книги / Основы создания полимерных композитов

зита по значениям релаксационных констант. Опираясь на развитые авторами работ [136 - 138] представления о деформированном со­ стоянии полимеров и исходя из молекулярной природы деформации, в работах [139, 140] предложено нелинейное обобщенное уравнение Максвелла - уравнение, связывающее напряжения, деформации, вре­ мя и температуру. Автор работ [14, 15] разработал и предложил спо­ собы определения констант этого уравнения из макроскопического опыта.

Упругие и релаксационные константы полимерного материала, которые являются параметрами уравнения Максвелла, можно опре­ делить из кратковременных экспериментов.

Как показано в работах [14, 15, 140] для описания напряженного и деформированного состояния жестких сетчатых полимеров в случае одноосного квазистатического растяжения (сжатия) при постоянной температуре необходимо учитывать спектр времен релаксации высо­ коэластичной деформации. Однако при определении оптимального режима отверждения не обязательно определять точные значения ре­ лаксационных констант. Можно ограничиться описанием каждого отдельного режима нагружения без учета спектра времен релаксации [15].

Определяемые при этом значения параметров обобщенного не­ линейного уравнения Максвелла названы приведенными. В случае одноосного квазистатического растяжения или сжатия при постоян­ ной температуре это уравнение записывается в следующем виде:

Первое слагаемое в правой части уравнения описывает скорость упругой деформации, а второе - скорость высокоэластической. Здесь t - время, <jx- напряжение, ех- суммарная деформация:

191

Эти уравнения содержат одну постоянную упругой деформации (Е - модуль упругости) и четыре постоянные высокоэластической

деформации: £„ - модуль высокоэластичности, щ - коэффициент начальной релаксационной вязкости, гп - модуль скорости, / - объ­ емный коэффициент (G - модуль сдвига, Gw - модуль высокой эла­ стичности при сдвиге, Г0* - время релаксации, UQ - энергия актива­

ции процесса высокоэластической деформации, к - постоянная Больцмана и V -абсолютная температура).

В работах [14, 15] показано, что релаксационные характеристики полимеров (£„, гп) очень чувствительны к изменениям структуры, зависящей, в свою очередь, от режимов термообработки, и поэтому могут быть использованы при определении оптимальных режимов отверждения полимеров.

Режим испытаний при постоянной скорости деформации (Vex = const) при изотермическом одноосном растяжении (сжатии) по­ зволяет определить приведенные значения релаксационных констант - модуля скорости и коэффициента начальной релаксационной вязко­

сти щ . Причем для описания такого режима нагружения ограничи­

ваются [135] одним членом спектра времени релаксации и не учиты­ вают влияние объемной деформации на время релаксации.

Из анализа уравнения для режима Vex = const [14, 15] получают следующее выражение:

ав =а°в +т* 1п(к^/к^),

где сгв- предел прочности при скорости деформации Vex, crj - предел прочности при фиксированной скорости деформации, например при

V^. = 0,01 мин-1; т - модуль скорости. Данное выражение показы­ вает, что зависимость

сгв = 1п(К^)

в определенном интервале изменения Vex представляет собой прямую линию. Линейная зависимость <тв = 1п(К^) для сетчатых полимеров подтверждена рядом исследований [14,15].

192

Or • 107, Н/м2

Рис. 14. Диаграмма сжатия ох(ех) при двух постоянных скоростях деформации V&для г=2ч(о)ит=5ч (б):

А - ^sv=0,92 мин-1, О - ^«=0,05 мин-1

Для определения модуля скорости полимерные образцы испы­ тываются при нескольких постоянных скоростях деформации, отли­ чающихся не менее чем на порядок. Напряжения сравниваются при строго фиксированной деформации еф. На рис. 14 показаны в каче­ стве примера диаграммы сжатия <тх(ех) при разных постоянных ско­ ростях деформации. Далее, по экспериментальным данным еф (при фиксированной деформации) при разных скоростях деформации Vex строится зависимость сгф- \%V£Xв полулогарифмических координатах (рис. 15).

