книги / Влияние степени наполнения арматурой, предварительного циклического нагружения и температуры на механические характеристики волокнистых полимерных композиционных материалов

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

А.В. Бабушкин, А.В. Козлова, Д.С. Лобанов

ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ НАПОЛНЕНИЯ АРМАТУРОЙ, ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ЦИКЛИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ

И ТЕМПЕРАТУРЫ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЛОКНИСТЫХ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2013

1

УДК 620.22-419.8 Б12

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор С.Б. Сапожников (Южно-Уральский государственный университет (НИУ), г. Челябинск);

д-р физ.-мат. наук, профессор А.А. Паньков (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Бабушкин, А.В.

Б12 Влияние степени наполнения арматурой, предварительного циклического нагружения и температуры на механические характеристики волокнистых полимерных композиционных материалов : учеб.-метод. пособие / А.В. Бабушкин, А.В. Козлова, Д.С. Лобанов. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2013. – 51 с.

ISBN 978-5-398-00928-6

Приведены сведения о методах проведения испытаний на остаточную прочность образцов волокнистых пластиков, полученных методом намотки, после предварительного циклического нагружения при комнатной и повышенных температурах, а также сведения о методах проведения испытаний на одноосное растяжение однонаправленного стеклопластика с высоким наполнением стекловолокна при нормальных и повышенных температурах.

Предназначено для студентов специалитета по направлению 150502.65 «Конструирование и производство изделий из композитных материалов» и магистрантов по направлению 150100 «Материаловедение и технологии материалов» – «Материаловедение и пиролитическая технология углеродных материалов и покрытий», «Компьютерное моделирование получения, переработки и обработки композиционных материалов» и «Механика композиционных материалов и конструкций». Также может быть использовано при подготовке студентов и магистрантов направления 150600 «Прикладная механика».

УДК 620.22-419.8

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

3

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСТАТОЧНОЙ ПРОЧНОСТИ АРМИРОВАННЫХ ПЛАСТИКОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ НАМОТКИ, ПОСЛЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ЦИКЛИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ

Внастоящее время широко используются волокнистые композиционные материалы на основе полимерной матрицы, армированные обычными или высокомодульными волокнами в ответственных конструкциях [7, 8, 14, 15]. Композиционные материалы (КМ) изготавливают методом непрерывной намотки или выкладки. Способом намотки изготавливаются изделия, имеющие форму кольца, трубы, сосуда. Основными преимуществами современных видов этих материалов является их высокая прочность и жесткость, к ним предъявляют высокие требования. Поэтому необходимо развитие методов исследования прочности и долговечности КМ.

Целью данной научно-исследовательской работы (НИР) является исследование усталостных характеристик и поврежденности однонаправленных армированных пластиков после предварительного циклического нагружения разной степени интенсивности, приводящего к различному уровню поврежденности, при разных температурах.

Усталостью полимерных композиционных материалов (ПКМ) занимаются многие исследователи. Например, А.В. Лавров в статье «Вариант метода ускоренного прогнозирования долговечности полимерных конструкционных материалов при различных режимах нагружения» проводит прогнозирование длительной прочности и усталости ПКМ при непрерывном знакопостоянном нагружении и постоянной температуре. В данном прогнозировании используются исходные характеристики материала, получаемые на основе только кратковременных испытаний в нормальных условиях без учета влияния температуры и остаточной прочности накопления повреждений, как в настоящей работе.

М.Г. Петров в статье «Анализ прочности и долговечности однонаправленного стеклопластика с позиции кинетической концепции разрушения» изложил результаты термоактивационного анализа разрушения однонаправленного стеклопластика при постоянных и нарастающих во времени напряжениях в условиях растяжения. В данном анализе не учитываются влияние температуры и остаточная прочность накопления повреждений.

