Основы создания полимерных композитов

для всей модели:

$ _ L Ос 12 .

1 y E „ 2 S d ’

p - J L - безразмерная величина Н < 1; х - текущая координата. //2

Тогда среднее напряжение, действующее в волокне,

Далее, учитывая большую величину аргумента гиперболической функции,получим:

Или, полагая, что dj8 « Fa/Fc , имеем:

Если рассмотреть композит с параллельными связями, то по пра­ вилу смесей Есп = E’aFa , где Е’ - эквивалентный модуль упругости

волокна, учитывающий дискретность волокна. Полагая, что Е’а = a a/eafi , получим:

Модуль упругости стеклянных волокон Еа = 70000 + 90000 МПа, модуль сдвига связующих Gc = 10000 + 20000 МПа.

Следовательно,

0,7jG/Ea * 0,7^1500/80000 * 0,09 » 0,1.

Таким образом,

e*lldjFjFc

241

По аналогии для деформации имеем:

Что касается прочности однонаправленного композита, где на­ полнителем являются дискретные волокна, то, согласно данным ра­ боты [37], запишем:

где Г - критическая длина волокна.

где 4к - относительная критическая длина волокна.

Тогда условия монолитности для хаотически армированного дискретными волокнами композита примут вид:

^г (1 ,4 ■ * 1 .7 )4 ^ ^ 0 - к u f I- о # ; у )

V1 + ^c V U

В условиях монолитности, как видно из приведенных выше нера­ венств, существенную роль играет относительная критическая длина

волокна . Для ее определения был использован метод фотоупру­

гости. Принципиальная схема проекционно-поляризационной уста­ новки ППУ-7 представлена на рис. 16, оптическая система которой состоит из сменного источника света 1, конденсатора 2, сменного све­ тофильтра 3, поляризатора 4, конденсорных линз 5 и 9, слюдяных пластин 6 и 8, анализатора 10 и сменного проекционного объектива

242

11. Лучи от источника света 1 сводятся конденсорной линзой 2 на по­ ляризатор 4 и, пройдя последний, преобразуются конденсорной лин­ зой 5 в параллельной пучок. Исследуемый образец 7 устанавливается в параллельном пучке света перпендикулярно к оптической оси. Изо­ бражение образца 12 на матовом стекле фотоаппарата создается сис­ темой линз 9 - 11, в фокусе которой помещается анализатор 10. Слю­ дяные пластины 6 и 8 располагаются по обе стороны образца в па­ раллельном пучке света.

"Instron 1122" Модельный образец, состоящий из одного слоя стек­ ловолокон в эпоксидной матрице, растягивался в направлении, па­ раллельном волокнам. Диаметр волокон составлял 100 мкм. Число волокон варьировалось от 10 до 20, толщина образцов составляла 0,3 - 0,4 мм, а ширина составляла 20 - 30 мм.

В качестве объектов исследований были выбраны композиты на основе стекловолокна марки б/щ и ряда эпоксидных связующих: ЭДТ-10А, ЭДТ-10Б, УП-610 и Э-181. При нагрузке около 80% от раз­ рушающей наблюдаются разрывы отдельных волокон. Волокно у места разрыва находится в ненагруженном состоянии. Место разрыва выглядит белым Х-образным пятном. Длина этой области соответст­ вует критической длине стекловолокна (табл. 7). С ростом нагрузки волокна разрушаются в случайных местах.

243

Таблица 7

Значения критической длины волокна стеклопластиков в условиях воздействия нормальной и повышенной температур

Сформулированные выше условия монолитности, основанные на модельных представлениях, естественно, не могут учесть удельный "вклад" каждого упруго-прочностного параметра исходных компо­ нентов в создание высокопрочной армированной системы. Этот "вклад", как было показано в работе [1], неодинаков.

Считая, что в прочность хаотически армированных композитов, как и в случае однонаправленных и ортогонально армированных композитов, наибольший удельный "вклад" вносит адгезионная прочность границы раздела фаз (тт)Р), затем прочность матрицы (<тс) и ее упругие характеристики (EJ и что общий "вклад" всех факторов в прочность композита равен 1, запишем коэффициенты значимости каждого фактора (У), в первом приближении, равными [1]: YE - 0,13, Y0 = 0,25, YxmK. - 0,62. Тогда мерой монолитности (сплошности) ком­ позита можно считать некоторый функционал Мх = Ф (ijh У,), где

а индекс "т" означает теоретическое значение упруго-прочностных свойств, полученное из условий монолитности. Представив этот функционал в виде линейной комбинации У, и //, [1], нетрудно уста­ новить, что коэффициент Мх, будучи мерой монолитности компо­ зита, является и мерой его прочности, что видно из рис. 17.