193

Рис. 15. Зависимость оф- \gVex для г= 2, 5, 11, 17, 23 ч при е= 1%/мин

Модуль скорости определяется по формуле

где к = А<Тф/ д | 8( к „ Ю - угловой коэффициент асимптоты зависи­

мости <Тф \gVgx, имеющей размерность напряжения [14].

Коэффициент начальной релаксационной вязкости определяется по приближенной формуле [15], которая при фиксированной дефор­ мации £фимеет вид:

В работах [126, 127, 135] показано, что модуль скорости чувстви­ телен к изменению структуры, причем минимальное значение гп соот­ ветствует наиболее стабильной структуре. Однако более чувстви­ тельным релаксационным параметром является коэффициент на­

чальной релаксационной вязкости щ .

Экспериментально полученные величины всех прочностных, де­ формационных и релаксационных характеристик при различной продолжительности термообработки представлены в табл. 21. На рис. 16 показано изменение модуля скорости m* и логарифма коэф-

194

фициента начальной релаксационной вязкости щ в зависимости от

продолжительности термообработки. Наличие неявно выраженных экстремальных значений этих параметров позволяет утверждать, что время выдержки при данной температуре в меньшей степени влияет на параметр оптимизации, нежели сама температура, а оптимальная область растянута по временной шкале, что не противоречит резуль­ татам, полученным методами статистического планирования.

Таблица 21

Зависимость прочностных, деформационных и релаксационных характеристик композита от продолжительности термообработки при 1700 °С

т* lg»7*

Рис. 16. Зависимость релаксационных характеристик от продолжительности термообработки при 1700 °С

195

Л И Т Е Р А Т У Р А

1.Производство и применение замасливателей для стеклянного волокна. М.: НПО"Стеклопластик", 1987.

2.Плюдеман Э. Поверхность раздела в полимерных композитах. М.: Мир,

1978.

3.Асланова М.С., Бернштейн В.А., Емельянов Ю.А. и др. // Физика и химия

стекла. 1977. Т. 3, №7. С. 506 - 511.

4.Рудман И.Р. //Дис. ... канд. физ.-мат. наук. М., 1989.

5.Трофимов Н.Н., Каленчук А.Н., Канович М.З. // Информ. бюл. по хим.

пром-сти СЭВ. 1990. №3(130). С. 2731.

6.Трофимов Н.Н., Каленчук А.Н., Канович М.З. /I Тез. докл. на Моек, меж-

дунар. конф. по композиц. материалам. М.: Наука, 1990. С. 183184.

7.Трофимов Н.Н., Канович М.З., Никифоров А.Т. И ДАН СССР. 1990.

Т.311, №6. С. 1325-1328.

8.Рогинский С.Л., Канович М.З., Колтунов Н.А. Высокопрочные стеклопла­

стики. М.: Химия, 1979.

9.Гуль Е.Т. Структура и прочность полимеров. М.: Химия, 1971.

10.Карташов Э.М. Дис.... докт. физ.-мат. наук. М., 1981.

11.Outwater J.O. Fundamental mechanics of reinforced plastics // ASME Pap.

1956. Vol. 56A. P.201-208.

12. Кортен X. T. Разрушение армированных пластиков/ Пер. с англ, под ред.

Р.М.Тарнапольского. М.: Химия, 1967.

13. Рогинский С.Л., Натрусов В.И., Канович М.З. Механизм разрушения

композиционных материалов // Тез. докл. на IV Всесоюз. науч.-техн. совещ. «Свойства, переработка и области применения стеклопластиков». Л., 1972.

14. Рабинович А.Л. Введение в механику армированных полимеров. М.:

Наука, 1970.481 с.

15.Рабинович А.Л. Дис.... д-ра хим. наук. М., 1965.

16.Скудра А.М., Антоне В.П. Условие сплошности ортогонально-армиро­

ванных пластиков при растяжении // Механика полимеров. 1968. №5.

С.844-852.

