книги / Основы создания полимерных композитов

Однако автор работы [97], исследуя трещиностойкость однона­ правленного стеклопластика на основе матрицы ERL-2256/ZZL 0820 и волокна из Е-стекла, отмечает, что механику разрушения не следует связывать с предположением об однородности и изотропности (что обычно имеет место для металлов) и что процесс разрушения при на­ личии неоднородности и анизотропии свойств материала может быть исследован в соответствии с принципами механики разрушения при тщательном выборе критерия локального разрушения.

Правомерность применения методов линейной механики разру­ шения для исследования трещиностойкости полимеров и композитов на их основе доказана результатами целого ряда работ [80 - 85, 98 - 104].

В работе [80] приведены результаты экспериментального опреде­ ления вязкости разрушения эпоксидной смолы. Прямолинейный ха­ рактер типичной диаграммы "усилие - смещение", а также постоян­ ство критического коэффициента интенсивности напряжений К1Ссви­ детельствуют о правомерности применения линейной механики раз­ рушения.

В работе [99] проанализирована возможность использования классической механики разрушения для изучения процессов развития трещин в композиционных материалах и показано, что на макро­ уровне к композитам могут быть применены такие понятия, как ко­ эффициент интенсивности напряжений, скорость освобождения энер­ гии деформации, критическое раскрытие трещины, 7-интеграл. Для определения прочностных свойств композитов с трещинами авторы работ [100, 101] предлагают использовать хорошо развитые методы механики разрушения однородного анизотропного тела.

Однако линейная механика разрушения может быть применена для оценки трещиностойкости только к композитам, обладающим линейно-упругими свойствами вплоть до разрушения. Довольно час­ то разрушению композиционного материала предшествует обра­ зование зоны предразрушения в окрестности вершины трещины (раз­ рывы и вытягивание отдельных волокон, разрыхление матрицы, на­ рушение адгезии на поверхности раздела фаз), которое начинается при нагрузке, составляющей примерно 80% от критической [105]. Ко­ гда эта зона мала в сравнении с размерами дефекта, являющегося причиной разрушения композита, то к таким материалам можно применять методы линейной механики разрушения [99] и, в частно­ сти, концепцию коэффициента К1С, вводя поправку Ирвина [106], "уд­ линяющую" начальную трещину /о на определенную величину:

1

где OQ2 - предел текучести материала. При этом эффективная длина

211

трещины /э0 = /о + гу.

Такой прием использован в работе [81], где исследовали вязкость разрушения двух марок стеклопластика на основе полиэфирной смо­ лы, армированной шестью слоями стекломата SuperEmat, и стек­ лопластика на основе полиэфирной смолы, армированной девятью слоями стекломата Tvglass Y 449. Испытывались образцы с централь­ ной трещиной и конструкционные элементы коробчатого сечения. На основании сравнения напряжений разрушения действительного и предсказуемого, полученных в процессе этих исследований, было сделано заключение о возможности применения линейной механики разрушения с поправкой Ирвина для оценки трещиностойкости хао­ тически армированных стеклопластиков и конструктивных элемен­ тов на их основе. Исследованию трещиностойкости с позиций линей­ ной механики разрушения были посвящены работы [98, 102].

Авторы работы [82] предложили применять для оценки трещино­ стойкости хаотически армированных стеклопластиков на основе эпоксидной и полиэфирной смол метод R-кривой, который широко использовался для описания поведения металлических материалов при разрушении [90]. Сущность метода R-кривой состоит в оценке прироста длины трещины в момент ее неустойчивого распростране­ ния. По смыслу это аналогично приему Джонса и Брауна [91] при оп­ ределении коэффициента KQ, соответствующего двухпроцентному допуску на стабильное разрастание трещины при испытании на раз­ рушение. Испытывались пластинчатые образцы с краевой трещиной. Коэффициент интенсивности напряжений определялся [92] по форму­ ле

где Y - коэффициент формы образца; а - длина трещины, соответ­ ствующая нагрузке Р\ t и Н - толщина и ширина испытываемого об­ разца соответственно. Результаты работы [82] показали, что метод R-кривой может быть с успехом применен к композиционным мате­ риалам хаотического армирования с развитой зоной предразрушения.

