книги / Механика композитных материалов. 1983, т. 19, 2

УДК 539.4:620.169:678.067

И. М. Махмутов, Т. Г Сорина, Ю. В. CyeopoeaJ А. И. Сургучева

РАЗРУШЕНИЕ КОМПОЗИТОВ С УЧЕТОМ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛАГИ

Одной из основных проблем изучения поведения конструкций из композитных материалов является анализ влияния внешней среды на свойства материала, в частности влаги и температуры. В настоящее время имеется обширная литература, посвященная этому вопросу. Од­ нако, как правило, это лишь экспериментальный материал с попытками описания полученных данных при помощи эмпирических зависимостей или искусственно подобранных параметров [1—5].

Цель настоящей работы состоит в том, чтобы выяснить закономер­ ности воздействия влаги, нагрузки и температуры на свойства матери­ алов. Оказалось, что в условиях воздействия внешней среды даже упругие композиты, такие, как углепластики (армированные под углом ±45°), проявляют значительную ползучесть. При этом процесс ползу­ чести сопровождается постепенным разрушением материала — накоп­ лением повреждений. Необходимо уметь разделять эти два процесса, так как влияние внешней среды на них сказывается по-разному. По­ этому определяющее уравнение должно предусматривать возможность учета влаги и температуры отдельно уравнением для накопления по­ вреждений и отдельно уравнением обратимой ползучести, которые вместе должны дать феноменологическое описание поведения матери­ ала в различных условиях и режимах испытаний. В настоящей работе и предпринята такая попытка.

непрерывно записывались диаграммы в координатах напряжение—деформация до раз­

предельной. При повторном нагружении образцы доводились до разрушения. Экспе­

рительным нагружением последнее осуществлялось на сухих образцах, затем они насыщались влагой и испытывались на растяжение.

В результате проведенных экспериментов отмечены следующие осо­ бенности, которые далее были положены в основу построенной модели:

1)на сухих образцах при любых температурах не замечено влия­ ния предварительного нагружения на свойства материала;

2)влияния влаги при 20° С не обнаружено, если нет предваритель­ ного нагружения;

3)при повышенных температурах наличие влаги приводит к суще­ ственному понижению диаграмм деформиэования;

4)на влажных образцах предварительное нагружение приводит к повышению значений прочности, причем максимальное увеличение по­ лучается при уровне 0,5сгб, предельные деформации при этом не меня­ ются;

5) при переходе через температуру стеклования степень влияния влаги возрастает и приводит к резкому уменьшению прочности, степень влияния предварительного нагружения при этом уменьшается.

Замеченные закономерности привели к построению математической модели, учитывающей влияние всех описанных выше факторов.

Модель предполагает в соответствии с [6], что при нагружении ма­ териала в нем развиваются два процесса — процесс вязкого течения материала и процесс, приводящий к появлению необратимых деформа­ ций (накопление повреждений, либо изменение структуры материала), каждый из которых описывается оператором наследственного типа*:

Здесь L*o — оператор вязкости; М*а — оператор, описывающий накоп­ ление повреждений; ф(е) — диаграмма мгновенного деформирования, введение которой необходимо при существенно нелинейном поведении материала. Для процессов деформирования, протекающих во времени, структура операторов такова:

t t

L*a= J L (/—x)a(x)dx\ M*a= J M{t—x)o(x)dx.

некоторой температурной функции (например, степенной) под инте­ гралы. Эта модель была опробована на органопластиках, обладающих значительной ползучестью даже при комнатной температуре. Для одно­ направленных углепластиков и материала с укладкой 0—90°, ползу­ честью не обладающих, первым членом уравнения (1) можно прене­ бречь, процесс их деформирования сопровождается только лишь на­ коплением повреждений и описывается оператором М*о.

Определяющее уравнение (1) позволяет естественным образом пе­

который уже имеет одинаковый вид для материалов, обладающих и не обладающих ползучестью.

