1Дефектность и трещностойкость армированных пкм
Для создания безопасных композитных и гибридных металло-композитных и композитно-сотовых ответственных силовых элементов авиаконструкций по условиям устойчивости к повреждениям, усталостной и остаточной прочности, живучести и заданных ресурсных характеристик необходима комплексная (многоуровневая) расчетно-экспериментальная методология оценки их сопротивления возникновению (инициированию) отслоений и расслоений (трещин), их критического и докритического роста (трещиностойкости) при статических и усталостных нагрузках с разделением источников получения экспериментальных данных и расчетных методов на уровнях образцов материала, панелей, агрегатов и натурной конструкции, т.е. созданием так называемой «пирамиды» расчетно-экспериментальной оценки и прогнозирования устойчивости авиаконструкций к расслоениям и отслоениям (Рисунок 1 .1).
Экспериментальные Расчетные (численные) методы методы
Рисунок 1.1 Обобщенная многоуровневая пирамида расчетно-экспериментальной оценки и прогнозирования устойчивости к расслоениям и отслоениям авиационных конструкций из слоистых ПКМ[26]
Основанием такой «пирамиды» служат развитые в механике разрушения расчетные (аналитические и численные) и экспериментальные методы оценки критических параметров межслоевой и межфазной трещиностойкости слоистых ПКМ или их клеевых соединений между собой и с металлами при трех видах нагрузок (I, II, III – отрыв, сдвиг в плоскости и сдвиг в антиплоскости соответственно) вблизи вершины трещины или другой области концентрации напряжений, а также кинетики докритического роста трещин в них при монотонных (квазистатических) или циклических (динамических усталостных) нагрузках. Все последующие уровни составляют преимущественно численные методы расчета и экспериментальные испытания образцов, моделирующих отдельные компоненты и интегральные силовые элементы в целом.
Если на 1-м уровне преимущественно расчетно-аналитические и экспериментальные методы базируются на подходах механики разрушения применительно к слоистым ПКМ и их клеевым соединениям, то на следующих уровнях аналитические подходы обычно затруднены и используются преимущественно численные методы, в первую очередь, метод конечных элементов. При этом расчетные и экспериментальные методы более высокого уровня базируются на результатах, получаемых на предыдущих уровнях, причем особенно важное значение во всех случаях имеют результаты, полученные на 1-м и 2-м уровнях.
На рис.1.2 показаны обычно наблюдаемые типы повреждений (дефектов, трещин) армированных слоистых ПКМ на трех основных уровнях (масштабах) их структуры: макро- (элементы конструкции или соединения); мезо- (слои ПКМ или адгезионные слои) и микро- (армирующие волокна и матрица), соответсвенно типы повреждений: сквозные трещины и расслоения по границе раздела элементов конструкции; трансверсальные и продольные внутри- и межслоевые трещины и расслоения; разрывы, отрывы и извлечение из матрицы отдельных волокон. При этом очевидно, что повреждения развиваются от микро- к макромасштабу.
Наиболее часто встречающимися опасными макродефектами в армированных ПКМ, являются дефекты типа нарушения сплошности, например, расслоения, непроклеи. трещины, крупные воздушные или газовые раковины, инородные включения, прочность в зоне которых равна или близка к нулю.
Кроме того, в ПКМ присутствуют дефекты на уровне микроструктуры: поры (зоны повышенной пористости), отклонения от оптимального соотношения матрицы и армирующего наполнителя, низкая степень отверждения связующего при формовании, нарушения ориентации волокон, складки, свили, поверхностные подмятия и царапины и т. п., в зоне которых отмечается пониженная прочность материала[25].
Рисунок 1.2 Схема основных уровней структуры армированных слоистых ПКМ и типы типичных повреждений на этих уровнях
Дефекты ПКМ различаются: по происхождению (возникают на стадии изготовления, хранения, транспортировки или эксплуатации); местоположению в детали (поверхностные, изолированные или выходящие на кромку детали); глубине залегания: раскрытию; размерам в плане данных структурных неоднородностей (макродефекты - свыше 60-100 мкм, которые обычно локализованы в объеме материала конструкции, и микродефекты - размером до 60-100 мкм. как правило, распределенные в объеме материала или в значительной его части). Например, пора (микродефект) имеет размер менее 100 мкм, воздушное включение типа раковины (макродефект) - более 100 мкм.
К первой группе наиболее опасных дефектов относится низкая степень отверждения связующего при формовании. Чаще встречаются дефекты типа расслоений (вторая группа опасности), трещин (третья группа), локальных несоответствий норме состава материала (четвертая группа).
