Особливості нанесення вуглецевих нанотрубок на полімерну основу методом холодного газодинамічного напилення (англ.)
DOI:
https://doi.org/10.20535/2617-9741.3.2025.340369Ключові слова:
холодне газодинамічне напилення, вуглецеві нанотрубки, поліефірефіркетон, метод скінченних елементівАнотація
Холодне газодинамічне напилення вуглецевих нанотрубок на полімерні матеріали у якості підкладки є перспективним методом формування функціональних покриттів, але процес осадження частинок на полімерних основах залишається недостатньо вивченим. У даній роботі розроблено чисельну модель для аналізу механізмів контактної взаємодії вуглецевих нанотрубок із поліефірефіркетоновою (ПЕЕК) підкладкою під час напилення при швидкостях 600 – 1000 м/с. Чисельне моделювання проведено в програмному забезпечені ABAQUS/Explicit з використанням методу скінченних елементів. Враховано модель пластичності Джонсона-Кука та модель руйнування Джонсона-Кука. Досліджено вплив швидкості на процеси пластичної деформації, локального нагрівання та умови закріплення нанотрубок на поверхні полімерної основи. При ударних швидкостях, менших за 600 м/с, ВНТ при зіткненні з підкладкою лише відскакує від поверхні полімеру, не спричиняючи суттєвих пластичних деформацій. Зі збільшенням швидкості удару зони пластичної деформації в підкладці розширюються як у площині контакту, так і в глибину. При зіткненні ВНТ з поверхнею ПЕЕК виникає інтенсивна локалізована пластична деформація, що супроводжується зосередженням напружень та активним тепловиділенням у результаті внутрішнього тертя та дисипації енергії. За рахунок збільшення швидкості удару глибина проникнення ВНТ у підкладку зростає: від 0,10 нм при 600 м/с до 0,19 нм при 1000 м/с. Температура в зоні контакту різко зростає до 397 К при 600 м/с і до 432 К при 1000 м/с, її величина пропорційна швидкості нанотрубки. Це пояснюється вищою інтенсивністю локалізованої пластичної деформації. Після піку температура стрімко зменшується внаслідок теплопровідності матеріалу підкладки та розподілу тепла вглиб масиву полімеру. Ефективна фіксація вуглецевої нанотрубки на поверхні полімерної підкладки з поліефірефіркетону досягається за умови ударної швидкості 1000 м/с. При швидкості 1000 м/с спостерігається максимальна глибина проникнення ВНТ до 0,19 нм, що забезпечує її часткове занурення в поверхневий шар полімеру. Удар супроводжується локальним підвищенням температури в зоні контакту до 432 К, що перевищує температуру склування ПЕЕК (400 К). За таких умовах полімер переходить у високоеластичний стан, що супроводжується значним зниженням механічної жорсткості та підвищенням податливості до пластичної деформації. Це дає змогу полімеру деформуватися навколо нанотрубки, частково її охоплюючи. Локальне термічне розширення матеріалу в зоні удару додатково посилює ефект механічного захоплення нанотрубки в полімерній пластині. Після завершення ударної взаємодії відбувається швидке охолодження системи до температури нижче точки склування, зумовлене теплопровідністю підкладки. В результаті ПЕЕК відновлює свої вихідні жорсткі властивості, фіксуючи ВНТ у застиглій структурі. Критична швидкість 1000 м/с забезпечує надійну фіксацію ВНТ у ПЕЕК завдяки локальним термо-структурним ефектам. Запропонована модель дозволяє прогнозувати оптимальні параметри процесу напилення для забезпечення високої ефективності напилення нанотрубок.
Посилання
Champagne V. The Cold Spray Materials Deposition Process: Fundamentals and Applications. Series in Metals and Surface Engineering Series Woodhead Publishing Limited, 2007. ISBN: 978-1-84569-181-3
Shah, S., Lee, J., Rothstein, J. P. (2017). Numerical Simulations of the High-Velocity Impact of a Single Polymer Particle During Cold-Spray Deposition. Journal of Thermal Spray Technology. 26. P. 970–984. https://doi.org/10.1007/s11666-017-0557-2
Jing Xie. Simulation of cold spray particle deposition process. Mechanics of materials [physics.class-ph]. INSA de Lyon, 2014. URL: https://theses.hal.science/tel-01153225v1 (Accessed: 15.03.2025)
Papyrin A., Kosarev V., Klinkov S., et al. Cold Spray Technology. Amsterdam. Elsevier Science, 2006. 336 p. ISBN: 9780080451558
Wang, X., Feng, F., Klecka, M. A., et al. (2015). Characterization and modeling of the bonding process in cold spray additive manufacturing. Additive Manufacturing. 8. P. 149–162. https://doi.org/10.1016/j.addma.2015.03.006
Watanabe, Y., Yoshida, C., Atsumi, K., et al. (2014). Influence of Substrate Temperature on Adhesion Strength of Cold-Sprayed Coatings. Journal of Thermal Spray Technology. 24. P. 86–91.
