Effective elastic characteristics of epoxy compositions with hollow glass microspheres

Authors

  • Bardushkin V.V. National Research University of Electronic Technology, Shokina sq., 1, Zelenograd, Moscow, 124498, Российская Федерация ORCID 0000-0002-8805-5764
  • Sychev A.P. Rostov State Transport University, Rostovskogo Strelkovogo Polka Narodnogo Opolcheniya Sq., 2, Rostov-on-Don, 344038, Российская Федерация ORCID 0000-0001-6344-108X
  • Lavrov I.V. National Research University of Electronic Technology, Shokina sq., 1, Zelenograd, Moscow, 124498, Российская Федерация ORCID 0000-0002-1467-5100
  • Yakovlev V.B. National Research University of Electronic Technology, Shokina sq., 1, Zelenograd, Moscow, 124498, Российская Федерация ORCID 0000-0001-8515-3951
  • Bardushkin A.V. AlphaCHIP LLC, Shokina sq., 1/8, Zelenograd, Moscow, 124498, Российская Федерация ORCID 0000-0003-1314-6079
  • Sychev A.A. Rostov State Transport University, Rostovskogo Strelkovogo Polka Narodnogo Opolcheniya Sq., 2, Rostov-on-Don, 344038, Российская Федерация ORCID 0000-0003-3267-3819

UDC

539.3

DOI:

https://doi.org/10.31429/vestnik-19-1-50-57

Abstract

The problem of constructing a model for predicting effective elastic characteristics – Young's modulus and Poisson's ratio – of epoxy compositions with hollow glass microspheres (syntactics) is solved in this work. The model is based on the generalized singular approximation of the random fields theory in a version of the self-consistency method and allows considering the composition, volume concentrations of syntactic components, and the characteristic size of microspheres. The specified characteristic size is the ratio of the microsphere's shell thickness to its cavity radius. Based on the developed model, for syntactic materials on a polymer basis (epoxy binders of one of the following brands – EHD, UP-610 and UP-610 + E-181) with hollow microspheres made of E-glass, numerical model calculations of the values of Young's modulus and Poisson's ratio were carried out, which consider the change in the characteristic size and percentage of the volumetric content of microspheres.

Numerical modeling has shown that for syntactic materials based on all the considered types of epoxy binders, an increase in the characteristic size of microspheres in the range used in practice with their fixed volume fraction leads to an insignificant increase in the values of Young's modulus and Poisson's ratio. Calculations also showed that, in the syntactic materials under consideration, an increase in the percentage of microspheres at fixed values of their characteristic size leads to a decrease in the values of Young's modulus and Poisson's ratio according to a law close to linear.

Comparison of the calculated values of Young's modulus obtained in this work for the syntactic materials under consideration and experimental data given in the scientific literature showed their satisfactory agreement.

Keywords:

modeling, effective elastic characteristics, Young's modulus, Poisson's ratio, syntactic, microsphere, epoxy binder

Acknowledgement

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ (20-08-00155-а).

Author Infos

Vladimir V. Bardushkin

д-р физ.-мат. наук, профессор Института физики и прикладной математики Национального исследовательского университета "МИЭТ"

e-mail: bardushkin@mail.ru

Aleksandr P. Sychev

канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры "Теоретическая механика" Ростовского государственного университета путей сообщения; заведующий лабораторией "Транспорт, композиционные материалы и конструкции" Федерального исследовательского центра Южный научный центр РАН

e-mail: alekc_sap@mail.ru

Igor V. Lavrov

канд. физ.-мат. наук, доцент Института физики и прикладной математики Национального исследовательского университета "МИЭТ"

e-mail: iglavr@mail.ru

Viktor B. Yakovlev

д-р физ.-мат. наук, профессор РАН, профессор Института физики и прикладной математики Национального исследовательского университета "МИЭТ", ученый секретарь, главный научный сотрудник Института нанотехнологий микроэлектроники РАН

e-mail: yakvb@mail.ru

Andrei V. Bardushkin

аспирант Института физики и прикладной математики Национального исследовательского университета "МИЭТ"; инженер ООО "Альфачип" (Зеленоград)

e-mail: i170k@yandex.ru

Aleksei A. Sychev

канд. техн. наук, ведущий инженер кафедры "Теоретическая механика" Ростовского государственного университета путей сообщения