17.Тарнопольский Р.М., Скудра А.М. Конструкционная прочность и дефор-

мативность стеклопластиков. Ростов, 1966. 260 с.

18. Тарнопольский Ю.М., Кипцис Т.Я. О механизме передачи усилий при де­

формировании ориентированных стеклопластиков // Механика полиме­ ров. 1965. №1. 100 с.

19. Малинский Ю.М., Трифель Б.Ю., Каргин В.А. Термомеханические свой­

ства фосфонитрильных полимеров // Высокомолекуляр. соединения. 1964. №6. С. 1111 - 1114.

20. Каргин В.А. Современные проблемы науки о полимерах. М.: Наука.

1963. 215с.

21.Малинский Ю.М. Дис.... д-ра хим. наук. М., 1970.

22.Канович М.З. Условия создания высокопрочных армированных материа­

лов//Тез. докл. на Всесоюзн. коллоквиуме по механике сплошной среды. Пермь, 1977.

23. Рогинский С.Л., Канович М.З., Дрейцер В.И. Некоторые основные фак­ торы, определяющие прочность ориентированных стеклопластиков II

Крупногабаритные намоточные изделия из стеклопластиков. Северодонецк, 1971. С. 38 - 47.

196

24. Рогинский СЛ., Канович М.З., Колтунов М.А. Высокопрочные стекло­

пластики. М.: Химия, 1979. 144 с.

25. Канович М.З., Рогинский СЛ. К вопросу создания высокопрочных стек­

лопластиков // Тез. докл. на I Всесоюз. конф. "Прикладные проблемы механики конструкций из композиционных материалов". Миасс, 1974.

С. 85 -86.

26.Рогинский СЛ., Дрейцер В.И., Канович М3. О связи прочности однона­

правленных стеклопластиков при сжатии и сдвиге// Стеклянные волокна

и стеклопластики. М.: Машиностроение, 1969.

27.Росато Д.В., Грове КС. Намотка стеклонитью. М.: Машиностроение,

1969. 352 с.

28. Першин В.А., Дрейцер В.И., Рогинский СЛ. и др. О применимости усло­

вий монолитности для случая несовпадения осей упругой симметрии композита и действующих усилий // Стеклянные волокна и стеклопла­ стики. М., 1979. С. 8- 15.

29. Рогинский СЛ., Канович М.З., Колтунов М.А. Определение надежности

стеклопластикового композита // Механика полимеров. 1976. №5.

С. 796-799.

30.Канович М.З., Колтунов М.А., Рогинский СЛ. Условия монолитности и

надежности композита// Там же. 1977. № 1. С. 156158.

31. Каргин В.А., Рабинович АЛ., Малинский Р.М. О прочности модельных

образцов однонаправленных структур// ДАН СССР. 1964. Т. 157, №6.

С. 261 -285.

32.Рогинский СЛ., Канович М.З., Натрусов В.И. Основные принципы соз­

дания высокопрочных ориентированных стеклопластиков// Технология, физико-технические свойства и применение стеклопластиков. М., 1975. С.3-17.

33. Полилов А.И. Продольная трещина в однонаправленном композите //

Машиноведение. 1975. №2. С. 1518.

34. Черепанов Г.П. Механика разрушения композиционных материалов. М.:

Физматгиз, 1983. 295с.

35. Шортеров М.Х., Виноградов Л.В., Устинов Л.М. Расчет методом сечений

коэффициента интенсивности напряжений для трещины, расположенной у границы раздела разнородных сред// Механика полимеров. 1979. № 6.

982 с.

36.Цыплаков О.Г Судовые трубопроводы из стеклопластика. Л.: Судо­

строение, 1967. 294с.

37. Skudra А.М., Bulavs F.J. Eine Strukturtheorie fur Verstamte Plaste II Vortrage zum Problem Seminar Konstruieren mit Verstamten Plasten II. Dresden, 1972.

S. 17-38.

38.Скудра A.M., Нирулис Б.А. Теория структурной прочности армирован­

ных пластиков прирастяжении// Механика деформируемых тел и конст­ рукций. М.: Машиностроение, 1975. С. 454-459.