Учет предварительного нагружения, если считать, что необратимость связана только с накоплением повреждений, в соответствии с (2) мо­ жет привести только к уменьшению остаточной прочности. Тем не менее при наличии влаги, как указано выше, предварительное нагру­ жение (в определенных пределах) улучшает свойства материала, что объясняется упорядочиванием его структуры. В соответствии с этим и учитывая особенности, наблюдаемые в экспериментах, можно сконстру­ ировать операторы вязкости и необратимости следующим образом:

t

шает монолитности углепластика с ориентацией слоев под углом ±45° и не вносит дефектов в его структуру, о чем свидетельствует зависимость Dx=f(&). Напротив, с повышением напряжения с 0,3 до 0,7а„ наблюдалось монотонное снижение коэф­ фициента диффузии с 0,34-10-9 до 0,08-И)-9 см/с2, которое, видимо, связано с умень­ шением свободного объема.

В формуле (4) величина (Л4*а)0 характеризует уровень накопления необратимых деформаций, достигнутый в предварительном нагруже­ нии. Поскольку эта величина сказывается только при наличии влаги W, то в (4) должно входить произведение этих величин. В (3) функция fi зависит от величины То — это значение температуры, при которой влажностные эффекты несущественны (в данной работе Г0 = 293 К).

Чтобы конкретизировать вид функций fi и /т , предположим, что зависимость от температуры имеет вид степенной функции, как в [7]. а уровень накопленных необратимых деформаций определяется уров­ нем предварительного нагружения (поскольку других сведений в дан­ ной работе не содержится). Тогда можно принять:

Здесь a, b — некоторые константы; б — уровень предварительного нагружения.

Из уравнения (1) и формул (3) — (6) видно, что в отсутствие влаги (1^=0) модель полностью совпадает с предложенной ранее [6]; нали­ чие влаги влияет на процесс накопления повреждений материала (при наличии предварительного нагружения), а на процесс вязкого течения только при температурах, отличных от Т0 (независимо от уровня пред­ варительного нагружения). Такое представление находится в соответ­ ствии. с замеченными в экспериментах закономерностями.

Поскольку все проведенные в работе эксперименты осуществлялись с одной и той же скоростью нагружения и времена нагружения были примерно одинаковы, а Т и W не менялись в течение одного опыта, то

Здесь /, пг — константы, учитывающие время нагружения. В соответ­ ствии с (7) и (8) обрабатывались все полученные опытные данные.

Для определения параметров /, т , у и построения кривой ср(е) использовались ди­ аграммы деформирования, полученные при 7 = 20 и 100° С при W= 0. Для определения параметров а и b достаточно любых двух точек одной из диаграмм деформирования, полученных на влажных образцах (для влажных образцов W= 1,2%). В настоящей

расчет.

работе для этой цели использовалась диаграмма, полученная при Т— = 20° С, №=1,2 % и 6= 0,5.

смысл теоретической прочности материала, т. е. прочности, достигнутой без развития процесса разрушения и в отсутствие возможности реали­ зации вязкой деформации, соответствует деформации в 0,7%, т. е. де­ формации однонаправленного материала. При переходе через темпера­ туру стеклования эта величина, естественно, должна уменьшиться, — она будет уже соответствовать деформации в 0,5% и равняться 15 кгс/мм2. Это значение принималось для а0** при расчетах для тем­ ператур 125 и 150° С. Все остальные параметры и кривая <р(е) при этом свое значение сохраняли.

На рис. 1 приведены значения предельных напряжений в зависи­ мости от уровня предварительного нагружения для разных температур и при наличии влаги. Расчет проводился по формуле (8) с учетом изменения параметра а*о при переходе через температуру стеклования. Из рисунка видно, что чем выше температура, тем меньше сказыва­ ется предварительное нагружение. Это же следует и из формулы (8), в которой роль члена с W уменьшается с ростом температуры.

Расчет предельных деформаций может быть осуществлен по фор­

Значения е и ст, входящие в формулу (9), соответствуют предельным значениям. На рис. 2 приведены экспериментальные и расчетные зна­ чения предельных деформаций в зависимости от температуры при на­ личии и в отсутствие влаги**.

