vrgupВестник Ростовского государственного университета путей сообщенияVestnik Rostovskogo Gosudarstvennogo Universiteta Putej Soobshcheniya0201-727XРостовский государственный университет путей сообщения10.46973/0201-727X_2023_4_25vrgup-37Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGИсследование вязкоупругих свойств композиционных материалов на основе метода индентированияStudy of viscoelastic properties of composite materials on the basis of indentation methodКолесниковВ. И.KolesnikovV. I.

Колесников Владимир Иванович, кафедра «Теоретическая механика», доктор технических наук, профессор, академик РАН, заведующий кафедрой

Kolesnikov Vladimir Ivanovich, Chair «Theoretical Mechanics», Doctor of Engineering Sciences, Professor, Corresponding Member, Russian Academy of Sciences, Head of the Chair

kvi@rgups.ruБелякО. А.BelyakO. A.

Беляк Ольга Александровна, кафедра «Теоретическая механика», доктор физико-математических наук, доцент

Belyak Olga Aleksandrovna, Chair «Theoretical Mechanics», Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor

o_bels@mail.ruСувороваТ. В.SuvorovaT. V.

Суворова Татьяна Виссарионовна, кафедра «Высшая математика», доктор физико-математических наук, профессор

Suvorova Tatiana Vissarionovna, Chair «Higher Mathematics », Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor

suvorova_tv111@mail.ruКолесниковИ. В.KolesnikovI. V.

Колесников Игорь Владимирович, кафедра «Теоретическая механика», доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РАН

Kolesnikov Igor Vladimirovich, Chair «Theoretical Mechanics», Doctor of Engineering Sciences, Professor, Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences

kvi@rgups.ruДанильченкоС. А.DanilchenkoS. A.

Данильченко Сергей Александрович, кафедра «Теоретическая механика», младший научный сотрудник

Danilchenko Sergey Aleksandrovich, Chair «Theoretical Mechanics», Junior Researcher

sergey.a.danilchenko@gmail.comРостовский государственный университет путей сообщения (РГУПС)Rostov State Transport University (RSTU)202330122023042533Copyright © Колесников В.И., Беляк О.А., Суворова Т.В., Колесников И.В., Данильченко С.А., 20232023Колесников В.И., Беляк О.А., Суворова Т.В., Колесников И.В., Данильченко С.А.Kolesnikov V.I., Belyak O.A., Suvorova T.V., Kolesnikov I.V., Danilchenko S.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.rgups.ru/jour/article/view/37

Изучено влияние микронных частиц оксида магния и карбида бора наполнителя на вязкоупругие свойства композитных материалов на основе эпоксиднодиановой смолы, для чего проведены комплексные теоретико-экспериментальные исследования. Экспериментальные данные для созданных композитов получены методом индентирования. Идентификация механических свойств вязкоупругих композиционных материалов на основании экспериментально полученных диаграмм «нагрузка – проникновение» проведена на основе созданного вычислительного алгоритма. Представлены результаты идентификации параметров модели Прони по экспериментальным кривым ползучести, которые получены в рамках метода микроиндентирования. Идентификация параметров модели осуществлена гибридным методом на основе генетического алгоритма и метода Нелдера – Мида. Такой подход обеспечивает устойчивую схему определения искомых параметров. Представленный подход к изучению механических свойств материалов эффективен при идентификации вязкоупругих свойств композиционных покрытий. 

A complex theoretical-experimental research has been carried out for studying effect of micron particles of magnesium oxide and boron carbide filler on the viscoelastic properties of epoxy-diane resin composites. Experimental data for the created composites were obtained by indentation method. Identification of mechanical properties of viscoelastic composites on the basis of experimentally obtained diagrams "load-penetration" is carried out on the basis of the created computational algorithm. The results of identification of the Prony's model parameters from experimental creep curves, which were obtained within the framework of the micro indentation method, are presented. The identification of the model parameters was carried out by a hybrid method based on the genetic algorithm and the Nelder – Mead method. This approach provides a stable scheme for the determination of the sought parameters. The presented approach to the study of mechanical properties of materials is effective in the identification of viscoelastic properties of composite coatings. 