Вданном пособии показано формирование методики экспериментального исследования циклической прочности и долговечности, а также остаточной прочности кольцевых образцов из стеклопластика РБН1680 –

4

УП2217 и органопластика «Армос» – УП2217. Приводятся алгоритмы проведения экспериментов, построения экспериментальных зависимостей остаточной прочности от амплитуды и амплитудного напряжения, экспериментальных функций поврежденности, в том числе при повышенных температурах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: выбрать тематику исследований в области экспериментального изучения усталости и остаточной прочности однонаправленных волокнистых композитов при комнатных и повышенных температурах; определить пути решения проблемы исследований; ознакомиться с методикой проведения испытаний; подготовить образцы; провести испытания на циклическое нагружение образцов волокнистого ПКМ; провести испытания на статическое растяжение для определения остаточной прочности образцов волокнистого ПКМ при комнатной и повышенной температурах, провести анализ результатов испытаний; по полученным результатам построить зависимости остаточной прочности от уровня циклического нагружения и температуры, а также экспериментальные функции повреждаемости материала; оформить и представить результаты исследования в виде технического отчета, а при получении новых научных результатов и эффектов – в виде научной статьи.

Экспериментальное оборудование: усталостная машина-качалка эксцентрикового типа для циклического нагружения образцов при растяжении и сжатии; разрывная электромеханическая машина М40К; термокаме-

ра ТС-3,6-200 «Терма».

Выполнение исследований в рамках индивидуальной исследовательской работы предусмотрено в рамках подготовки дипломного проекта (9–11-й семестр) студентов специалитета или в 3–4-м семестре магистерской программы по направлению 150100 «Материаловедение и технология новых материалов» по программам «Материаловедение и пиролитическая технология углеродных материалов и покрытий», «Компьютерное моделирование получения, переработки и обработки композиционных материалов» и «Механика композиционных материалов и конструкций». Выполнение исследований в рамках индивидуальной исследовательской работы основывается на материале ранее изученных дисциплин: «Материаловедение. Технология конструкционных материалов», «Методы исследований материалов и процессов», «Сопротивление композиционных материалов», «Физикохимия и механика композиционных материалов», «Расчет на прочность и методы испытаний композиционных конструкций».

5

1.1.Обзор методов исследования свойств армированных пластиков

1.1.1.Физико-механические характеристики армированных пластиков*

Композиционные материалы – это материалы, состоящие из двух или более компонентов (отдельных волокон или других армирующих составляющих их матрицы) и обладающие следующими признаками: не встречаются в природе, поскольку созданы человеком; состоят из двух или более компонентов, различающихся по своему составу и разделенных вырожденной границей; имеют новые свойства, отличающиеся от свойств составляющих их компонентов; неоднородны в микромасштабе и однородны вмакромасштабе; состав, форма и распределение компонентов запроектированы заранее; свойства композиционныхматериаловопределяютсяизвзаимодействиякомпонентов.

Компонент композиционного материала, непрерывный во всем объеме, называется матрицей. Компонент, прерывистый в объеме, называется армирующим элементом (наполнителем). Матричными материалами могут быть металлы и их сплавы, органические и неорганические полимеры, керамика и другие вещества. Армирующими компонентами чаще всего являются тонкодисперсные порошкообразные частицы или волокнистые материалы различной природы, а также поверхностные или слоистые (пластинчатые) материалы.

Характеристика волокнистых материалов [10, 11]

Компоненты волокнистых композитов. В волокнистых композитах высокопрочные волокна воспринимают основные напряжения, возникающие в композиции при действии внешних нагрузок, и обеспечивают жесткость и прочность композиции в направлении ориентации волокон.

Податливая матрица, заполняющая межволоконное пространство, обеспечивает совместную работу отдельных волокон за счет собственной жесткости и взаимодействия, существующего на границе раздела матрица – волокно. Следовательно, механические свойства композита определяются тремя основными параметрами: высокой прочностью армирующих волокон, жесткостью матрицы и прочностью связи на границе матрица – волокно. Соотношения этих параметров характеризуют весь комплекс механических свойств материала и механизм его разрушения. Работоспособность композита обеспечивается как правильным выбором исходных компонентов, так и рациональной технологией производства, обеспечивающей прочную связь между компонентами при сохранении первоначальных свойств.

* Раздел написан по материалам книги [12]

6

Армирующие волокна, применяемые в конструкционных композитах, должны удовлетворять комплексу эксплуатационных и технологических требований. К первым относятся требования по прочности, жесткости, плотности, стабильности свойств в определенном температурном интервале, химической стойкости. Теоретическая прочность материалов м воз-

растает с увеличением модуля упругости Е и поверхностной энергии вещества и падает с увеличением расстояния между соседними атомными

1

плоскостями а0 : м ~ аЕ 2 .

