Структура и свойства полимерных волокнистых композитов

Таблица 4.6. Зависимость демпфирующей способности композитов с разной структурой армирования от уровня относительных деформаций

энергии увеличивается (табл. 4.6). С повышением уров­ ня напряжений в 8— 10 раз демпфирующая способность материала возрастает в 1,5—2 ,раза, что положительно сказывается на работе деталей при резонансных колеба­ ниях.

Наибольшее увеличение логарифмического декре­ мента затухания колебаний при изменении деформации происходит при нагружении под углом к направлению армирования в диапазоне л/6—я/3 относительно оси на­ гружения. При этом пятикратное повышение нагрузки приводит к возрастанию демпфирующей способности в 3—4 раза, а при углах армирования 0 и я/2 и таком же росте уровня нагружения логарифмический декремент затухания колебаний увеличивается только на 5— 10%.

Демпфирование и саморазогрев композитов. Лога­ рифмический декремент затухания колебаний определя­ ет механизм усталостного разрушения композитов — ме­ ханический или тепловой. В отличие от металлов поли­ мерные композиты имеют высокий логарифмический декремент затухания колебаний (в 5— 10 раз выше) и меньшую теплопроводность, что приводит к значитель­ ному разогреву их при циклическом нагружении, со­ провождающемуся изменением прочностных и деформативных характеристик. Возможны два случая разогре­ ва материалов при нагружении. Для первого характер­ на стабилизация .температуры во времени, для второ­ го — явление саморазогрева, приводящего к разруше­ нию материала. Интенсивность разогрева полимерных материалов определяется частотой нагружения, уров­

171

нем напряжений, степенью демпфирования и условия­ ми теплоотвода — теплопроводностью * и теплоемкостью. Саморазогрев композитов может быть причиной пони­ жения уровня их рабочих температур при высокочастот­ ном нагружении [133]. Дело в том, что в процессе ра­ боты материала с повышением уровня напряжений и частоты нДгружения возникает опасность их спонтан­ ного разогрева й разрушения, что необходимо учиты­ вать при определении верхнего температурного предела эксплуатации. Для карбоволокнитов критические температуры'на'10— 15 К ниже температур^стеклования свя­ зующих.

Демпфирующая способность полимерных матриц и композитов на их основе во многом зависит от темпера­ туры, что объясняетсязначительными физическими из­ менениями связующих при нагревании. Температурные пики потерь для полимерных связующих в зоне умерен­ ных температур могут возникнуть при высокочастотных колебаниях композитов и привести к их саморазогреву.

В условиях высокочастотного нагружения без до­ полнительного охлаждения происходит интенсивное по­ вышение температуры с самого начала приложения .на­ грузки. Тепловыделение увеличивается с ростом числа циклов нагружения настолько быстро, что приводит к тепловому разрушению материала. При дополнитель­ ном охлаждении характер саморазогрева композита оп­ ределяется интенсивностью охлаждения. В условиях за­ трудненного теплоотвода возможно тепловое разрушен ние материала, вплоть до eFO обугливания. При доста­ точно интенсивном' охлаждении в процессе усталостного разрушения в материале появляются трещины или про­ исходит его разрыхление в зоне максимальных дефор­ маций. Перед разрушением композита температура ра­ зогрева несколько возрастает.

Таким образом, одной из главных причин высокой чувствительности полимерных композитов к нагреву при циклических испытаниях являются большие гисте­ резисные потери й низкая теплопроводность, в резуль­ тате чего при циклическом нагружении они нагревают­ ся. Вследствие этого на температурный режим испыта­ ния влияет не только температура окружающей среды, но и дополнительный саморазогрев материала, завися­ щий от частоты, амплитуды нагружения- и вида дефор-

172

Рис. 4.13. Зависимость температуры саморазогрева полиэфирного стеклопластика' от амплитуды (а) и частоты нагружения (б) при циклических испытаниях:

1 — растяжение — сжатие; 2 — сжатие; 3 — изгиб.

мирования. На рис. 4.13 приведены результаты изуче­ ния саморазогрева образцов стекловолокнита при цик­ лических испытаниях, из которых следует, что темпера­ тура разогрева зависит от амплитуды напряжений и частоты цикла и нелинейно возрастает с увеличением приложенных напряжений и частоты нагружения. Наи­ больший разогрев стекловолокнита имеет место при симметричном растяжении — сжатии, а наименьший — при циклическом изгибе.