композитмикронные частицывязкоупругостьиндентированиеcompositemicron particlesviscoelasticityindentationReferencesЛюкшин, Б. А. Дисперсно-наполненные полимерные композиты технического и медицинского назначения / Б. А. Люкшин, С. В. Шилько, С. В. Панин [и др.]. – Новосибирск : Сибирское отделение РАН, 2017. – 311 с. – ISBN 978-5-7692-1546-9.Lyukshin, B. A. Dispersed-filled polymer composites for technical and medical purposes / B. A. Lyukshin, S. V. Shilko, S. V. Panin [et al.]. – Novosibirsk : Siberian Branch of the RAS, 2017. – 311 p. – ISBN 978-5-7692-1546-9.Колесников, В. И. Математические модели и экспериментальные исследования – основа конструирования гетерогенных антифрикционных материалов / В. И. Колесников, О. А. Беляк. – Москва : Физматлит, 2021. – 216 с. – ISBN 978-5-9221- 1916-0.Kolesnikov, V. I. Mathematical models and experimental studies are the basis for the design of heterogeneous antifriction materials / V. I. Kolesnikov, O. A. Belyak. – Moscow : Fizmatlit, 2021. 216 p. – ISBN 978-5-9221-1916-0.Novel preparation of nano-SiO2 core-shell hybrid inorganic-organic sizing agents for enhanced interfacial and mechanical properties of carbon fibers/epoxy composites / Y. Geng, L. Hongfu, Y. Jiawei [et al.] // Composite Structures. – 2023. – Vol. 319. – P. 117086. – DOI 10.1016/j.compstruct.2023.117086.Novel preparation of nano-SiO2 core-shell hybrid inorganic-organic sizing agents for enhanced interfacial and mechanical properties of carbon fibers/epoxy composites / Y. Geng, L. Hongfu, Y. Jiawei [et al.] // Composite Structures. – 2023. – Vol. 319. – P. 117086. – DOI 10.1016/j.compstruct.2023.117086.Jin, L. Electrical degradation dynamics of glass fiber-reinforced epoxy composites considering different fiber orientation / L. Jin, Z. Renyong, W. Yuhuai, C. Yun, K. Xiaoxiao, D. Boxue // Composite Structures. – 2023. – Vol. 318. – P. 117083. – DOI 10.1016/j.compstruct.2023.117083.Jin, L. Electrical degradation dynamics of glass fiber-reinforced epoxy composites considering different fiber orientation / L. Jin, Z. Renyong, W. Yuhuai, C. Yun, K. Xiaoxiao, D. Boxue // Composite Structures. – 2023. – Vol. 318. – P. 117083. – DOI 10.1016/j.compstruct.2023.11 7083.Huimin, L. Effects of constructing different unit cells on predicting composite viscoelastic properties / L. Huimin, Z. Boming, B. Guanghui // Composite Structures. – 2015. – Vol. 125. – P. 459– 466. – DOI 10.1016/j.compstruct.2015.02.028.Huimin, L. Effects of constructing different unit cells on predicting composite viscoelastic properties / L. Huimin, Z. Boming, B. Guanghui // Composite Structures. – 2015. – Vol. 125. – P. 459– 466. – DOI 10.1016/j.compstruct.2015.02.028.Thermo-viscoelastic properties of silica particulate-reinforced epoxy composites : Considered in terms of the particle packing model / S. C. Kwon, T. Adachi, W. Araki, A. Yamaji // Acta Materialia. – 2006. – Vol. 54, No. 12. – P. 3369–3374. – DOI 10.1016/j.actamat.2006.03.026.Thermo-viscoelastic properties of silica particulate-reinforced epoxy composites : Considered in terms of the particle packing model / S. C. Kwon, T. Adachi, W. Araki, A. Yamaji // Acta Materialia. – 2006. – Vol. 54, No. 12. – P. 3369–3374. – DOI 10.1016/j.actamat.2006.03.026.Kontou, E. The Effect of Silica Particle Size on the Mechanical Enhancement of Polymer Nanocomposites / E. Kontou, A. Christopoulos, P. Koralli, D. E. Mouzakis // Nanomaterials. – 2023. – Vol. 13, No. 6. – P. 1095. – DOI 