39.Конструкционные стеклопластики / Под. ред. В.А.Альперина. М.: Хи­ мия, 1979. 360 с.

40.Розен Б.В. Механика упрочнения композиций // Волокнистые компози­

ционные материалы. М., 1967. С. 54-96.

41.Лунц ГЛ., Эльсгольц Л.Э. Функции комплексного переменного. М.: Физ­

матгиз, 1958.

42.Канович М 3. Дис.... канд. физ.-мат. наук. М., 1.972.

43.Канович М.З., Колтунов М.А., Попов В.А. и др. Расчет механических

характеристик композита на основе полых микросферII Механика поли-

197

лимеров. 1977. №2. С. 225230.

44. Камович М.З. Условия создания монолитных композитов на основе тка­

ных материалов // Стеклопластики и стекловолокна. М., 1983. № 6.

С.1418.

45.Липатов Е.А., Камович М.З. Особенности создания комбинированных

баллоновдляхранениясжатыхгазов// Там же. № 7. С. 6- 10.

46. Камович М.З. Условия создания высокопрочных композитов // Тез. докл.

на Всесоюз. семинаре "Свойства, расчет и области применения неметал­ лическихтрубных систем в нефтяной промышленности". М., 1973.

47. Камович М.З. Некоторые вопросы теории монолитности ориентирован­

ных стеклопластиков и получения высокопрочных стеклопластиков // Стеклянное волокно и стеклопластики. М., 1970. С. 17 - 22.

48. Рогинский С.Л., Натрусов В.И., Камович М.З. и др. О влиянии диаметра

стеклянного волокна на прочность стеклопластика при сжатии // Меха­ ника полимеров. 1972. № 4. С. 626 - 630.

49. Камович М.З., Рогинский С.Л., Колтунов М.А. Исследование плотности укладки волокон в однонаправленном композите // Там же. 1976. Ns 3.

538 с.

50.Камович М.З., Рогинский С.Л., Натрусов В.И. Влияние геометрии арми­

рующих волокон и их упаковки на прочность стеклопластика // Пласт, массы. 1973. №2. С. 6063.

51. Бурое А.К., Андреевская Г.Д. Синтетические волокнистые анизотропные

структуры. М., 1952. 199 с.

52. Андреевская Г.Д. Высокопрочные ориентированные стеклопластики. М.,

1966. 370с.

53. Буров А.Н., Андреевская Г.Д. Высокопрочные стеклопластики. М., 1961.

96 с.

54.Хоффман А., Лайкопа Г. Перспективные материалы для оболочек топ­

ливныхбаков ракет// Вопр. ракет, техники. 1966. №9. С. 17 - 35.

55. Epstein F., Hribar V. Where nonmetallic composites are made // Metal

Progress. 1967. Vol. 91, N 3. P. 105108.

56. Kennedy A.J. The materials background of space technology. L.: George

Newnes, 1964. P. 206.

57. Асланова M.C., Егоров И.Г., Гордон С.С. и др. Армированные пласт­

массы на основе полых стеклянных волокон // Пласт, массы. 1967. № 7.

С. 61 -64.

58.Асланова М.С., Гордон С.С., Дрейцер В.И. и др. Эффективность исполь­

зования полых волокон для повышения жесткости стеклопластиков II

Механика полимеров. 1968. № 4. С. 672676.

59. Канович М.З., Рогинский С.Л., Натрусов В.И. Исследование свойств тро­

ичных композитов (на примере боро- и углепластиков) // Стеклянное во­ локно и стеклопластики. М., 1976. № 3. С. 15-16.

60. Липатов Е.А., Канович М.З., Рогинский С.Л. Сжатие сэндвич-конструк­

ций наоснове синтактовых пен// Тамже. № 12. С. 16-19.

61. Липатов Е.А., Канович М.З., Рогинский С.Л., Дрейцер В.И. К вопросу соз­

дания стеклопластиковых сэндвич-оболочек // Ориентированные стекло­ пластики. М., 1978. С. 2932.