0

Следовательно, высокопрочные тела должны иметь высокие модули упругости и поверхностную энергию, а также возможно большее число атомов в единице объема. Этим требованиям удовлетворяют бериллий, бор, углерод, алюминий и кремний. Наиболее прочные материалы всегда содержат один из этих элементов, а зачастую состоят только из элементов указанного ряда.

При создании волокнистых композитов применяются высокопрочные стеклянные, углеродные, борные и органические волокна, металлические проволоки, атакжеволокнаинитевидныекристаллырядакарбидов, оксидов, нитридов.

Армирующие компоненты в композитах применяются в виде моноволокон, нитей, проволок, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов.

Технологичность волокон определяет возможность создания высокопроизводительного процессаизготовленияизделий на их основе. Важнымтребованием является также совместимость волокон с материалом матрицы, т.е. возможность достижения прочной связи волокно– матрица при условиях, обеспечивающихсохранениеисходныхзначениймеханическихсвойствкомпонентов.

Матричные материалы. В композитах важным элементом является матрица, которая обеспечивает монолитность композита, фиксирует форму изделия и взаимное расположение армирующих волокон, распределяет действующие напряжения по объему материала, обеспечивая равномерную нагрузку на волокна и ее перераспределение при разрушении части волокон. Материал матрицы определяет метод изготовления изделий из композитов, возможность выполнения конструкций заданных габаритов и формы, а также параметры технологических процессов.

Важнейшее достоинство композитов – возможность создавать из них элементы конструкций с заранее заданными свойствами, наиболее полно отвечающими характеру и условиям работы. Многообразие волокон и матричных материалов, а также схем армирования, используемых при создании композитов, позволяет направленно регулировать прочность, жесткость, уровень рабочих температур и другие свойства путем подбора состава, изменения соотношения компонентов и макроструктуры композита.

7

Для композиционных волокнистых материалов существует несколько классификаций, в основу которых положены различные признаки: например, материаловедческий (по природе компонентов), конструктивный (по типу арматуры и ее ориентации в матрице). Все композиционные материалы можно разделить на несколько больших групп: композиты с полимерной матрицей (пластики), композиты с металлической матрицей (металлокомпозиты), композиты с керамической матрицей и матрицей из углерода.

Взависимости от природы армирующих волокон различают, например, следующие композиты на полимерной матрице: стеклопластики, боропластики, углепластики, органопластики.

Свойства композитов зависят не только от свойств волокон и матрицы, но и от способов армирования. Различают композиты: образованные из слоев, армированных параллельными непрерывными волокнами (свойства их в основном определяются свойствами однонаправленного слоя); армированные тканями (текстолиты); с хаотическим и пространственным армированием.

Волоконное армирование позволяет использовать новые принципы проектирования и изготовления изделий, основанные на том, что материал

иизделие создаются одновременно в рамках одного и того же технологического процесса.

Врезультате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композита, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, появление ряда новых свойств в композитах связано с гетерогенной структурой, обусловливающей наличие большой поверхности раздела между волокнами и матрицей. Так, наличие границы раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала.

Волокнистые армирующие элементы [8, 11]

В качестве арматуры в композитах применяются волокна различной природы, представленные в разнообразных формах. Форма волокнистых армирующих элементов определяется природой волокон, способом их получения и дальнейшей текстильной переработкой, а также процессами получения композитов и изделий из них. Волокнистые армирующие элементы – это, как правило, непрерывные волокна, представленные в виде крученых и некрученых нитей, жгутов (ровингов), лент, тканей различного переплетения, а также короткие волокна в виде порошков, штапельных тканей, матов.

8

Непрерывные волокна. Наиболее часто для армирования матриц из синтетических смол применяют стеклянные, углеродные, органические и борные волокна. Начинают применять базальтовые, сапфировые, волокна на основе карбида кремния.