10.3390/nano13061095.Kontou, E. The Effect of Silica Particle Size on the Mechanical Enhancement of Polymer Nanocomposites / E. Kontou, A. Christopoulos, P. Koralli, D. E. Mouzakis // Nanomaterials. – 2023. – Vol. 13, No. 6. – P. 1095. – DOI 10.3390/nano13061095.Papanicolaou, G. C. Viscoelastic behaviour and modelling of nano and micro TiO2 powder-epoxyresin composites / G. C. Papanicolaou, L. C. Kontaxis, A. E. Manara // Ciência & Tecnologia dos Materiais. – 2016. – Vol. 54, No. 2. – P. 138–146. – DOI 10.1016/j.ctmat.2016.02.005.Papanicolaou, G. C. Viscoelastic behaviour and modelling of nano and micro TiO2 powder-epoxy resin composites / G. C. Papanicolaou, L. C. Kontaxis, A. E. Manara // Ciência & Tecnologia dos Materiais. – 2016. – Vol. 54, No. 2. – P. 138–146. –DOI 10.1016/j.ctmat.2016.02.005.Belyak, O. A. Predicting the Mechanical Properties of Antifriction Composite Materials / O. A. Belyak, T. V. Suvorova // Mechanics of Composite Materials. – 2021. – Vol. 57, No. 5. – P. 647–656. – DOI 10.1007/s11029-021-09986-7.Belyak, O. A. Predicting the Mechanical Properties of Antifriction Composite Materials / O. A. Belyak, T. V. Suvorova // Mechanics of Composite Materials. – 2021. – Vol. 57, No. 5. – P. 647–656. – DOI 10.1007/s11029-021-09986-7.Sevostianov, I. Effective properties of linear viscoelastic microcracked materials : Application of Maxwell homogenization scheme / I. Sevostianov, V. Levin, E. Radi // Mechanics of Materials. – 2015. – Vol. 84. – P. 28–43. – DOI 10.1016/j.mechmat.2015.01.004.Sevostianov, I. Effective properties of linear viscoelastic microcracked materials : Application of Maxwell homogenization scheme / I. Sevostianov, V. Levin, E. Radi // Mechanics of Materials. – 2015. – Vol. 84. – P. 28–43. – DOI 10.1016/j.mechmat.2015.01.004.Исследование зависимости свойств модифицированных полиуретанов от температуры методом индентирования / Е. В. Торская, А. А. Яковенко, И. В. Шкалей, А. Л. Свистков // Физическая мезомеханика. – 2023. – Т. 26, № 3. – С. 29–38. – DOI 10.55652/1683-805X_2023_26_3_29.An indentation study of the temperaturedependent properties of modified polyurethanes / E. V. Torskaya, A. A. Yakovenko, I. V. Shkaley, A. L. Svistkov // Physical Mesomechanics. – 2023. – Vol. 26, No. 3. – P. 29–38. – DOI 10.55652/1683-805X_2023_26_3_29.Díez-Pascual, A. M. Nanoindentation in polymer nanocomposites / A. M. Díez-Pascual, M. A. Gómez-Fatou, F. Ania, A. Flores // Progress in Materials Science. – 2015. – Vol. 67. – P. 1–94. – DOI 10.1016/j.pmatsci.2014.06.002.Díez-Pascual, A. M. Nanoindentation in polymer nanocomposites / A. M. Díez-Pascual, M. A. Gómez-Fatou, F. Ania, A. Flores // Progress in Materials Science. – 2015. – Vol. 67. – P. 1–94. – DOI 10.1016/j.pmatsci.2014.06.002.Исследование методом микроиндентирования образцов эпоксидной смолы, упрочненной наночастицами диоксида кремния / С. В. Смирнов, Е. О. Смирнова, И. А. Веретенникова [и др.] // Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures. – 2017. – № 1. – С. 24–35. – DOI 10.17804/2410-9908.2017.1.024-035.Studying epoxy resin reinforced with silica dioxide nanoparticles by microindentation S. V. Smirnov, E. O. Smirnova, I. A. Veretennik ov [et al.] // Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures. – 2017. – No. 1. – P. 24–35. – DOI 10.17804/2410- 9908.2017.1.024-035.Oliver, W. C. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments / W. C. Oliver, G. M. Pharr // Journal materials research. – 1992. – Vol. 7. – No. 6. – P. 1564–1583. – DOI 10.1557/JMR.1992.1564.Oliver, W. C. