книги / Остаточные напряжения в полимерных композиционных материалах

0,625; 1,25; 2,5; 5,0; 10,0; 20,0 град/мин. Погрешность установки температуры термостатирования по шкале программного задатчика не более ±2 °С, нестабильность поддержания температуры на заданной площадке термостатирования в любой точке рабочего диапазона не превышает ±0,5 °С.

Измерение температуры и перемещения производится путем регистрации термомеханической и температурной кривых самопишущим потенциометром или двухкоординатным самописцем.

2.5.2. Методика изготовления образцов

Исходными компонентами для приготовления материала образцов являются: эпоксидная смола ЭД-20 и отвердитель – триэтаноламинтитанат. Отвердитель нагревается до температуры 60 °С и смешивается в весовых пропорциях 1:10 (отвердитель к смоле) в течение 1 ч под вакуумом. При смешивании поддерживается температура 60 °С. Полученный состав заливается в предварительно нагретую форму, которая помещается в вакуумный шкаф с комнатной температурой, где находится в течение 3–4 ч. Эта процедура позволяет удалить из полимерной смеси воздушные пузыри. Затем форма помещается в термошкаф и при температуре 100 °С происходит отверждение (полимеризация) материала в течение 3–4 ч, после чего температура повышается до 160–170 °С и производится доотверждение материала в течение 4 ч. Охлаждение формы осуществляется в термошкафу при его отключении.

Форма для образцов представляет собой двухслойную разборную пластину. В верхней пластине, изготовленной из фторопласта, просверлены сквозные отверстия диаметром 3,5 мм и высотой 8,5 мм. Нижняя металлическая пластина служит днищем и покрывается антиадгезионным составом. Обе пластины скреплены между собой болтовым соединением. После окончания процесса отверждения форма разбирается и образцы, имеющие форму цилиндров, подвергаются механической обработке, целью которой является обес-

62

печение плоскопараллельности торцов цилиндров для повышения точности измерения в последующих термомеханических испытаниях. Применение такой формы позволяет получить до 50 образцов, имеющих одинаковые физико-механические свойства.

2.5.3. Проведение экспериментов

Цилиндрический образец с размерами l = 7,6 мм, d = 3 мм помещается в термокамеру прибора УИП-70М (рис. 2.6), на верхний торец образца накладывается тонкая пластинка из материала, имеющего очень малое температурное расширение (анваровый сплав или кварцевое стекло), в которую упирается измерительный шток. Эта процедура необходима для того, чтобы создать равномерное давление на образец и исключить вдавливание штока при высоких температурах в образец, снижая тем самым искажение результатов измерения. После этого образец в течение 25–30 мин термостатируется при температуре 25–30 °С, затем происходит его нагрев без нагрузки с выбранной скоростью до температуры, превышающей температуру стеклования (150–160 °С). Для снятия технологических остаточных напряжений образец термостатируется в течение 5 мин.

Эксперимент проводился по двум различным программам, в ходе которых определялось смещение штока U в зависимости от температуры. По результатам первой из них определялись термомеханические характеристики материала образца. Поэтому эта серия экспериментов условно названа установочной (рис. 2.8, а):

1)охлаждение образца без нагрузки до комнатной температуры (кривые 1–2, рис. 2.8, а) со скоростью T = 2,5 град/мин;

2)нагружение при комнатной температуре, при этом на шток накладывается груз P = 300 г (кривые 2–3 на рис. 2.8, а);

3)нагрев под нагрузкой до температуры 140 °С с различными

скоростями T = 2,6; 5,3; 10,5 град/мин (кривые 3–4 на рис. 2.8, а). На этом этапе наиболее наглядно виден интервал стеклования, которому соответствует перепад деформаций на термомеханической кривой.

63

Характерный горб на термомеханической кривой проверочного эксперимента (4–1, рис. 2.8, б) наглядно иллюстрирует высвобождение «замороженной» во время охлаждения под нагрузкой деформации.

По программе установочного эксперимента было поставлено в общей сложности 22 опыта, из них 7 экспериментов – со скоро-

позволяет задавать точные значения скоростей изменения температуры. Поэтому указанные выше скорости являются выборочными средними и найдены по формуле

Здесь (Tk )i – измеренные значения скоростей изменения температуры для i-го опыта из k-го скоростного интервала; Mk – число экспериментов на этом интервале. Разброс (Tk )i в каждом из k интервалов

не превышал 7 %. Поэтому полагалось, что вся k-я серия опытов проводилась при постоянной скорости, равной Tkcp .

