Механика композитных материалов 3 1980

8.Wu E. M., Scheublein J. K. Laminate strength — a direct characterization procedure. — In: Composite Materials: Testing and Design (Third Conf.). ASTM STP 546, Amer. Soc. for Testing and Mater., 1974, p. 188—206.

9.Лагздинь А. Ж ■ О разложении скалярной функции на единичной сфере S'1-1 компонентами тензоров. — Механика полимеров, 1974, № 1, с. 30—36.

10.Рикарде Р. Б., Чате А. К. Начальная поверхность однонапрапленно армирован­

ного композита при плоском напряженном состоянии. — Механика полимеров, 1976,

№4, с. 633—639.

11.Рикарде Р. Б., Брауне Я. А. Аппроксимация поверхностей прочности при пло­

ском напряженном состоянии. —• Механика полимеров, 1974, № 3, с. 406—414.

12. Крегер А. Ф. Алгоритм отыскания минимума функции многих переменных мето­ дом спуска. — Алгоритмы и программы, 1974, № 2, с. 9— 11.

13. Зилауц А. Ф. Алгоритм графического построения аксонометрической проекции трехмерной поверхности. Госфонд алгоритмов и программ. Инв. № П 003946.

УДК 539.612:678.067

С. В. Перминов, В. С. Куксенко, В. Е. Корсуков

КИНЕТИКА РАЗРУШЕНИЯ АДГЕЗИОННЫХ СЛОЕВ В КОМПОЗИТНЫХ СИСТЕМАХ

Вопросы адгезионной прочности композитных систем являются од­ ними из наиболее сложных и мало изученных в проблеме прочности композитов. Это обусловлено тем, что многие физические методы иссле­ дования твердых тел — «объемные» по своему принципу. Адгезионная прочность, как правило, обусловлена химическим и физическим строе­ нием тонких слоев атомного масштаба. В связи с этим особое значение приобретают феноменологические исследования разрушения адгезион­ ных слоев, позволяющие получить информацию о кинетических парамет­ рах, характеризующих энергию связей в этих слоях и их структурную гетерогенность.

В настоящей работе представлены результаты исследований адгезионной прочности простых контактных пар: подложка—тонкая пленка, где подложками служили плат тинки из ситалла или керамики 22ХС, на которые напылялись в вакууме (давление оста точных газов — 10~5 бар) на установке УВН-М тонкие металлические пленки алюминии и хрома при режимах, обеспечивающих высокую прочность адгезионного контакта

Учитывая большой разброс экс­ периментальных данных при испыта­ ниях адгезионных слоев на долговеч­ ность, для каждой фиксированной

температуры исследовали не менее 30—40 образцов. Схема испытаний адгезионных контактов на отрыв и сдвиг представлена на рис. 1.

Необходимую площадь отрыва в виде отдельных круглых островков получали с помощью фотолитогра­ фии, обеспечивающей высокую вос-

Рис. 2.

Рис. 1. Схема испытаний: 1 — подложка; 2 — пленка хрома или алюминия; 3 пленка меди; 4 — припой; 5 — вспомогательный цилиндр.

Рис. 2. Силовые зависимости долговечности для адгезионных соединений при разик

проИзвоДимость образцов по площади. Исследования проввдёны в камере тепла и холода с точностью поддержания температуры ± 5 ° С.

На рис. 2 показаны температурно-временные зависимости долговеч­ ности ряда адгезионных соединений. Несмотря на большой разброс экс­ периментальных точек, для каждой контактной пары можно получить семейство прямых, пересекающихся при экстраполяции в одной области при 1g тад= —12± 2, если предположить линейную зависимость lgTan(oBii) и обработку опытных данных вести по методу наименьших квадратов. Полученные экспериментальные данные позволяют считать, что разру­ шение адгезионных контактов может быть описано с помощью урав­ нения [1]

где то ад — постоянная, равная 10~12—10-13 с; 1)$ад — энергия активации разрушения; у — коэффициент перенапряжений исследуемой адгезион­ ной пары; сгш, — нагрузка на единицу площади адгезионного слоя; k — постоянная Больцмана; Т ■— абсолютная температура. При перестроении зависимостей 1етад(с7вн) в координатах lgтад(1/Т') для любой исследо­ ванной адгезионной пары имеет место «эффект смещения полюса». По­ этому, согласно [1], при таком усложнении зависимостей расчет кинети­ ческих параметров уравнения (1) следует производить не по наклону прямых, а для каждой экспериментальной точки отдельно по формуле