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments / W. C. Oliver, G. M. Pharr // Journal materials research. – 1992. – Vol. 7. – No. 6. – P. 1564–1583. –DOI 10.1557/JMR.1992.1564.Lee, E. H. The Contact Problem for Viscoelastic Bodies / E. H. Lee, J. R. M. Radok // Journal of Applied Mechanics. – 1960. – Vol. 27. – P. 438.Lee, E. H. The Contact Problem for Viscoelastic Bodies / E. H. Lee, J. R. M. Radok // Journal of Applied Mechanics. – 1960. – Vol. 27. – P. 438.Christensen, R. M. Mechanics of composite materials / R. M. Christensen – New York : Wiley, 1979. – 320 p. – ISBN 0471051675.Christensen, R. M. Mechanics of composite materials / R. M. Christensen – New York : Wiley, 1979. – 320 p. – ISBN 0471051675.Fischer-Cripps, A. C. A simple phenomenological approach to nanoindentation creep / A. C. Fischer-Cripps // Materials Science and Engineering : A. – 2004. – Vol. 385, No. 1–2. – P. 74–82. – DOI 10.1016/j.msea.2004.04.070.Fischer-Cripps, A. C. A simple phenomenological approach to nanoindentation creep / A. C. Fischer-Cripps // Materials Science and Engineering : A. – 2004. – Vol. 385, No. 1–2. – P. 74–82. – DOI 10.1016/j.msea.2004.04.070.Шилько, С. В. Определение реологических параметров полимерных материалов на основе идентификации вязкоупругой модели Прони по результатам статических и динамических испытаний / С. В. Шилько, С. Л. Гавриленко, С. В. Панин, В. О. Алексенко // Механика машин, механизмов и материалов. – 2017. – № 3(40). – С. 33–38. – ISSN 1995-0470.Shil'ko, S. V. Determination of rheological parameters of polymer materials by identification of Prony viscoelastic model according to data of static and dynamic tests / S. V. Shil'ko, S. L. Gavrilenko, S. V. Panin, V. O. Aleksenko // Mechanics of machines, mechanisms and materials– 2017. – No. 3(40). – P. 33–38. – ISSN 1995-0470.Oyen, M. L. Sensitivity of polymer nanoindentation creep measurements to experimental variables / M. L. Oyen // Acta Materialia. – 2007. – Vol. 55, No. 11. – P. 3633– 3639. – DOI 10.1016/j.actamat.2006.12.031.Oyen, M. L. Sensitivity of polymer nanoindentation creep measurements to experimental variables / M. L. Oyen // Acta Materialia. – 2007. – Vol. 55, No. 11. – P. 3633– 3639. – DOI 10.1016/j.actamat.2006.12.031.Design of double layer protective coatings : Finite element modeling and machine learning approximations / V. I. Kolesnikov, D. M. Pashkov, O. A. Belyak [et al.] // Acta Astronautica. – 2023. – Vol. 204. – P. 869–877. – DOI 10.1016/j.actaastro.2022.11.007.Design of double layer protective coatings : Finite element modeling and machine learning approximations / V. I. Kolesnikov, D. M. Pashkov, O. A. Belyak [et al.] // Acta Astronautica. – 2023. – Vol. 204. – P. 869–877. – DOI 10.1016/j.actaastro.2022.11.007.Modeling of the viscoelastic properties of thermoset vinyl ester nanocomposite using artificial neural network / M. A. Omari, A. Almagableh, M. S. Ashhab [et al.] // International Journal of Engineering Science. – 2020. – Vol. 150. – P. 103242. – DOI 10.1016/j.ijengsci.2020.103242.Modeling of the viscoelastic properties of thermoset vinyl ester nanocomposite using artificial neural network / M. A. Omari, A. Almagableh, M. S. Ashhab [et al.] // International Journal of Engineering Science. – 2020. – Vol. 150. – P. 103242. – DOI 10.1016/j.ijengsci.2020.103242.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.