62. Канович М.З., Липатов Е.А., Ливанова Т.А. Приспособление для изготов­

ления цилиндрических трехслойных образцов на основе синтактовых пен II Завод, лаб. 1978. № 7. С. 887 - 888.

63. Телешов В.А., Канович М.З., Рогинский С.Л., Дрейцер В.И. К вопросу о

прочности резиновой матрицы, армированной стекловолокном // Стек­

198

лянное волокно и стеклопластики. М., 1970. №2. С. 168173.

64.Образцов И.Ф., Васильев В.В., Бунаков В.А. Оптимальное армирование

оболочек вращения из композиционных материалов. М.: Машинострое­ ние, 1977. 144с.

65.Цыплаков О.Г. Основы формования стеклопластиковых оболочек. Л.:

Машиностроение, 1968. 183 с.

66.Hand W. Oreality control of filament wound materials for deep submergence vessels // Proc. 20th Conf. SPJ Reinforced Plastics Div. 1965. P. 15.

67.Современные глубоководные аппараты / Под ред. А.К. Сборовского, А.В. Кирсанова. Л.: ЦНИИТС, 1967. 254 с.

68.Войнов М.К. Современное состояние строительства глубоководных ап­

паратов в капиталистических странах // Судостроение за рубежом. 1971. № 9.С. 4257.

69.Ваганов А.М., Колмыков П.А., Фрид М.А. Проектирование корпусных

конструкций из стеклопластика. М.: Судостроение, 1972. 272с.

70.Амбарцумян С.А. Общая теория анизотропных оболочек. М.: Наука,

1974.446 с.

71.Амбарцумян С.А. Еще одна уточненная теория анизотропных оболочек //

Механика полимеров. 1970. № 5. С. 884889.

72.Тарнопольский Ю.М. Современные тенденции развития волокнистых

композитов //Там же. 1972. № 3. С. 541 - 662.

73.Розе А.В., Жигун И.Г Душин М.И. Механические и технологические

свойства стеклопластиков с пространственно-сшитой арматурой. М., 1970. 60 с.

74.Хитрое В.В., Жмудь И.П. Радиальное усиление толстостенных колец из

композитных материалов // Механика полимеров. 1974. № 6. С. 1032 - 1037.

75.Плешков Л.В., Канович М.З., Рогинский С.Л., Натрусов В.И. Радиальное

армирование - перспективный путь создания высокопрочных при все­ стороннем сжатии стеклопластиковых оболочек вращения // Стеклянное волокно и стеклопластики. М.: 1976. № 4. С. 3940.

76.Колтунов М.А., Плешков Л.В., Канович М.З., Рогинский С.Л. Высоко­

прочные при всестороннем сжатии стеклопластиковые оболочки с ради­ альной ориентацией наполнителя // Механика полимеров. 1977. № 6. С. 1109-1112.

77.Рогинский С.Л., Натрусов В.И., Канович М.З., Плешков Л.В. Радиально-

армированные пластики и эффективность их применения в народном хо­ зяйстве // Тез. докл. на Всесоюз. семинаре "Применение полимерных ма­ териаловв народном хозяйстве". Нальчик, 1978.

78.Жмудь И.П., Панфилов И.А. Влияние схемы армирования на механиче­

ские характеристики и несущую способность колец ППН // Технология судостроения, Л. 1977. № 1. С. 7075.

79.Патент№ 3598275, США, 1971. Радиально-армированные стеклопласти­ ковые цилиндры / Е. Франкойз, И. Вайн.

80.Патент№ 349=638, США, 1970. Радиально-армированные стеклопласти­ ковыесферы / Д. Макдональд, Д. Еллиот, Е. Франкойз.

81.Патент № 3608767, США, 1971. Глубоководные корпуса из радиальноармированных сфер / Р. Даниель, Д. Еллиот, Е. Франкойз, И. Вайн, Д. Макдональд.

82.Plastics Futurein Hydrospace// Modem Plastics. 1967. Vol. 45, N 3. P. 211.