Авторы работы [85], используя методику [93], определили стадии процесса разрушения хаотически армированных дискретными волок­ нами коррозионно-стойких композитов на основе полиэфирной смо­ лы ПН-15, стекломатов ЛВВ-СП и МБ и лавсанового мата НКП-Л и провели их ранжирование с позиций линейной механики разрушения. Критерием трещиностойкости служил критический коэффициент ин­ тенсивности на основе напряжений для случая плоского напряжен­ ного состояния (KQ).

В работе [83] исследовано сопротивление разрушению компози­ тов на основе эпоксидной матрицы, армированной углеволокном. Было использовано три типа армирующих волокон: высокопрочное

212

поверхностно обработанное - тип 2(2Т), высокомодульное поверх­ ностно обработанное - тип 1Т и высокомодульное поверхностно не­ обработанное - тип 1(1И). Укладка волокон - продольно-поперечная (0°/90о>. Испытывали два типа образцов - образец клиновидный типа двойной консольной балки и плоский образец с центральной трещи­ ной и фасонными выемками материала на продолжении трещины по толщине образца для "сопровождения" трещины в требуемом направ­ лении. Отмечается хорошее совпадение результатов по трещиностойкости К{с и работе разрушения Gc, что подтверждает применимость линейной механики разрушения для случая распространения тре­ щины перпендикулярно волокну в композитах продольно-попереч­ ного армирования.

В работе [84] представлены результаты исследования процесса развития трещины в полимерах на воздухе и в присутствии химиче­ ски активных сред. Показано, что методы линейной механики разру­ шения могут быть успешно использованы при изучении процесса роста трещин в полимерах под действием химически активных сред. Было установлено для каждого из исследованных полимерных мате­ риалов существование некоторого порогового значения коэффици­ ента интенсивности напряжений K ics, ниже которого скорость роста трещины близка к скорости роста охрупченного поверхностного слоя материала, а выше которого рост трещины резко ускоряется. Пока­ зав, что с ростом зоны предразрушения в вершине трещины растет скорость воздействия агрессивной среды на полимер, автор [84], ис­ пользуя модель Леонова-Панасюка-Дагдейла, описал кинетику раз­ рушения этой зоны.

В работе [103] были определены характеристики трещиностойкости углепластиков КМУ-4Э и КМУ-41 на основе эпоксидной смолы ЭНФБ. Была выявлена качественная аналогия характеристик т ещиностойкости и ударной вязкости. Установлено, что с ростом темпера­ туры до 473 К трещиностойкость композитов К1Сповышается в сред­

нем на 15 - 20%.

Представленные выше экспериментальные подходы оценки ра­ ботоспособности композитов с позиций линейной механики разруше­ ния все же не дают полной информации о параметрах трещиностойкости композиционных материалов как в нормальных условиях, так и в условиях воздействия различных эксплуатационных факторов (температура, агрессивные среды, нагрузка и т.д.), поскольку трещи­ ностойкость композитов при этом оценивается только на стадии рас­ пространения макротрещины, что практически является второй, за­ ключительной, частью длительного процесса разрушения.

При этом совершенно очевидно, что для современных компози­ ционных материалов необходимы методические подходы, позволяю­ щие количественно описать все стадии процесса разрушения мате­ риала с учетом одновременного воздействия всего комплекса экс­ плуатационных факторов.

213

Таким образом, основной фундаментальной характеристикой композитов с хаотически армированной полимерной матрицей явля­ ется коэффициент интенсивности напряжений. Зная последний, мож­ но оценить напряженно-деформированное состояние в окрестности наиболее опасной точки композита, его несущую способность (так как большинство критериев наступления опасного состояния вы­ ражаются именно через компоненты тензора напряжений), а также установить влияние эксплуатационных факторов (температура, влаж­ ность и т.п.) на его трещиностойкость. Однако удовлетворительных для инженерных приложений теоретических и экспериментальных методов оценки локального напряженного состояния хаотически ар­ мированных композитов в настоящее время не существует.