244

Рис. 17. Зависимость ари тсовстеклопластика от их монолитности: 1- ЭДТ-10 + ЛВВ-СП, 2 - ПН-15 + ЛВВ-СП, 3 - ПН-16 + ЛВВ-СП,

4 - ПН-10 + ЛВВ-СП

Анализ зависимости сг - Мх позволяет сделать вывод о четкой симбатной связи сг и Мх. Согласно определению монолитности, чем выше коэффициент Mxi тем более совместимы (в механическом смыс­ ле) армирующий материал и связующее и, следовательно, меньше вероятность возникновения локальных зон концентрации напряже­ ний, приводящих к растрескиванию композита в процессе его экс­ плуатации.

Втабл. 8 представлены значения параметров трещиностойкости

икоэффициента монолитности хаотически армированных стеклопла­ стиков.

Таблица 8

ЗначенияК0, KQи Мх хаотическиармированных стеклопластиков

Анализ данных табл. 8 и рис. 17 позволяет сделать вывод о чет­ кой симбатной связи Мх и К0, KQи стр. Как видно из рис. 18, коэффи­ циент монолитности хаотически армированных стеклопластиков яв­ ляется показателем не только прочности этих композиционных мате­ риалов, но и трещиностойкости.

245

Рис. 18. Зависимости Ко, KQHCTP стеклопластиков от их монолитности: 1 - ЭДТ-10 + ЛВВ-СП, 2 - ПН-15 + ЛВВ-СП, 3 - ПН-16 + ЛВВ-СП, 4 - ПН-10 +ЛВВ-СП

Таким образом, сформулированные выше условия монолитно­ сти могут быть использованы для создания высокопрочных и трещи­ ностойких хаотически армированных дискретными волокнами ком­ позиционных материалов.

ГЛАВА 5. Влияние длительного воздействия эксплуатационных факторов на трещиностойкость композиционных материалов

С использованием приведенной выше методики (см. гл. 2) про­ вели оценку воздействия эксплуатационных факторов на вязкость разрушения композитов. Оценка степени одновременного воздейст­ вия агрессивных сред и температур на вязкость разрушения компо­ зиционных материалов проводилась на образцах композитов, пред­ варительно экспонированных в дистиллированной воде, 5%-м рас­ творе НС1 и 10%-м растворе NaOH при 293, 323 и 353 К. Изучение влияния напряженного состояния на трещиностойкость композитов осуществляли на образцах, экспонировавшихся в дистиллированной воде в напряженном состоянии. Образцы испытывали после 3, 6, 9 и 12 месяцев воздействия на них эксплуатационных факторов.

Статистическая оценка полученных данных (табл. 9 и 10, рис. 19 - 32), проведенная согласно данным работы [120], показывает, что характер зависимости между трещиностойкостью и эксплуатаци-

246

онными факторами удовлетворительно описывается экспонентой:

где KQX, - текущее значение KQ при воздействии эксплуатационных факторов (среда, температура, нагрузка); KQX0 - начальное значение KQкомпозита; X - эксплуатационные факторы; t - время экспозиции материала при воздействии эксплуатационных факторов; Вх - ско­ рость изменения KQпри определенном X.

Из уравнения (4.54) следует, что в координатах ln/i^ - X зависи­ мость вязкости разрушения композиционных материалов от воздей­ ствия эксплуатационных факторов графически изображается прямой:

где п - число измерений.

Оценка стойкости композиционных материалов к одновремен­ ному длительному воздействию агрессивных сред и повышенных температур, проведенная по коэффициентам KQ, показывает, что в интервале 293-353 К наибольшей стойкостью к дистиллированной воде обладают композиты ПН-15+ЛВВ-СП, ПН-15+МБ и ПН-15+ лавсан.

В условиях воздействия 5%-го раствора НС1 при температуре среды 293 К наименьшие скорости падения коэффициента KQ и его максимальные значения наблюдались у двух композитов: ПН-15+лавсан и ПН-15+ЛВВ-СП; первый из них наиболее предпоч­ тителен для использования при повышенных температурах.

Практически одинаковая стойкость к воздействию 10%-го рас­ твора NaOH отмечается у трех композиционных материалов: ПН-15+ лавсан, ПН-15+ЛВВ-СП и ПН-15+УТМ-8.

Однако с повышением температуры среды начинает проявляться хотя и незначительное, но преимущество композитов ПН-15+ лавсан и ПН-15+ЛВВ-СП.

247

Таблица 9

Результаты исследования трещиностойкости композиционных материалов после экспозиции в агрессивных средах при повышенных температурах

* А - вода, Б - 5%-я НС1, В - 10%-й NaOH.

248

Таблица 10

Результаты исследования трещиностойкости композиционных материалов

после 12 месяцев экспозиции вдистиллированной воде при повышенных температурах

в напряженном и ненапряженном состояниях

249

1пАГ0

Рис. 19. Температурно-временная зависимость вязкости разрушения композитов в среде 5%-го раствора НС1:

температура среды, К : / - 293,2 - 323, 3 - 353

lntfG

Рис. 20. Температурно-временная зависимость вязкости разрушения компо­ зитов в среде 10%-го раствора NaOH:

температура среды, К : / - 293,2 - 323, 3 - 353

250