где то ад принимают равным 10-13 с. На рис. 3 представлены рассчитанные по формуле (2) зависимости энергетического барьера разрушения от приложенной нагрузки опнИз рисунка следует, что зависимость энер­ гии активации от величины нагрузки линейная, поэтому величины (У0ад определяем экстраполяцией построенных прямых к опн = 0, а по наклону этих прямых находим коэффициенты у. Вычисленные значения кинетиче­ ских параметров представлены в табл. 1.

Из таблицы следует: а) величина энергии активации имеет значение трех-четырех десятков ккал/моль, что говорит об образовании химиче­ ских связей в адгезионном слое; б) энергия активации разрушения адге­ зионного слоя меньше энергии активации разрушения компонентов, об­ разующих адгезионный контакт; в) коэффициенты перенапряжений ад-

Рис. 3. Зависимости энергетического барьера разрушения от внешней нагрузки для адге­ зионных контактов. Обозначения те же, что на рис. 2.

гезионного слоя больше соответствующих коэффициентов перенапряже­ ний для монолитных образцов.

Можно предположить, что разное значение энергии активации при разрушении адгезионного слоя и энергии активации при разрушении компонентов, образующих адгезионный контакт, является следствием их физико-химической несовместимости. С этой целью были проведены тем пературно-временные испытания адгезионных контактов металл—ме­ талл (хром—медь, алюминий—медь), которые показали подобную зави­ симость адгезионной долговечности от величины приложенной нагрузки и температуры испытания, как и адгезионные контакты металл—ситалл. металл—керамика. Рассчитанные кинетические параметры для таких контактов также представлены в табл. 1, из которой видно, что и для адгезионных контактов металл—металл наблюдается разное значение между энергией активации разрушения адгезионного слоя и энергией активации разрушения компонентов, образующих адгезионный контакт. Эти результаты показывают, что при формировании адгезионного кон­ такта в процессе напыления как между пленкой и подложкой, так и между двумя пленками происходит образование промежуточного слоя, энергетический барьер разрушения которого отличается от энергетиче ского барьера разрушения исходных компонентов. Например, ряд авто ров объясняет высокую адгезию к стеклу различных легко окисляю­ щихся металлов образованием на границе раздела промежуточного слоя окисла, в то же время другие для объяснения своих результатов пред­ лагают концепцию образования промежуточных сплавов или интерме­ таллических соединений [2, 3].

Исходя из изложенного для определения количественного и качест­ венного состава адгезионного слоя после разрушения была проведена профилирующая по глубине Оже-спектроскопия. Измерения проводи лись на электронно-ионном спектрометре фирмы «Лейбольд Гереус» Образцы помещались в вакуумную камеру (давление во время работа

= (0,01—0,03) мА, амплитуде модуляции 1—5 В. Для выявления хими­ ческого состава приповерхностных областей на различную глубину о б

Оже-пиков, проявившихся в спектрах при исследовании образцов, пред­ ставлены в табл. 2. Здесь же показаны их отнесения [4], интенсивность и рассчитанные на этом основании значения атомной концентрации каждого элемента. Атомная интенсивность Са рассчитывалась по соот­

ношению

Н&

СЛ = 1

Sxi ’

где Н а — интенсивность Оже-пмка элемента A ; H i ■— интенсивность Оже-пика элемента t; Sx — эффективное сечение возбужденного Ожеперехода, соответствующего этому пику при данном Ер\ £ — функция, учитывающая величину электронного тока, чувствительность и ампли­ туду модуляции при регистрации спектра.

Из таблицы следует, что любой из рассмотренных адгезионных кон­ тактов содержит в плоскости контактирования окисный слой металла, а также замороженные примесные элементы (углерод), что, очевидно, и явилось одной из причин снижения энергии активации разрушения адге­ зионного слоя по отношению к энергиям активации разрушения его компонентов.