Аналогичная серия экспериментов была выполнена для четырех скоростей нагрева под нагрузкой 500 г. Результаты представлены на рис. 2.9.

По определению, данному в разделе 2.1, степень стеклования характеризует степень завершенности процесса увеличения жесткости при уменьшении температуры в рамках релаксационного перехода. Кривые же на рис. 2.5, если их построить без учета температурной деформации, отражают зависимость податливости от температуры. Поэтому положение середины перепада деформаций на термомеханических кривых (рис. 2.8, а) не соответствует температуре стеклования. Интервал стеклования располагается в области более низких температур. Точки начала и конца деформационного

65

Таблица 2 . 1

Характеристики термомеханических кривых установочных экспериментов

проверочных испытаний (всего было поставлено семь опытов) осуществлялась аналогично. Термомеханические кривые по результатам установочного и проверочного экспериментов построены на рис. 2.9.

2.5.4. Определение параметров физических уравнений по результатам термомеханических испытаний

В приведенной в предыдущем разделе схеме термомеханических испытаний используется нагружение образца постоянной нагрузкой, а откликом является перемещение (деформация). В этом случае для определения констант материала удобнее применять обращенную форму соотношений (2.5) вида ε = ε(σ,T ). В общем виде

аналитическое обращение (2.5) невозможно, однако для случая постоянной нагрузки и в предположении линейности температурной

67

где индексами «С» и «Н» обозначены деформации и напряжения при стекловании (охлаждении) и размягчении (нагреве) соответст-

пературная деформация.

По условиям программы установочного эксперимента (разд. 2.5.3) σС = 0; σH = const = −σ и деформация при понижении температуры εС (t ) найдется по формуле

TH

Размягчение материала в соответствии с (2.10) будет сопровождаться изменением деформации по закону

T (t )

εH (t ) = α(T (τ))dT (τ) − σ E1 (T (t )) + E2 (T (t ))N (t ) −1 . (2.12)

TH

Будем полагать, что ЛКТР линейно зависит от температуры: α(T ) = A + BT . После подстановки данного выражения в (2.11)

получаем

εС (T ) = A(T − TH ) + B(T 2 − TH2 ) / 2,

где TH – температура начала охлаждения. Определение коэффициентов A и B ведется по двум точкам на кривой охлаждения 1–2 (рис. 2.8, а) при температурах Т = 80 °С и Т = 28 °С. В результате получена следующая аппроксимация ЛКТР:

68

α(T ) = (23 + 0,81T[°С]) К−1 .

Из-за ограниченности величин нагрузок, используемых в установке УИП-70М, определение модуля упругости смолы в стеклообразном состоянии не проводилось. Температурная зависимость для ЭДТ-10 детально исследована в работе [34], где приводится следующее выражение:

E2 (T ) = (323 − 1,82T [°С])107 Па.

Для отыскания значений остальных неизвестных параметров (γ, Tg , E1 ) строились вспомогательные графики удлинения образца

без учета температурной деформации по данным табл. 2.1 (рис. 2.10). Построенные кривые можно описать аналитическими зависимостями, получаемыми из (2.10), после подстановки упрощенного выражения вида Лапласа для степени стеклования (2.8).

где l – длина образца.

При температурах выше зоны перепада деформаций (участок III, рис. 2.10) степень стеклования равна нулю и (2.13) упрощается:

69

Рис. 2.10. Вспомогательный график для определения физических констант материала

По двум точкам экспериментальной зависимости на рис. 2.10 с учетом соотношения (2.14) получена следующая аппроксимация модуля Юнга:

E1 (T ) = (17,9 + 0,07T °C)106 Па.

Для определения параметров кинетики стеклования Tg и γL из (2.13) в зоне II на графике uσH (T ) (см. рис. 2.10), условно соответст-

вующей интервалу перепада деформаций, откладываются два значе-

ния перемещения uσH и uσH , соответствующие температурам T1 и T2 ,

1 2

Приравнивая экспериментальные и вычисленные по (2.13), (2.14) значения uσi , получаем систему двух уравнений относитель-

70