83.Рогинский С.Л., Канович M.3., Колтунов M.A., Плешков Л.В. Об эффек­

тивности применения радиально-армированных тел вращения // Меха­

199

ника полимеров. 1978. № 5. С. 71 - 78.

84.Устройстводля испытанияобразцов надвухосное сжатие. А. с. № 415764

СССР // Открытия, изобрет., пром. образцы, товар, знаки. 1974. № 10. С. 122. И.Г.Боксберг, А.К.Ашкенази, А.К.Сборовский, А.В.Попов, А.В. Лавров, В.И.Захаров.

85.Колтунов М.А., Плешков Л.В., Рогинский С.Л., Канович М.З. О выборе

рациональной схемы армирования высокопрочных при всестороннем сжатии стеклопластиковых оболочек//Тез. докл. на III Всесоюз. симпоз. по механике конструкций из композиц. материалов. Ереван, 1979.

86.Рогинский С.Л., Канович М.З., Плешков Л.В., Натрусов В.И. О механизме

разрушения однонаправленных стеклопластиков при двухосном сжатии

в трансверсальной плоскости // Технический прогресс в области науки и производства стеклянного волокна и стеклопластиков. М., 1976.

С.58-61.

87.New epoxy glass laminate concept may open path to ocean depths // Modern Plastics. 1967. Vol. 44, N 7. P. 117.

88.Плешков Л.В., Канович M.3., Натрусов В.И., Рогинский С.Л. Поведение

стеклопластиковых оболочек с радиально-армированным несущим сло­ ем в условиях гидростатического давления // Тез. докл. на Всесоюз. на- уч.-техн. семинаре «Технология производства крупногабаритных изде­ лий из пластиковс волокнистым наполнителем». М., 1978.

89.Колтунов М.А., Канович М.З., Плешков Л.В. и др. К вопросу выбора

материала высокопрочныхпривсестороннем сжатии оболочек из армиро­ ванных пластиков с радиальной ориентацией наполнителя // Механика полимеров. 1980. № 3. С. 456 - 460.

90.Хитрое В.В., Жмудь И.П. Несущая способность радиально-армирован­ ных толстостенных колец из композитов, работающих под давлением II

Технология судостроения. Л., 1975. № 4. С. 8386.

91.Канович М.З., Рогинский С.Л. Условия создания высокопрочных конст­

рукционных стеклопластиков и их надежность // Тез. докл. на Всесоюз. конф. по прогнозированию эксплуатац. свойств полимеров. Казань, 1978. С. 31 -34.

92.Рогинский СЛ., Канович М.З., Дрейцер В.И. Условия создания высоко­

прочных при сжатии стеклопластиков // Тез. докл. на Всесоюз. науч.- техн. совещ. "Производство крупногабаритных стеклопластиковых из­ делий" Северодонецк, 1971.

93.А. с. № 419095 СССР. Способ изготовления цилиндров из стеклопласти­ ков / А.К. Добровольский и др.

94.А. с. № 732142 СССР. Способ изготовления радиально-армированных стеклопластиковых оболочек и устройство для его осуществления / С.Л. Рогинский, М.А. Колтунов, М.З. Канович, В.И. Натрусов, Л.В. Плешков.

95.Андреевская Г.Д. Высокопрочные ориентированные стеклопластики. М.,

1966. 370с.

96.Буров А.К, Андреевская Г.Д. Анизотропные структуры. М., 1952. 199 с.

97.Аудринг В.В., Коробов В.В., Рогинский С.Л. Установка для формования

стеклопластиковых образцов в виде колец// Химическое и нефтяное ма­ шиностроение. 1969. № 2. С. 7- 9.

98.Канович М.З., Плешков Л.В., Натрусов В.И. Установка для получения

намоточных стеклопластиковых образцов, обеспечивающая стабиль­ ность их механических свойств// Завод, лаб. 1977. № 1. С. 109-110.

99.Канович М.З., Рогинский С.Л., Синицын В.А. Использование методов тео­

200