Рис. 4. Диаграммы деформирования углепластика, полученные при следующих усло­

Выше уже указывалось, что предварительное нагружение не влияет на предель­ ные деформации. Это следует также и из формулы (9).

Рис. 5. Температурные зависимости прочности

Расчет диаграмм деформирования проводился в соответствии с определя­ ющим уравнением (7) для различных температур, различных уровней пред­ варительного нагружения и для сухих и влажных образцов. Некоторые из полученных кривых, как расчетных, так и экспериментальных, приведены на рис. 3 и 4. Можно заметить, что

6) и №=1,2 при 6= 0. Это значит, что влага при этой температуре влияет на

свойства материала только тогда, когда материал предварительно на­ гружен. При повышении температуры ситуация меняется. Сказывается пластифицирующее действие влаги на углепластик, которое вызывает снижение на 20—25° С температуры стеклования и подавляет положи­ тельный эффект предварительного нагружения (рис. 5) при повышен­ ных температурах. Поведение эпоксиноволачного углепластика, содер­ жащего 1,2% влаги, при температурах выше Tg аналогично системе полимер—пластификатор, находящейся в высокоэластическом состоя­ нии, когда присутствие полярного пластификатора приводит к резкому уменьшению энергии межмолекулярного взаимодействия, падению тем­ пературной прочности и жесткости [9, 10]. Как видно из рис. 4, ди­ аграммы деформирования влажных образцов при 125 и 150° С прохо­ дят существенно ниже тех, которые соответствуют сухим образцам.

Второе интересное наблюдение состоит в том, что предварительное нагружение в случае влагонасыщения повышает диаграммы деформи­ рования. (На рис. 3 и 4, чтобы не загружать рисунок, приведены лишь диаграммы для 6= 0,5.) Повышение прочности в температурном интер­ вале от 20 до 80° С (ниже Tg) предварительно нагруженного влагонасы­ щенного углепластика можно объяснить следующим образом: при при­ ложении механической нагрузки происходит упорядочение цепей полимерной матрицы за счет контактного скольжения их друг относи­ тельно друга с одновременным разрывом слабых физических и хими­ ческих связей; влага, проникая в материал по механизму активирован­ ной диффузии, выполняет роль ингредиента, необходимого для регене­ рации разрушенных и образования новых связей нехимического харак­ тера и усиления эффективности межмолекулярного взаимодействия.

В отсутствие влаги все диаграммы деформирования для разных уров­ ней 6 практически совпадают.

Таким образом, видно, что наличие влаги сильно изменяет механи­ ческое поведение материала. При этом ниже температуры стеклования ярко выражен положительный эффект, прочность сильно растет, осо­ бенно в случае предварительного нагружения до уровня 6= 0,5. Сама температура стеклования сдвигается в область более низких темпера­ тур, а при переходе через нее прочность влагонасыщенных образцов резко падает.

Предложенная модель позволила достаточно хорошо описать на­ блюдаемые закономерности, хотя для более точной конкретизации вхо­ дящих в нее формул необходимы специальные эксперименты.

1. Mekague Е. L. jr., Halkias J. E., Reynolds J. D. Moisture in composites: The effect of supersonic serviec on diffusion. — J. of Composite Materials, 1975, vol. 9, N 1,

p.2— 10.

2.Chi-Hung Shen, George S. Springer effects of moisture and temperature on the

tensile strength of composite materials. — J. of Composite Materials, 1977, vol. 11,

N1, p. 2— 17.

3.Loos A. C., Springer G. S. Moisture absorption of graphit-epoxy composites

immensed in liquids and humid air. — J. of Composite Materials, 1979, vol. 13, N 4,

p.131— 147.

4.Sandorff P. E., Tajima Y. A. The experimental determination of moisture distri­

changes in composites during atmospheric exposure. — Composite materials. Test a. Dis.