e-mail: alexsis1983@gmail.com

References

  1. Трофимов А.Н. Высокотехнологичные эпоксидные связующие, полимерные композиты и инновационные технологии получения радиопрозрачных изделий специального назначения из конструкционных стеклопластиков: дисс. д-ра техн. наук, 05.17.06. Москва, 2018. [Trofimov A.N. High-tech epoxy binders, polymer composites and innovative technologies for the production of special-purpose radio-transparent products from structural fiberglass: Diss. Ph.D. in Tech. Sci., 05.17.06. Moscow, 2018. (in Russian)]
  2. Соколов И.И. Сферопластики на основе термореактивных связующих для изделий авиационной техники: дисс. канд. техн. наук, 05.16.09. Москва, 2013. [Sokolov I.I. Spheroplastics based on thermosetting binders for aviation products: Diss. Ph.D. in Tech. Sci., 05.16.09, Moscow, 2013. (in Russian)]
  3. Юреско Т.А. Сферопластик как тепловая изоляция обитаемых подводных технических средств. Вестник Астраханского ГТУ. Морская техника и технология, 2014, № 2, с. 21–26. [Yures\-ko T.A. Spheroplastic as thermal insulation of manned underwater technical equipment. Vestnik Astrakhanskogo GTU. Morskaya tekhnika i tekhnologiya = Bulletin of the Astrakhan State Technical University. Marine engineering and technology, 2014, no. 2, pp. 21–26. (in Russian)]
  4. Селиванов О.Г., Михайлов В.А. Теплоизоляционные синтактовые материалы на основе термостойкого кремнийорганического полимера. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований, 2014, № 7, с. 12–13. [Selivanov O.G., Mikhailov, V.A. Heat-insulating syntactic materials based on heat-resistant organosilicon polymer. Mezhdunarodnyy zhurnal prikladnykh i fundamental'nykh issledovaniy = International Journal of Applied and Fundamental Research, 2014, no. 7, pp. 12–13. (in Russian)]
  5. Баюк И.О. Теоретические основы определения эффективных физических свойств коллекторов углеводородов. Ежегодник РАО, 2011, вып. 12, с. 107–120. [Bayuk I.O. The theoretical basis for determining the effective physical properties of hydrocarbon reservoirs. Yezhegodnik RAO = RAE Yearbook, 2011, no. 12, pp. 107–120. (in Russian)]
  6. Баюк И.О. Междисциплинарный подход к прогнозированию макроскопических и фильтрационно"=емкостных свойств коллекторов углеводородов: дисс. д-ра физ.-мат. наук, 25.00.10. Москва, 2013. [Bayuk I.O. Interdisciplinary approach to predicting macroscopic and filtration-capacitive properties of hydrocarbon reservoirs: Diss. PhD in Phys.-Math. Sci., 25.00.10. Moscow, 2013. (in Russian)]
  7. Бардушкин В.В., Сорокин А.И., Сычев А.П. Моделирование эксплуатационных упругих свойств полимерных композитов с наполненными смазкой сферическими микрокапсулами и дисперсными включениями бесщелочного стекла. Трение и смазка в машинах и механизмах, 2015, № 10, с. 43–47. [Bardushkin V.V., Sorokin A.I., Sychev A.P. Modeling of performance elastic properties of polymer-based composites with lubricated spherical microcapsules and disperse inclusions of E-glass. Treniye i smazka v mashinakh i mekhanizmakh = Friction and lubrication in machines and mechanisms, 2015, no. 10, pp. 43–47. (in Russian)]
  8. Бардушкин В.В., Лавров И.В., Бардушкин А.В., Яковлев В.Б., Сычев А.П., Сычев А.А. Прогнозирование эксплуатационных упругих характеристик пенополимерных материалов. Сборка в машиностроении, приборостроении, 2020, т. 21, № 6, с. 265–269. [Bardushkin V.V., Lavrov I.V., Bardushkin A.V., Yakovlev V.B., Sychev A.P., Sychev A.A. Predicting the operational elastic characteristics of foam-polymer materials. Sborka v mashinostroyenii, priborostroyenii = Assembling in mechanical engineering and instrument-making, 2020, vol. 21, no. 6, pp. 265–269. (in Russian)] DOI 10.36652/0202-3350-2020-21-6-265-269