С проблемой трещиностойкости тесно связана проблема созда­ ния монолитного трещиностойкого композита.

ГЛАВА 2. Объект и методика исследований

2.1.Объект исследований

Вкачестве объектов исследований были выбраны наиболее ти­ пичные представители коррозионно-стойких стеклопластиков, ши­ роко применяющихся при изготовлении труб, емкостей, химических аппаратов, эксплуатация которых происходит в условиях воздейст­ вия различных жидких и газообразных агрессивных сред, напряже­ ний и температур:

- хаотически армированные дискретными волокнами стеклопла­ стики на основе полиэфирных смол ПН-15, ПН-16, ПН-10, ПН-15+ ЛВВ-СП, ПН-15 + МПС, ПН-15 + МБ, ПН-16 + ЛВВ-СП, ПН-10+ ЛВВ-СП;

-пресс-композиции типа "препрег" марки ППМ-16-СХ;

-пресс-композиции типа "премикс" марки ПСК-15-СХ.

Кроме коррозионно-стойких стеклопластиков испытывали об­ разцы коррозионно-стойких композитов на основе полиэфирной смолы ПН-15, армированной лавсановых матом НКП-Л и углерод­ ной тканью УТМ-8. Для оценки влияния упруго-прочностных свойств исходных компонентов хаотически армированных стекло­ пластиков на их монолитность и трещиностойкость наряду с компо­ зитами на основе полиэфирных смол исследовали композит на основе эпоксидной смолы ЭДТ-10 и стекломаты ЛВВ-СП (ЭДТ-10+ЛВВ-СП). Упомянутые выше композиционные материалы предназначены как для изготовления футеровочных слоев, обеспечи­ вающих химстойкость и герметичность коррозионностойких изде­ лий, так и для обеспечения несущей способности самого изделия.

Для определения критической длины волокна в стеклопластике

Тх испытывали образцы на основе эпоксидных смол ЭДТ-10А,

214

ЭДТ-10Б, УП-610 и Э -181, однонаправленно армированные волок­ нами диаметром 100 мкм из алюмоборосиликатного стекла.

Рассмотрим исходные компоненты перечисленных композици­ онных материалов (табл. 1 и 2).

Таблица 2

Физико-механические характеристики исходных композитов (термореактивные смолы)

Стекломат из моноволокон марки ЛВВ-СП представляет собой рулонный материал из хаотически расположенных штапельных воло­ кон диаметром 10 мкм, скрепленных синтетическим связующим и ар­ мированных в продольном направлении комплексными нитями с но­ минальным шагом армирования 10 мм.

Для изготовления моноволокон применяются стеклошарики марки ШС-7-А (ТУ 6-11-149-70). Связующим служит латексный по­ лиметилметакрилат (ТУ 6-01-497-75).

Поверхностный стекломат марки МПС представляет собой ру­ лонный нетканый материал, состоящий из хаотически расположен-

215

ных штапельных волокон диаметром 10 мкм из стекла марки 7-А, скрепленных между собой связующим. В качестве связующего ис­ пользуют смесь полиметилметакрилата (ТУ 6-01-497-75) с полиакри­ ламидом (ТУ 6-01-1049-81).

Мат марки МБ из рубленых стеклянных нитей состоит из хаоти­ чески расположенных отрезков комплексных нитей, содержащих 200 и более моноволокон диаметром 10 мкм, скрепленных между собой жидким полимерным связующим марки ПНТ-Т. Комплексная нить вырабатывается из стекла алюмоборосиликатного состава.

Лавсановый мат марки НКП-Л - это нетканое клееное полотно из хаотически расположенных лавсановых волокон диаметром 10 мкм.