Армирующие волокна могут иметь неоднородную структуру и обладать анизотропией механических характеристик. К волокнам с ярко выраженной анизотропией относятся органические арамидные волокна, углеродные, борные. Стекловолокна рассматриваются как однородные и изотроптые. Анизотропия свойств волокон может оказать существенное влияние на характеристики композитов на их основе.

Стеклянные волокна. Стеклянные волокна широко применяют при создании неметаллических конструкционных композитов – стеклопластиков. При сравнительно малой плотности (2,4–2,6) · 103 кг/м3 они имеют высокую прочность, низкую теплопроводность, теплостойки, стойки к химическому и биологическому действию.

Форма сечения стекловолокна – круг. Однако выпускаются и полые волокна, и профилированные с формой сечения в виде треугольника, квадрата, шестиугольника, прямоугольника.

Непрерывные волокна получают вытягиванием расплавленной стекломассы через фильеры диаметром 0,8–3,0 мм и дальнейшим быстрым вытягиванием до диаметра 3–19 мкм. Штапельное волокно получают вытягиванием непрерывного стекловолокна и разрывом его на отрезки определенной длины или разделением расплавленного стекла на отдельные части, которые затем растягивают (раздувают) короткие волокна центробежным или комбинированным способом. Поверхность стеклянных волокон покрывают замасливателем, который предотвращает истирание волокон при транспортировке и различных видах переработки. Существуют два типа замасливателей: технологические и активные (гидрофобно-адгезионные).

Наиболее перспективны активные замасливатели, выполняющие двойную функцию – предохранение волокна от разрушения и улучшение адгезии между стеклом и полимерной матрицей.

На прочность стекловолокон определяющее влияние оказывает состояние поверхности волокон, которое зависит от условий формования.

Стекловолокна применяются в качестве армирующих элементов композитов в виде жгутов и нитей на элементарных волокон, лент, тканей разнообразного плетения, матов, холстов и других нетканых материалов.

Для изготовления изделий из стеклопластиков методом намотки промышленностью выпускаются стекловолокна в виде непрерывных жгутов (ровингов), состоящих из прядей комплексных нитей суммарной линейной плотностью 4170–555 текс.

9

Тканые армирующие материалы получают путем текстильной переработки крученой комплексной нити, жгута, пряжи или ровницы. Для текстильной переработки используются стекловолокна диаметром 3–11 мкм. Тканые армирующие материалы технологичны, удобны при изготовлении крупногаборитных изделий, в образованных ими слоистых пакетах достигается высокое содержание арматуры. В основном промышленностью выпускаются ткани полотняного и сатинового переплетения.

Толстостенные изделия, если при этом необходимо обеспечить высокую межслойную прочность, получают из заготовок объемного плетения или трехмерного армирования.

Рулонные нетканые армирующие материалы, называемые холстами, представляют собой неориентированные наполнители из непрерывных или штапельных стекловолокон, скрепленных между собой связующим (жесткие холсты) или механическим прошиванием стеклянными нитями (мягкие холсты).

Органические волокна. Для получения высокопрочных и высокомодульных композитов с полимерной матрицей (органопластиков) применяют волокна на основе ароматических полиамидов (арамидов).

Высокомодульные и высокопрочные арамидные волокна обладают уникальным комплексом свойств: высокими прочностью при растяжении и модулем упругости, термостабильностью, позволяющей эксплуатировать их в широком температурном интервале, хорошими усталостными и диэлектрическими свойствами, незначительной ползучестью. Благодаря низкой плотности арамидные волокна по удельной прочности превосходят все известные в настоящее время армирующие волокна и металлические сплавы, уступая по удельному модулю упругости углеродным и борным волокнам. Арамидные волокна отличаются хорошей способностью к текстильной переработке. Так, сохранение прочности арамидных волокон после ткачества составляет 90 % исходной прочности нитей, что дает возможность применить их в качестве тканых армирующих материалов.

Стеклопластики [11, 13, 14]

Наиболее широко в настоящее время применяют композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами (стеклопластики). Они обладают относительно высокой прочностью, устойчивостью к знакопеременным нагрузкам и тепловым ударам, высокой радиопрозрачностью, коррозионной и эрозионной стойкостью, легко поддаются механической обработке. Характеристики стекловолокон представлены в табл. 1.

10