  9. Бардушкин В.В., Сычев А.П., Сычев А.А., Бардушкин А.В. Моделирование эффективных упругих характеристик пенополимерных материалов с однонаправленно ориентированными неизометричными порами. Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества, 2020, т. 17. № 3, с. 22–28. [Bardushkin V.V., Sychev A.P., Sychev A.A., Bardushkin A.V. Modeling of the effective elastic characteristics of foam materials with unidirectionally oriented non-isometric pores. Ecological Bulletin of Research Centers of the Black Sea Economic Cooperation, 2020, vol. 17, no. 3, pp. 22–28. (in Russian)] DOI 10.31429/vestnik-17-3-22-28
  10. Шермергор Т.Д. Теория упругости микронеоднородных сред. Наука, Москва, 1977. [Shermergor T.D. Teoriya uprugosti mikroneodnorodnykh sred = Micromechanics of inhomogeneous medium. Moscow, Nauka, 1977. (in Russian)]
  11. 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)]
  12. 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 and instrument-making, 2017, vol. 18, no. 9, pp. 398–403. (in Russian)]
  13. Горенберг А.Я., Трофимов А.Н., Иванова-Мумжиева В.Г., Плешков Л.В., Байков А.В. Морфология и свойства полых стеклянных микросфер. Часть 3. О толщине стенок промышленных полых стеклянных микросфер. Пластические массы. 2021. № 3–4. С. 32–36. [Gorenberg A.Ya., Trofimov A.N., Ivanova-Mumzhieva V.G., Pleshkov L.V., Baikov A.V. Morphology and properties of hollow glass microspheres. Part 3. On the wall thickness of industrial hollow glass microspheres. Plasticheskie massy = Plastic mass, 2021, no. 3–4, pp. 32–36. (in Russian)] DOI 10.35164/0554-2901-2021-3-4-32-36
  14. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. (под ред.) Физические величины: Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с. [Grigor'ev I.S., Meilikhov E.Z. (eds.) Physical Quantities: A Handbook. Energoatomizdat, Moscow, 1991. (in Russian)]
  15. Гутников С.И., Лазоряк Б.И., Селезнев А.Н. Стеклянные волокна. Изд-во МГУ, Москва, 2010. [Gutnikov S.I., Lazorjak B.I., Seleznev A.N. Glass fibers. Publishing House of Moscow State University, Moscow, 2010. (in Russian)]
  16. Лапицкий В.А., Крицук А.А. Физико-механические свойства эпоксидных полимеров и стеклопластиков. Наукова думка, Киев, 1986. [Lapitsky V.A., Kricuk A.A. Physical and mechanical properties of the epoxy polymers and fiberglasses. Naukova Dumka, Kiev, 1986. (in Russian)]
  17. 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 bodies with a large number of cracks. Izvestia of the USSR Academy of Sciences. Mekhanika tverdogo tela = Proceedings of the USSR Academy of Sciences. Mechanics of Solids, 1973, no. 4, pp. 149–158. (in Russian)]
  18. Трофимов А.Н., Плешков Л.В. Многослойные композиты с высокими удельными упруго-прочностными характеристиками на основе полых стеклянных микросфер. В Межд. научно-практ. конф. "Применение композиционных материалов в гражданском и военном авиастроении", 21 августа 2009 г., Жуковский: "Союз производителей композитов", "Мир-Экспо" в рамках IX Международного авиационно-космического салона МАКС-2009, c. 1–7. [Trofimov A.N., Pleshkov L.V. Multilayer composites with high specific elastic-strength characteristics based on hollow glass microspheres. In: Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya "Primenenie kompozitsionnykh materialov v grazhdanskom i voennom aviastroenii", 21 avgusta 2009 g., Zhukovskiy = International Scientific and Practical Conference "Application of composite materials in civil and military aircraft construction", August 21, 2009. Zhukovsky: "Union of Composite manufacturers", "Mir-Expo" within the IX International Aviation and Space Salon MAKS-2009, pp. 1–7. (in Russian)]

Downloads

Issue

2022. Vol. 19. No. 1

Section

Mechanics

Pages

50-57

Submitted

2022-01-12

Published

2022-03-30

How to Cite

Bardushkin V.V., Sychev A.P., Lavrov I.V., Yakovlev V.B., Bardushkin A.V., Sychev A.A. Effective elastic characteristics of epoxy compositions with hollow glass microspheres. Ecological Bulletin of Research Centers of the Black Sea Economic Cooperation, 2022, vol. 19, no. 1, pp. 50-57. DOI: https://doi.org/10.31429/vestnik-19-1-50-57 (In Russian)

Copyright (c) 2022 Bardushkin V.V., Sychev A.P., Lavrov I.V., Yakovlev V.B., Bardushkin A.V., Sychev A.A.

Creative Commons License

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