Углеграфитовая ткань марки УТМ-8 представляет собой ткань сатинового переплетения.

Химически стойкие стирольные полиэфирные смолы ПН-16, ПН-15 и ПН-10 применяются в качестве связующих для футеровочных и конструкционных слоев стеклопластиковых трубопроводов и химической аппаратуры, работающих в контакте с различными аг­ рессивными средами при повышенных температурах.

Эпоксидные связующие марки ЭДТ-10, ЭДТ-10А, ЭДТ-10Б, УП-610 и Э-181 применяются для получения композиционных мате­ риалов различного назначения.

Композиты на основе полиэфирных смол и эпоксидной смолы смолы ЭДТ-10 получены методом контактного формования (давле­ ние формования - 0,0006 МПа).

Пресс-композицию типа "препрег" марки ППМ-15-СХ изготав­ ливают из ненасыщенной смолы ПН-15М, минеральных порошкооб­ разных наполнителей и армирующего наполнителя из хаотически расположенных отрезков (длиной 50 мм) рубленых комплексных стеклонитей алюмоборосиликатного состава и других добавок.

Содержание основных исходных компонентов препрега (мае. %): ПН-15М - 40; минеральный наполнитель (каолин) - 24,3; стеклонаполнитель - 30.

Композит марки ПСК-15-СХ представляет собой пресс-компози­ цию на основе полиэфирной смолы ПН-15, хаотически расположен­ ных дискретных комплексных нитей алюмоборосиликатного состава длиной 10 мм, минерального наполнителя и других добавок.

Содержание основных компонентов премикса (мае. %): ПН-15 - 40; минеральный наполнитель (каолин) - 37,9; стеклонаполнитель -

20.

Данные пресс-композиции изготавливают методом прессования. Режим прессования: давление - 8,0 МПа, температура - 403 К.

Для оценки степени воздействия жидких агрессивных сред на трещиностойкость композиционных материалов использовали типо­ вые агрессивные среды: кислая - 5%-я НС1, нейтральная - дистилли­ рованная вода и щелочная среда - 10%-й NaOH.

216

2.2.Методика экспериментальной оценки сопротивления стеклопла­ стика зарождению в нем трещины К0 и распространению в нем трещины K Q

Воснову определения KQ - критического коэффициента интен­ сивности напряжений для случая обобщенного плоского напряжен­ ного состояния, определяемого в момент страгивания трещины-над­ реза, была положена методика, изложенная в работе [107]. Выбор данной методики предопределен формой испытываемого образца - это клиновидный образец типа двойной консольной балки, позво­ ляющей длительно экспонировать его в условиях одновременного воздействия различных агрессивных сред, нагрузок и температур (рис. 2).

12 24

Рис. 2. Клиновидный образец типа двойной консольной балки:

L - допустимыйдиапазон длин исходной трещины-надреза, е- ее ширина

Клиновидный образец растягивался на разрывной машине при скорости движения активного захвата 1 - 0,5 мм/мин. Погрешность определения силы не превышала 10% от измеряемой величины.

Для определения момента страгивания трещины-надреза было предложено одновременно с записью кривой "усилие - смещение" проводить запись в реальном масштабе времени дифференциальных и интегральных параметров акустической эмиссии (рис. 3).

Для регистрации сигналов акустической эмиссии был разрабо­ тан специальный комплекс аппаратуры.

217

Основные параметры аппаратуры приведены ниже.

Р, Н

I, мкВ

Рис. 3. Синхроннаязапись: а - усилия Р,б - смещения V, в - суммы импуль­ сов акустической эмиссии, г - сигналов акустической эмиссии

218

Аппаратура акустической эмиссии включала ряд нестандартных электронных блоков, а также самописец, счетчик импульсов (часто­ томер) и осциллограф. Сигналы акустической эмиссии воспринима­ лись измерительным преобразователем и усиливались широкополос­ ным усилителем (К = 60 дБ) в полосе частот, соответствующих ос­ новной резонансной частоте измерительного преобразователя.