Кроме того, наличие напыленного алюминия на керамике после раз­ рушения показывает, что при разрушении адгезионного контакта алю­ миний—керамика процесс разрушения происходит не только по адгези­ онным связям, но и по алюминию, обладающему более высоким энер­ гетическим барьером разрушения по отношению к энергетическому барьеру, определенному из опыта. В связи с этим возникла необходи­ мость проверки величины энергии активации, определенной по уравне­ нию (2 ), данными эксперимента.

Если предположить, что, как и для твердых тел, между энергией активации разрушения адгезионных связей и температурой их «плавле­ ния» наблюдается линейная зависимость [5] и 0ад(Тпл), то для получен­ ных значений энергии активации температура, при которой бы происхо­ дило резкое уменьшение силы связи между компонентами, составляла бы для контакта хром—керамика 420° С, а для остальных контактов

гией активации разрушения и0(Тил) показывает, что первая критическая температура соответствует энергии активации разрушения, равной для алюминия 35 ккал/моль, для хрома 45 ккал/моль (см. табл. 1), т. е. прак­ тически совпадает с энергиями активации разрушения, определенными по уравнению (1). Величины энергии активации, соответствующие вто­ рой критической температуре (для алюминия 50 ккал/моль, для хрома 55 ккал/моль), намного больше энергий активации, вычисленных по уравнению ( 1 ).

Температурные зависимости сопротивления многослойных ультратонких пленок также показывают скачкообразный характер. Для пленок алюминий—медь (см. рис. 4) скачкообразное увеличение сопротивления при температуре 350—370° С легко объяснить резким усилением диффу­ зионных процессов, ведущих к образованию на границе раздела проме­ жуточной фазы (интерметаллического соединения [3]). Дальнейшее диф­ фузионное перемешивание ведет, очевидно, к вытеснению кислорода по границам зерен, и, наконец, при температурах 600° С происходит образо­ вание островковой структуры полученной системы. Подобная зависи­ мость сопротивления пленок, но при более высоких температурах, наблюдается и для двухслойной композиции хром—медь (см. рис. 4).

Первые «критические» температуры таких пленок и были опробо­ ваны для вычисления по зависимости Но^пл) энергии активации разру­ шения адгезионных соединений (см. табл. 1). Как видно из таблицы, и для адгезионного контакта двух металлов наблюдается хорошее соот­ ветствие между энергиями активации разрушения, определенными по «критическим» температурам диффузионного перемешивания и на ос­ нове уравнения (2 ).

Таким образом, результаты температурных исследований ультратоиких пленок и Оже-спектрометрические исследования подтверждают концепцию образования в адгезионном слое некоторой «объемной» про­ межуточной фазы (слоя окисла, интерметаллического соединения), характеризующейся своими новыми прочностными свойствами. При этом процесс разрушения таких переходных слоев, очевидно, может происхо­ дить и за счет реактивных диффузионных процессов, сохраняя свой термофлуктуационный характер. Однако для полного понимания меха­ низма разрушения адгезионных слоев требуется дальнейшее развитие

подобных исследований. При этом, как показано в последних работах [6 , 7], необходимо учитывать и возможность каталитического воздействия одного материала на другой.

Высокие значения коэффициентов перенапряжений, полученные при исследовании адгезионных контактов, еще раз подтвердили значитель­ ную неравновесность состояния адгезионных слоев по отношению к мас­ сивным образцам.

Выводы. 1. При изготовлении композитов из материалов, имеющих соизмеримую прочность, необходимо учитывать возможность образова­ ния в плоскости контакта «объемного» переходного слоя, обладающего новыми прочностными характеристиками, отличными от прочностных характеристик исходных компонентов.

2.Кинетический процесс разрушения таких слоев аналогичен про­ цессу разрушения твердых тел и описывается уравнением, аналогичным уравнению Журкова.

3.Линейная зависимость ^ т ад(1/7’) адгезионных слоев позволяет использовать данную методику исследования для прогнозирования дли­ тельной прочности нагруженных адгезионных соединений. При этом не­ обходимо учитывать конкретный характер распределения напряжений в адгезионном контакте.

4.Исследование кинетической природы прочности адгезионных кон­ тактов на модельных объектах позволяет детализировать процесс разру­ шения композитных материалов и выявить дополнительные пути повы­ шения механической прочности композитов.

