Дефекты в конструкциях из полимерных композиционных материалов, возникающие в процессе их производства

Цель работы: изучение дефектов, возникающих при производстве конструкций из полимерных композиционных материалов.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Классификационная схема дефектов, возникающих при производстве конструкций из ПКМ, представлена на рисунке.

Дефекты и повреждения в конструкциях

из полимерных композиционных материалов

К микродефектам можно отнести дефекты, возникающие в элементарных армирующих волокнах, в прослойках связующего между этими волокнами, а также на границе раздела «волокно-матрица». Наиболее характерными дефектами этой группы можно назвать микропоры, микротрещины, включения инородных кристаллов в структуру элементарных волокон, искривления фибрилл, разориентацию микрофибрилл и др. Размеры микродефектов сравнимы с размерами армирующих элементов (элементарными волокнами) или с толщиной связующего между этими элементами.

Минидефекты встречаются в виде структурных несовершенств и нарушений сплошности в элементарных слоях материала. К ним можно отнести:

- риски и царапины, соизмеримые с толщиной элементарного слоя;

- нарушение адгезионных связей на границе раздела «волокно-матрица»;

- волокнистость и крутку армирующих волокон, разориентацию и их искривление;

- неравномерное распределение связующего в элементарном слое композита; разную степень натяжения армирующих волокон или нитей;

- обрывы отдельных элементарных волокон или нитей и др.

Размеры минидефектов сравнимы с размерами толщины элементарного слоя композиционного материала.

Минидефекты связаны либо со структурным строением армирующего наполнителя, либо возникают в процессе технологической переработки составляющих компонентов композиционного материала в изделии. Наиболее характерные минидефекты, связанные с нарушением сплошности структуры ПКМ, − поры и минитрещины в матрице. Появление пор связано с наличием в связующем большого количества растворителя или влаги, с неправильным выбором режимов термообработки (большая скорость нагревания, низкое давление).

Анализ композиционных материалов с различной пористостью показывает, что с ростом длины пор и их содержания степень реализации прочностных и других параметров композитов уменьшается. Особенно пористость сказывается на сопротивлении слоистых материалов сдвиговым нагрузкам и в меньшей степени – изгибающим и растягивающим.

Наряду с этим поры являются концентраторами напряжений в матрице и при внешнем воздействии на конструкцию или возникновении внутренних остаточных напряжений в материале могут быть источниками образования микро- и минитрещин как в самой матрице, так и вдоль границы раздела «волокно-матрица».

Конструкции из композитов очень чувствительны также к расслоениям, непроклеям, трещинам и надрезам поверхностных слоев (макродефектам).

Расслоение вдоль разрушенного волокна (отделение волокна от полимерного связующего) может распространяться неограниченно вдоль значительной части волокна, уменьшая, таким образом, эффективность армирования.

В ПКМ всегда имеются трещины, возникающие в местах концентрации напряжений по концам волокон конечной длины. Для того чтобы реализовать хорошие потенциальные механические свойства ПКМ, необходимо стремиться к тому, чтобы размеры трещин были минимальными.

В ПКМ может также происходить трещинообразование в полимере из-за нарушения сплошности матрицы при разрушении волокон.

Появление дефектов в конструкциях из композитов, армированных непрерывными волокнами или ткаными материалами, может быть связано не только с отсутствием достаточно совершенного оборудования, но и с рядом других причин, связанных с субъективными факторами.

В таблице представлены технологические методы формования изделий из ПКМ и наиболее характерные дефекты в изделиях, возникающие при том или ином методе формования.

Характерные дефекты для типовых методов формования

изделий из ПКМ

ФМХ – физико-механические характеристики.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Классификация дефектов, возникающих при производстве конструкций из ПКМ.

2. Микродефекты. Минидефекты. Макродефекты.

3. Характерные дефекты для типовых методов формования изделий из ПКМ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гайдачук, В. Е. Уровни дефектов структуры в изделиях из полимерных композиционных материалов, возникающих в процессе их производства / В. Е. Гайдачук, В. А. Коваленко // Авиационно-космическая техника и технология. – 2012. – Т. 93. – № 6. – С. 5-12.

СОДЕРЖАНИЕ

Практическое занятие № 12. Метод контактного

формования............................................................................1

Практическое занятие № 13. Пултрузия и

роллтрузия..............................................................................8

Практическое занятие № 14. Прессовое формование......13

Практическое занятие № 15. Ротационное и

центробежное формование.................................................20

Практическое занятие № 16. Пропитка заготовок...........24

Практическое занятие № 17. Выбор метода

формования из условий нагруженности изделий.............31

Практическое занятие № 18. Дефекты в

конструкциях из полимерных композиционных

материалов, возникающие в процессе их производства..36

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к подготовке к практическим занятиям (семинарам) № 12-18

по дисциплине «Теория и технологии процессов производства, обработки и переработки композиционных материалов

в изделиях» для студентов направления 150100.62 «Материаловедение и технология материалов» (профиль «Конструирование и производство изделий

из композиционных материалов») очной формы обучения

Составитель

Калгин Александр Владимирович

В авторской редакции

Компьютерный набор А.В. Калгина

Подписано к изданию 04.02.2015.

Уч.- изд. л. 2,5.

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

технический университет»