Влияние термоциклов на свойства ПКМ в условиях холодного климата

Применение полимерных композиционных материалов (ПКМ) в условиях холодного климата требует оценки их устойчивости к многократным температурным воздействиям и связанным с ними структурным изменениям. Цель работы – исследовать влияние натурного экспонирования углепластика (УП), базальтопластика (БП) и стеклопластика (СП) в условиях Якутска на теплопроводность, динамико-механические и термомеханические характеристики и сопоставить наблюдаемые изменения с типичной термоциклической нагрузкой региона. Температуру поверхности ламинатов регистрировали на солнечной и теневой сторонах; свойства материалов оценивали методами измерения теплопроводности, динамического механического и термомеханического анализа. Дополнительно анализировали переходы температуры через 0, –18 и –33 °C. За 2023–2024 гг. число таких переходов для УП/БП/СП составило соответственно 489/468/438, 298/287/262 и 166/163/163; эти значения рассматриваются как характеристика типичной термоциклической нагрузки Якутска. УП характеризовался наиболее высокой теплопроводностью и более равномерным температурным полем. После экспонирования его динамический модуль увеличился, а температура стеклования сместилась в область более высоких температур. Для БП отмечены умеренные изменения жесткости и термомеханических характеристик. СП проявил наиболее выраженную зависимость от стороны экспозиции и максимальный температурный градиент между солнечной и теневой поверхностями, достигавший 11,8 °C. Полученные результаты показывают различную климатическую устойчивость исследованных ПКМ и указывают на существенный вклад термоциклических воздействий, влажности и солнечного нагрева в изменение их свойств. Эти данные могут быть использованы при оценке долговечности композиционных материалов в арктических условиях.

1. Pochiraju K.V., Tandon G.P., Schoeppner G.A. Long term durability of polymeric matrix composites. New York: Springer New York; 2012. 677 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4419-9308-3.

2. Nieto Z., Castellanos A.G. Arctic temperature effects on the mechanical properties and failure modes of photopolymer resin for sandwich composite core’ materials. Results in Engi neering. 2024;24:103413, https://doi.org/10.1016/j.rineng.2024.103413

3. Каблов Е.Н., Старцев В.О. Системный анализ влияния климата на механические свойства полимерных ком позиционных материалов по данным отечественных и за рубежных источников (обзор). Авиационные материалы и технологии. 2018;(2):47–58. – EDN: UOPPLH

4. Baker D.J. Ten-year ground exposure of composite mate rials used on the bell model 206l helicopter flight service pro gram. NASA Technical Paper 3468, ARL Technical Report 480. NASA Langely Research Center: Hampton, VA; 1994. 54 p.

5. Каблов Е.Н. Авиационные материалы. Справочник в 13 т. Том 13. Климатическая и микробиологическая стойкость неметаллических материалов. М.: ВИАМ; 2015. 270 с.

6. Kim Y.H., Kumar S., Li X., et al. Temperature-dependent mechanical properties and material modifications of carbon fiber composites for optimized structures in high-end industrial applications. Composites Part B: Engineering. 2025;303: 112602. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112602. – EDN: RCAJIM

7. Gavrilieva A.A., Startsev O.V., Lebedev M.P., et al. Size effects in climatic aging of epoxy basalt fiber reinforcement bar. Polymers. 2024;16(18):2550. https://doi.org/10.3390/polym16182550. – EDN: EHKPMG

8. Griffith J.C., Wang S., Palubiski D.R., et al. Investigating the microcracking behaviour of a commercial epoxy matrix under cryogenic conditions. Composites Part A: Applied Sci ence and Manufacturing. 2025;199:109190. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2025.109190. – EDN: ABIELR

9. Lebedev M.P., Startsev O.V., Kychkin A.K., et al. Con tributing factors of uneven climatic aging for polymeric com posite materials: methods and modelling. Polymers. 2023; 15(6):1458. https://doi.org/10.3390/polym15061458. – EDN: FFTNGH

10. Kablov E.N., Startsev V.O. The influence of internal stresses on the aging of polymer composite materials: a review. Mech Compos Mater. 2021;57(5):565–576. https://doi.org/10.1007/s11029-021-09979-6. – EDN: SKYNUT