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1.Регель В. Р., Слуцкер А. И., Томашевский Э. Е. Кинетическая природа прочносп: твердых тел. М., 1974. 560 с.

2.Технология тонких пленок. Т. 2. Справочник. М., 1977. 764 с.

3.Палатник А. С., Сорокин В. К■ Материаловедение в микроэлектронике. .М 1978. 277 с.

4. Palmberg Р. W. Handbook of Auger Electron Spectroscopy. 2nd. ed. 1976. 141 p

5.Петров А. И., Бетехтин В. И. Временные закономерности разрушения и ползу­ чести металлов при растяжении в условиях гидростатического давления. — Физпьг металлов и металловедение, 1972, т. 34, вып. 1, с. 39—47.

6.Мартин Дж., Доэрти Р. Стабильность микроструктуры металлических систем М„ 1978. 280 с.

7.Регель В. Р., Лексовский А. М., Поздняков О. Ф. Изучение кинетики разруше­

МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1980, № 3, с. 451—455

УДК 539.43:678.067

И. П. Барейшис, С. А. Даргужис

УСТАЛОСТНАЯ ПРОЧНОСТЬ НЕКОТОРЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В КОНСТРУКЦИЯХ ПЛАНЕРА

Широкое применение композитные материалы нашли в конструкциях планеров [1]. Лонжероны и оболочка крыльев, элементы корпуса и дру­ гие детали изготавливаются полностью из. композитных материалов. Це­ лый ряд деталей во время полета подвергается переменным нагрузкам. Поэтому необходимо изучить сопротивляемость циклическому деформи­ рованию материалов, используемых в конструкциях планеров.

Целью дайной работы является исследование усталостной прочности стеклоплас­ тика, армированного стеклоровингом РВМН-10, его связующего — эпоксидной смолы ЭД-20, углепластика горячего отверждения, армированного лентой ЛУ-2; эпоксидной смолы ЭД-20 с наполнителями в виде 20% ZnO и стеклянных микросфер величиной 3—4 мкм.

Испытания проводили на машине [2], работающей на консольный изгиб в режиме заданной амплитуды деформирования и позволяющей регистрировать изменения напря­ жений. Использовали образцы в виде пластинок прямоугольного сечения 100x40X 8 мм, которые закрепляли так, чтобы при нагружении в одних слоях возникали пульсирующие напряжения растяжения, а в других — пульсирующие напряжения сжатия. Это позво­ ляет определить чувствительность материалов к напряжениям сжатия или растяжения. Частота нагружения 10 Гц.

После закрепления образца на испытательной машине ее запускали со скоростью деформирования 3 цикл/мин, что соответствовало скорости нагружения при статических испытаниях 10 мм/мин; квазистатическнй модуль упругости Ев определяли по формуле

4PL3K Е0= ----------- .,

}ВН3

где К —• коэффициент, учитывающий дополнительный прогиб из-за анизотропии мате­

риала [3]. Затем скорость деформирования увеличивали до заданной частоты и по изме­ ренной величине усилия (точка А на рнс. 1) рассчитывали начальный динамический мо­ дуль упругости £ д“, а по данным изменения усилия (кривая 2 рис. 1) определяли жест­ кость после разного числа циклов деформирования. Следовательно, после однократного испытания образца получаем информацию о квазнстатнческой, начальной динамической и динамической жесткостях после желаемого числа циклов, что позволяет более точно судить о процессах, протекающих в материале при его циклическом деформировании. Температуру разогрева определяли с помощью термопар ХК, плотно прижатых снаружи в опасном сечении образца. Повреждаемость оценивали по методике [4].

На рис. 1 показана кинетика изменений силы и температуры разо­ грева при переменном консольном деформировании, общая для иссле­ дуемых материалов. Из приведенных кривых следует, что процесс уста­ лостного разрушения для данных материалов условно можно разделить на два этапа. Первый этап —■инкубационный период усталостного раз­ рушения, характеризуемый умеренным понижением жесткости и повы­ шением температуры разогрева, является более длительным и определя­ ется скоростью накопления повреждений в материале. Резкое изменение жесткости свидетельствует об исчерпании реальной долговечности и о