Сложность состава ПКМ, многообразие форм армирующих наполнителей, различные технологии изготовления препрегов и методов формования обусловливают и многообразие получаемых дефектов. Например, на этапе изготовления жгутовых препрегов могут быть получены дефекты типа: нарушения состава компонентов, раздвижки и скручивания жгутов, образования местных непрочитанных участков, натеков связующего, стыков и нахлестов отдельных жгутов, повышенной или пониженной плотности раскладки жгутов и связанной с этим разной плотности укладки жгутов в препреге и, как результат, изменения толщины монослоя препрега. На этапе изготовления тканого препрега помимо дефектов, привнесенных самой тканью: близна, провисание фона ткани, наработанный пух, повышенная влажность и т.д., могут появляться такие дефекты, как: местные натеки связующего, нарушение состава компонентов, смещение текстуры ткани, складки от воздействия разделительного слоя.
На этапе раскроя, если используется качественный препрег без нарушений условий его хранения, из наиболее часто встречающихся дефектов можно выделить следующие: нарушение угла вырезки, подрез отдельных нитей, нарушение текстуры при снятии шаблона, деформирование раскроя при транспортировке, отклонение места реза от контура шаблона, нарушение текстуры наполнителя в зоне реза.
На этапе сборки пакета (выкладки) могут появиться дефекты, связанные с нарушением угла выкладки, смешением зоны выкладки, искривлением структуры препрега в плоскости слоев (искривление волокна), образованием волнистости препрега из-за неравномерного натяжения при выкладке и изменения усилий прикажи, которое может привести к искривлению волокон в плоскости или формированию складки. Вероятность образования или тенденции образования дефектов на этапе выкладки для толстостенных деталей особенно велика из-за большого количества слоев и интенсивного уменьшения жесткости подложки с каждым выкладываемым слоем.
На этапе формования деталей могут возникнуть следующие дефекты: складки и искривления волокон в результате уплотнения и перемещения материала, нарушение состава материала, натеки связующего или раковины из-за неравномерного температурного поля: подмятая из-за попадания на поверхность наружных слоев посторонних включений, забоин на оснастке, от стыков разделительных пленок, цулаг или впитывающих слоев: расслоения и трещины от внутренних напряжений в материале, возникающих при проведении термообработки или при охлаждении детали или при небрежном снятии детали с оснастки.
На этапах транспортировки, хранения, механической обработки возможно возникновение дефектов типа сколов, царапин, забоин, выкрашивание в зоне механообработки, отрыв поверхностных слоев и образование трещин от воздействия инструмента.
Известно, что рекомендуемый верхний предел рабочей температуры материалов с термореактивной матрицей соответствует 95-98% степени конверсии реакционно-активных групп. При этом обеспечивается характерный для данного материала уровень температуры стеклования и связанная с ней теплостойкость материала. Различные дефекты по-разному влияют на физико-механические свойства материала и чаще всего уменьшают прочность деталей и конструкций из ПКМ [4, 5]. Достаточно большое расслоение вызывает катастрофическое разрушение материала вследствие потери межслойной сдвиговой прочности вызванной наличием пор на границе раздела волокн-матрица. Снижение прочности зависит от схемы армирования и расположения дефекта, и для ПКМ с армированием [0; 45; 90; -45]is это снижение составляет: 9% при расслоении в слое с ориентацией 0°, 17% при расслоении в слое с ориентацией 90°.
На рис. 1.3— 1.4 представлены фотографии шлифов деталей из углепластика (канал воздуховода самолета), иллюстрирующие дефекты монолитных конструкций вызванных наличием пор. На рис. 1.3 (а) видно, что рост дефектов имеет прерывистый характер. Характерное расслоение в результате слияния пор поперек слоев представлено на рис. 1.1 (б). Расслоения с малым раскрытием можно наблюдать на рис. 1.4 (а), а на рис. 1.4 (б) видны едва заметные трещины в углепластике (в левой верхней части фотографии).
а б
Рисунок 1.3. а — Прерывистость расслоения углепластика
б — Расслоение между кольцевыми и продольными слоями углепластика с трещиной поперек слоев
а б
Рисунок 1.4. а — Расслоения с малым раскрытием в слое углепластика
б — Трещина под заклепкой. Заклепка в нижней части снимка
Усталостные разрушения структуры материала приводят к потере прочности на сжатие при статической нагрузке.
Наличие такого разнообразия дефектов в ПКМ, трудности выявления и оценки их влияния на снижение характеристик материалов требуют применения современных методов прогнозирования основанных на моделировании деформационно - прочностных свойств. Кроме того, направленное регулирование упруго – прочностных свойств полимерных матриц путём модификации помимо улучшения механических характеристик повышает устойчивость матрицы к развитию дефектов.