https://doi.org/10.1007/s11666-014-0165-3
Tan, A., Lek, J., Sun, W., et al. (2018). Influence of Particle Velocity When Propelled Using N2 or N2-He Mixed Gas on the Properties of Cold-Sprayed Ti6Al4V Coatings. Coatings. 8 (9). P. 327. https://doi.org/10.3390/coatings8090327
Chu, X., Che, H., Vo, P., et al. (2017). Understanding the cold spray deposition efficiencies of 316L/Fe mixed powders by performing splat tests onto as-polished coatings. Surface and Coatings Technology. 324, P. 353– 360. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.05.083
Assadi, H., Gärtner, F., Stoltenhoff, T. et al. (2003). Bonding mechanism in cold gas spraying. Acta Materialia. 51 (15), P. 4379–4394. https://doi.org/10.1016/s1359-6454(03)00274-x
Li, W.-Y., Gao, W. (2009). Some aspects on 3D numerical modeling of high velocity impact of particles in cold spraying by explicit finite element analysis. Applied Surface Science. 255 (18), P. 7878– 7892. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2009.04.135
Heydari Astaraee, A., Colombo, C., Bagherifard, S. (2022). Insights on metallic particle bonding to thermoplastic polymeric substrates during cold spray. Scientific Reports. 12 (118123). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22200-5
Heydari Astaraee, A., Colombo, C., Bagherifard, S. (2021). Numerical Modeling of Bond Formation in Polymer Surface Metallization Using Cold Spray. Journal of Thermal Spray Technology. 30. P. 1765– 1776. https://doi.org/10.1007/s11666-021-01224-9
Tang, W., Zhang, J., Li, Y., et al. (2021). Numerical Simulation of the Cold Spray Deposition of Copper Particles on Polyether Ether Ketone (PEEK) Substrate. Journal of Thermal Spray Technology. 30. P. 1792– 1809. https://doi.org/10.1007/s11666-021-01254-3
Ata, N., Ohtake, N., Akasaka, H., (2017). Polyethylene–Carbon Nanotube Composite Film Deposited by Cold Spray Technique. Journal of Thermal Spray Technology. 26 (7), P. 1541–1547. https://doi.org/10.1007/s11666-017-0617-7
Ata, N., Okimura, N., Ohtake, N., et al. (2019). Aligned Carbon Nanotube-polymer Composite Film Deposited by a Low-pressure Cold Spray Process. Seikei-Kakou. 31 (2), P. 85– 89. https://doi.org/10.4325/seikeikakou.31.85
Scarpa F., Adhikari S. (2008). A mechanical equivalence for Poisson's ratio and thickness of C–C bonds in single wall carbon nanotubes. Journal of Physics D: Applied Physics. 41, 085306. https://doi.org/10.1088/0022-3727/41/8/085306
Gondlyakh, A. V., Sokolskiy, A. L., Kolosov, A. E. et al. (2020). Modeling the Mechanisms of Fracture Formation in Nanomodified Polymers. 2020 IEEE 10th International Conference Nanomaterials: Applications & Properties (NAP), Sumy, Ukraine. https://doi.org/10.1109/nap51477.2020.9309637
Gondliakh O., Mamchur O. (2022). Parameters of crack resistance of nanoreinforced polymeric engineering products. Proceedings of the NTUU “Igor Sikorsky KPI”. Series: Chemical engineering, ecology and resource saving. 4. P. 9–20. https://doi.org/10.20535/2617-9741.4.2022.269740
Johnson G.R., Cook W.H. (1983). A constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain rates, and high temperatures. Proceedings of the 7th International Symposium on Ballistics. P. 541–547. URL: https://ia800406.us.archive.org/4/items/AConstitutiveModelAndDataForMetals/A%20constitutive%20model%20and%20data%20for%20metals_text.pdf (Accessed: 15.03.2025)
Johnson G. R., Cook W. H. (1985). Fracture Characteristics of Three Metals Subjected to Various Strains, Strain Rates, Temperatures and Pressures. Engineering Fracture Mechanics. 21 (1), P. 31-48. http://dx.doi.org/10.1016/0013-7944(85)90052-9
Maksimov R. D., Kubat J. (1997). Time and temperature dependent deformation of poly(ether ether ketone) (PEEK). Mechanics of Composite Materials. 33 (6), P. 517–525. https://doi.org/10.1007/bf02269611
Koerdt, M., Koerdt, M., Grobrüg, T., et al. (2019). Modelling and analysis of the thermal characteristic of thermoplastic composites from hybrid textiles during compression moulding. Journal of Thermoplastic Composite Materials. 35 (1), P. 127–146. https://doi.org/10.1177/0892705719875204
Yakobson B. I., Brabec C. J., Bernholc J. (1996). Nanomechanics of Carbon Tubes: Instabilities beyond Linear Response. Physical Review Letters. 76 (14), P. 2511– 2514. https://doi.org/10.1103/physrevlett.76.2511
Garcia-Gonzalez D. et al. (2015) Mechanical impact behavior of polyether–ether–ketone (PEEK). Composite Structures. 124, P. 88–99. URL: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2014.12.061
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