11. Meng J., Wang Y., Yang H., et al. Mechanical properties and internal microdefects evolution of carbon fiber reinforced polymer composites: Cryogenic temperature and thermocycling effects. Composites Science and Technology. 2020;191:108083. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2020.108083. – EDN: ZRHRUF

12. Dutta P.K. Structural fiber composite materials for cold regions. Journal of Cold Regions Engineering. 1988;2(3):124 134. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0887-381X(1988)2:3(124)

13. Li H., Xian G., Lin Q., Zhang H. Freeze–thaw resist ance of unidirectionalfiberreinforced epoxy composites. Jour nal of Applied Polymer Science. 2012;123:3781–3788. https://doi.org/10.1002/app.34870

14. Cusson R., Xi Y. The behavior of fiber-reinforced poly mer reinforcement in low-temperature environmental climates. Report No. CDOT-DTD-R-2003-4. Boulder, CO: University of Colorado; 2002. 97 p.

15. Tsotsis T.K. Effects of sub-freezing temperatures on graphite/epoxy composite materials. Journal of Engineering Materials and Technology. 1989;111:438-439. https://doi.org/10.1115/1.3226492

16. Grammatikos S.A., Jones R.G., Evernden M., Cor reia J.R. Thermal cycling effects on the durability of a pultruded GFRP material for offshore civil engineering structures. Com posite Structures. 2016;153:297–310. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2016.05.085

17. Sousa J.M., Correia J.R., Cabral-Fonseca S., Diogo A.C. Effects of thermal cycles on the mechanical response of pul truded GFRP profiles. Composite Structures. 2014;116(1):720 731. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2014.06.008

18. Abdelmola F., Carlsson L.A. State of water in void-free and void-containing epoxy specimens. Journal of Reinforced Plastics and Composites. 2019;38(12):556–566. https://doi.org/10.1177/0731684419833469

19. Hakimian A., Mohebinia M., Nazari M., et al. Freezing of few nanometers water droplets. Nature Communications. 2021;12(1):6973. https://doi.org/10.1038/s41467-021-27346-w. – EDN: FYZYTQ

20. Сокова С.Д. Выбор материалов для гидроизоляции при ремонте с учетом их совместимости и особенностей эксплуатации. Вестник МГСУ. 2010;5(4–5):151–156. – EDN: RTUJPT

21. Старцев О. В. Старение полимерных композиционных материалов в условиях экстремально холодного климата. Известия Алтайского государственного университета. 2020;1(111):41–51. https://doi.org/10.14258/izvasu(2020)1-06. – EDN: QIQKGR.

22. Menard K. Dynamic mechanical analysis: a practical introduction. 2nd ed. Boca Raton: CRC Press; 2008. 240 p.

23. Rajesh M., Pitchaimani J. Dynamic mechanical analysis and free vibration behavior of intraply woven natural fiber hy brid polymer composite. Journal of Reinforced Plastics and Composites. 2016;35(3):228–242. https://doi.org/10.1177/0731684415611973

24. Startsev V.O., Molokov M.V., Grebeneva T.A., Tka chuk A.I. Dynamic mechanical and thermomechanical analysis of reversible plasticization of epoxy-diane resin-diaminodiphe nylsulfon system by moisture. Polymer Science. Series A. 2017; 59(5):640–648. https://doi.org/10.1134/S0965545X17050157. – EDN: UEWAMX

25. Startsev V.O., Lebedev M.P., Kychkin A.K. Influence of moderately warm and extremely cold climate on properties of basalt plastic armature. Heliyon. 2018;4(12):e01060. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2018.e01060. – EDN: YPZMEP

26. Lukachevskaia I.G., Kychkin A., Kychkin A.K., et al. Effect of 2000-hour ultraviolet irradiation on surface degrada tion of glass and basalt fiber-reinforced laminates. Polymers. 2025;17(14):1980. https://doi.org/10.3390/polym17141980. – EDN: FLMHAQ

27. Horrocks A.R., Mwila J., Miraftab M., et al. The influ ence of carbon black on properties of orientated polypropylene 2. Thermal and photodegradation. Polymer Degradation and Stability. 1999;65(1):25-36. https://doi.org/10.1016/S0141-3910(98)00213-4

28. Fiore V., Scalici T., Di Bella G., Valenza A. A review on basalt fibre and its composites. Composites Part B: Engineering. 2015;74:74–94. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2014.12.034. – EDN: UOIUXJ