyenii, priborostroyenii = Assembling in mechanical engineering, instrument-making, 2017, vol. 18, no. 9, pp. 398–403. (in Russian)]
  7. Бурмистров, И.А., Трушина, Д.Б., Бородина, Т.Н., Веселов, М.М., Клячко, Н.Л., Зайцев, В.Б., González-Alfaro, Y., Букреева, Т.В., Влияние низкочастотного магнитного поля на полиэлектролитные микрокапсулы с наночастицами магнетита. Журнал технической физики, 2020, т. 90, № 9, с. 1428–1434. DOI: 10.21883/JTF.2020.09.49672.405-19 [Burmistrov, I.A., Trushina, D.B., Borodina, T.N., Bukreeva, T.V., Veselov, M.M., Klyachko, N.L., Zaitsev, V.B., González-Alfaro, Y., The influence of a low-frequency magnetic field on polyelectrolyte capsules with magnetite nanoparticles. Technical Physics, 2020, vol. 65, no. 9, pp. 1370–1376. DOI: 10.1134/S1063784220090108]
  8. Ященок, А.М., Иноземцева, О.А., Горин, Д.А., The nanocomposite microcapsules containing gold and magnetite nanoparticles in the shell: preparation and characterization. Российские нанотехнологии, 2009, т. 4, № 5–6, с. 85–88. [Yaschenok, A.M., Inozemtseva, O.A., Gorin D.A., Nanocomposite microcapsules containing nanoparticles of colloidal gold and magnetite: Their preparation and characterization. Nanotechnologies in Russia, 2009, vol. 4, no. 5–6, pp. 349–353. DOI: 10.1134/S1995078009050127]
  9. Сычев, А.П., Лавров, И.В., Бардушкин, В.В., Физические и механические свойства неоднородных сред с вложенной микроструктурой (теория и моделирование). Изд-во ЮНЦ РАН, Ростов-на-Дону, 2022. [Sychev, A.P., Lavrov, I.V., Bardushkin, V.V., Fizicheskie i mekhanicheskie svoystva neodnorodnykh sred s vlozhennoy mikrostrukturoy (teoriya i modelirovanie) = Physical and mechanical properties of inhomogeneous media with embedded microstructure (theory and modeling). SSC RAS Publ., Rostov-on-Don, 2022. (in Russian)]
  10. Колесников, В.И., Бардушкин, В.В., Кочетыгов, А.А., Сычев, А.П., Прогнозирование предельных значений прочностных показателей трибокомпозитов с наполненными жидкой смазкой сферическими микрокапсулами. Наука Юга России, 2018, т. 14, № 3, с. 3–11. [Kolesnikov, V.I., Bardushkin, V.V., Kochetygov, A.A., Sychev, A.P., Predicting the ultimate strength indices of tribocomposites with spherical microcapsules filled with liquid lubricant. Nauka Yuga Rossii = Science in the South of Russia, 2018, vol. 14, no. 3, pp. 3–11. (in Russian)] DOI: 10.7868/S25000640180301
  11. Колесников, В.И., Бардушкин, В.В., Яковлев, В.Б., Сычев, А.П., Кириллов, Д.А., Сорокин, А.И., О методе прогнозирования предельных прочностных характеристик матричных композитов, основанном на использовании оператора концентрации напряжений. Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества, 2014, № 1, с. 45–51. [Kolesnikov, V.I., Bardushkin, V.V., Yakovlev, V.B., Sychev, A.P., Kirillov, D.A., Sorokin, A.I., About a method of predicting of ultimate strength characteristics of the matrix composites, based on use of the operator of stresses concentration. Ekologicheskiy vestnik nauchnykh tsentrov Chernomorskogo ekonomicheskogo sotrudnichestva = Ecological Bulletin of Research Centers of the Black Sea Economic Cooperation, 2014, no. 1, pp. 45–51. (in Russian)] EDN: SBEEUR
  12. Шермергор, Т.Д., Теория упругости микронеоднородных сред. Наука, Москва, 1977. [Shermergor, T.D., Teoriya uprugosti mikroneodnorodnykh sred = Micromechanics of inhomogeneous medium. Nauka, Moscow, 1977. (in Russian)]
  13. Григорьева, И.С., Мейлихова, Е.З. (под ред.), Физические величины: Справочник. Энергоатомиздат, Москва, 1991. [Grigor'ev, I.S., Meilikhov, E.Z. (eds.), Fizicheskie velichiny = Physical Quantities: Handbook. Energoatomizdat, Moscow, 1991. (in Russian)]
  14. Лапицкий, В.А., Крицук, А.А., Физико-механические свойства эпоксидных полимеров и стеклопластиков. Наукова думка, Киев, 1986. [Lapitsky, V.A., Kricuk, A.A., Fiziko-mekhanicheskiye svoystva epoksidnykh polimerov i stekloplastikov = Physical and mechanical properties of the epoxy polymers and fiberglasses. Naukova Dumka, Kiev, 1986. (in Russian)]
  15. Салганик, Р.Л., Механика тел с большим числом трещин. Известия АН СССР. Механика твердого тела, 1973, № 4, с. 149–158. [Salganik, R.L., Mechanics of solids with a large number of cracks. Izvestiya AN SSSR. Mekhanika tverdogo tela = Proceedings of the Academy of Sciences of the USSR. Mechanics of Solids, 1973, no. 4, pp. 149–158. (in Russian)]
  16. Паньков, А.А., Методы самосогласования механики композитов. Изд-во ПГТУ, Пермь, 2008. [Pan'kov, A.A., Metody samosoglasovaniya mekhaniki kompozitov = Methods of self-consistency mechanics of composites. Perm State Technical University Publ., Perm, 2008. (in Russian)]
  17. \textls[-8]{Эпоксидно-диановые смолы ЭД-8, ЭД-16, ЭД-20, ЭД-22, YD-128, Э-40, Э-41, YD-011H (дата обращения 29.06.2023)}. [Epoxy resins ED-8, ED-16, ED-20, ED-22, YD-128, E-40, E-41, YD-011H (accessed 29.06.2023)]. URL: https://www.chimexltd.com/content/data/store/images/f_815_49102_1.pdf

Downloads

Issue

2023. Vol. 20. No. 3

Section

Mechanics

Pages

57-65

Submitted

2023-06-29

Published

2023-09-29

How to Cite

Kolesnikov V.I., Bardushkin V.V., Lavrov I.V., Sychev A.P., Yakovlev V.B., Ananko A.M. Simulation of ultimate strength characteristics of polymer compositions modified with lubricant microcapsules and magnetite nanoparticles. Ecological Bulletin of Research Centers of the Black Sea Economic Cooperation, 2023, vol. 20, no. 3, pp. 57-65. DOI: https://doi.org/10.31429/vestnik-20-3-57-65 (In Russian)

Copyright (c) 2023 Kolesnikov V.I., Bardushkin V.V., Lavrov I.V., Sychev A.P., Yakovlev V.B., Ananko A.M.

Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.