7.Суворова Ю. В. Учет температуры в наследственной теории упруго-пласти­ ческих сред. — Пробл. прочности, 1977, № 2, с. 43—48.

8.Суворова Ю. В. О критерии прочности, основанном на накоплении поврежде­ ний, и его приложении к композитам. — Изв. АН СССР. Механика твердого тела,

1979, № 1, с. 108— 112.

9. Перепечко И. И. Акустические методы исследования полимеров. М-, 1973.

257с.

10.Сорина Т. Г., Сургучева А. И., Буянов Г. И. Поведение углепластиков при комплексном воздействии среды и нагрузки. — В кн.: Композиционные материалы. М.,

1981, с. 218—223.

УДК 539.4:539.2:678.067

Л. П. Кобец, В. В. Михайлов, О. Н. Надежина

ОМЕХАНИЗМЕ РАЗРУШЕНИЯ КАРБО- И БОРОПЛАСТИКОВ

ПРИ МЕЖСЛОЙНОМ СДВИГЕ

Изучение сопротивления сдвигу пластиков при кратковременном нагружении не дает информации о механизме их разрушения. С целью выяснения последнего исследовали долговечность при межслойном сдвиге карбо- и боропластиков.

Были выбраны материалы с однонаправленным расположением борных (БН) и комплексных боростеклянных (КБСН-7/4) нитей [1] в сочетании с эпоксиполиизоцианатным связующим [2] и углеродных волокон ВМН-4, ЛУ-3 и ЭЛУР [3], сочета­

ющихся с эпокситрифенольным [2], эпоксианилинофенолоформальдегидным [4] и

при соотношении рабочей базы и толщины образца 6±0,5. Предварительно определяли кратковременный предел прочности при межслойном сдвиге Rzx по результатам испы­

жением образцы выдерживали в термокамере из расчета 30 мин на всю толщину образца; при этом задатчик устанавливался на 5° выше температуры испытания. До 10 мин время т отсчитывали по секундомеру, который включали по достижении расчетного уровня нагружения. Интервалы между уровнями нагружения составляли

основе ВМН-4 обработанного

(8—11), ВМН-4 (12—15), ЛУ-3

(16) и ЛУ-3 обработанного

(17)при температуре испыта­

Рис. 2. Зависимости долговечности при сдвиге от обратной температуры для боропластика на основе БЫ (а) и карбопластиков на основе обработанных волокон ВМЫ-4 (б) и ЭЛУР (о). Цифры — раз­

рушающее напряжение сдвига.

прямыми. Это означает, что зависи­ мость долговечности исследованных пластиков от напряжения и темпе­ ратуры не может быть описана из­

вестным уравнением Журкова [7]. Отсутствие влияния температуры на угол наклона прямых lgx (Rzx) обусловливает параллельность зависи­ мостей lg t (1/Г), построенных для разных напряжений сдвига (некото­ рые из них показаны на рис. 2—а,б). При этом обнаруживается другая особенность долговечности: зависимости lg t (1/Т) имеют излом при

наклона их высокотемпературных участков. Анализ полученных экспе­ риментальных данных позволяет выразить долговечность исследован­ ных пластиков в следующем виде:

где U — энергия активации процесса разрушения; R — универсальная газовая постоянная; А, а — коэффициенты.

Аналогичное выражение для долговечности было получено для полиарилатов глобулярного строения в работе [8], авторы которой по­ казали, что элементарным актом их разрушения! при растяжении является не разрыв химической связи, а преодоление более слабых взаи­ модействий между крупными фрагментами структуры, поскольку вели­ чина U составила 20 ккал/моль.

В нашем случае экспериментальные величины энергии активации (£Лжсп) процесса сдвигового расслоения карбо- и боропластиков, рас­ считанные из наклона прямолинейных участков зависимостей lg t (1/7"), составили для низкотемпературного диапазона U\ 37,7—51,3, для вы­ сокотемпературного U2 — 93,5—166 ккал/моль (см. табл.). Полученные

Результаты механических испытаний и эпоксидных боро- и карбопластиков