Поступая на блок обработки, сигнал через усилитель видеоим­ пульсов выдавался на блок измерения уровня сигналов акустической эмиссии и на три идентичных канала измерительной активности. Блок измерения уровня сигнала представлял собой детектор, выход­ ное напряжение которого пропорционально среднеквадратическому значению входящих сигналов за время 0,1 с. Блок измерения актив­ ности состоял из последовательно соединенных компоратора с регу­ лируемым порогом срабатывания и формирования нормальных им­ пульсов, усредняющего усилителя и устройства ограничения. Он обеспечивал преобразование входной последовательности сигнала с меняющимся напряжением, уровень которого пропорционален ак­ тивности сигнала акустической эмиссии.

Переключение диапазона измерения производилось катушкой десятичных делений, уменьшающей частоту сигналов, поступающих на усредненный усилитель. Нормализованные импульсы выводились на внешний счетчик. Генератор выдавал импульсную последователь­ ность для настройки и калибровки аппаратуры. Регистрация велась в диапазоне частот 200 - 400 кГц. Для выявления отсутствия посторон­ них механических шумов производились контрольные нагружения клиновидных образцов без трещины-надреза с двукратным превы­ шением усилий, при которых происходит страгивание трещины.

Экспериментальным путем было установлено, что минимальная амплитуда импульса акустической эмиссии, связанного с началом микроразрушения исследуемых композитов, составляет 50 мкВ. Им­ пульсы с амплитудой 10 мкВ относятся к флуктуационным шумам. Сигналы акустической эмиссии с амплитудой менее 100 мкВ отра­ жают кинетику накопления субмикротрещин в окрестности вершины трещины-надреза и подготовку последней к старту.

За страгивание фронта трещины-надреза принимался момент по­ явления характерного "скачка" на диаграмме "усилие - смещение". При отсутствии характерного указанного "скачка" за страгивание принимался момент появления сигнала акустической эмиссии, пре­ вышающего уровень 150 мкВ. Подтверждение соответствия этого сигнала началу страгивания трещины-надреза осуществлялось на контрольных образцах путем одновременной регистрации момента страгивания четырьмя методами: оптическим, рентгеноскопическим, записи диаграмм "усилие - смещение" (рис. 4) и записи дифференци­ альной и интегральной диаграмм сигналов акустической эмиссии.

Полагая, что процесс микроразрушения композита представляет собой процесс зарождения микротрещин, обозначим коэффициент

219

Рис. 4. Типичныекривые "усилиесмещение" для хаотически армированных стеклопластиков:

а- полиэфирная смола ПН-15, б - ПН-15 + ЛЛВ-СП, ПН-15 + МПС, ПН-15 +лавсан, в - ПН-15 + МБ,

ППМ-15 + МБ, ППМ-15 + СХ, ПСК-15-СХ

интенсивности напряжений, соответствующий этому процессу, - Ко. При установлении на диаграмме "усилие - смещение" моментов

возникновения первых сигналов акустической эмиссии и страгивания трещины-надреза определяются величины К0 и KQпо соотношениям

где P Q и P Q - нагрузка соответственно в момент первого сигнала аку­

стической эмиссии и страгивания трещины; V0 и VQ - раскрытие бе­ регов трещины соответственно в момент первого сигнала акустиче­ ской эмиссии и страгивания трещины; b - толщина образца в окре­ стности вершины трещины-надреза, а / - исходная длина трещинынадреза.

Функциональная схема, поясняющая методику эксперимента и

аппаратурное оформление, представлена на рис. 5.

Рис. 5. Схема аппаратурного оформления методики:

/ - образец; 2 - датчиксмещения; 3 - датчикусилий Р-01; 4 - усилитель 8АНЧ-7М; 5 - двухкоординатный самописец ПДС-021М; 6 - самописец Н338-4П; 7- датчикакустическойэмиссии; 8 - регистраторсигналовакусти­

ческой эмиссии

220