С повышением температуры испытания усталостная прочность композитов понижается, температурная за­ висимость усталостной прочности определяется темпе­ ратурной зависимостью отношения прочности матрицы к его модулю упругости,, так как модуль упругости ар­ мирующих волокон в диапазоне рабочих температур матрицы'практически не изменяется. С повышением температуры прочность стекловолоцнитов понижается в большей ~ степени, чем боро- и карбоволокнитов (табл. 4.7). Это объясняется тем, что из-за более высо­ кой теплопроводности борных* и углеродных волокон по сравнению с органическими и стеклянными уменьшает-' ся степень их саморазогрева. С ростом температуры уровень возникающих в матрице напряжений остается тем ниже, чем выше модуль упругости волокон и ниже модуль упругости матрицы,

173

Таблица 4.7. Усталостная прочность* эпоксидных композитов при различных температурах

* На базе 10т циклов.

При оценке свойств композитов используют пара­ метр вибропрочности, представляющий собой произве­ дение усталостной прочности на демпфирующую спо­ собность материала [1]. При действии нагрузок под углом к направлению армирования усталостная проч­ ность материала уменьшается, а демпфирующая способ­ ность возрастает (рис. 4.14). Максимальное значение па­ раметра CTJV0 достигается при нагружении композита не вдоль оси армирующих волокон, а под некоторым углом к ней. Оптимальный угол укладки волокон в стекловолокнитах равен я/6, а в карбо- и бороволокнитах— около я/12, т. е. смещается в сторону меньших значе­ ний. Это смещение обусловлено более отчетливо выра­ женной зависимостью усталостной прочности от угла ориентации наполнителя и высокими (при углах арми­ рования около я/12) коэффициентами взаимного влия­ ния, определяющими максимальный уровень деформа­

ции сдвига, а следователь­ но, и наибольшую демпфи­ рующую способность этих материалов.

. Меняя ориентацию во­ локон относительно оси на-

Рис. 4.14. Зависимость параметра вибропрочности карбоволокнита ( 1) и стекловолокнита (2) от угла нежду направлениями нагружения н ориентации армирующих воло­

к и ,

174

Гружёния, можно изменять собственные частоты коле­ баний пластин из стекловЬлокнитов в 1,6 раза, карбоволокнитов — в 2,5 раза, бороволокнитов — в 3 раза. Это указывает на возможность избежания резонансных ре­ жимов работы деталей путем использования анизотро­ пии упругих постоянных композитов при изменении ориентации армирующего наполнителя. Во избежание резонансных колебаний достаточно на 15—20% изме­ нить собственные частоты наиболее опасных форм, по­ этому данный способ является эффективным средством повышения вибрационной надежности изделий. У в.ысокомодульных боро- и карбоволокнитов возможный диа­ пазон отстройки от резонанса шире, чем у, стекловолокнитов.

4.2.Статическая усталость

иползучесть

Особенностью полимерных волокнистых компози­ тов является их чувствительность к продолжительности и направлению действия нагрузки. Деформативные и прочностные свойства композитов при длительном ста­ тическом нагружении определяются реологическими свойствами полимерного связующего и армирующих во­ локон, их содержанием и ориентацией в материале и зависят от вида напряженного состояния и темпера­ туры.

Воздействие на материал постоянного напряжения сопровождается ползучестью — нарастанием во времени деформации материала. Увеличение деформации в об­ щем случае связано с изменением конформации сегмен­ тов полимерных молекул, разрывом межмолекулярных связей и их рекомбинацией, образованием микротрещин и является следствием накопления повреждений в ма­ териале. Повреждаемость композитов проявляется в растрескивании матрицы, нарушении сцепления по по­

тканями, дополнительный рост деформации при стати­ ческом нагружении вызывается выпрямлением отдель­ ных волокон.

При описании деформативных и прочностных свойств волокнистых композитов принимается, что армирующие

175

волокка являются идеально упругими, а полимерное связующее представляет собой упруговязкий материал, поведение которого описывается интегральным уравне­ нием Больцмана — Вольтерра [135— 137]:

где Ем— мгновенный модуль упругости; Я м — модуль упругости при продолжительном нагружении; /гм — коэффициент времени релакса­ ции связующего.

Если точность описания кривой ползучести (рис. 4.15) уравнением (4.9) недостаточна, .то используют более сложные уравнения, содержащие большее число коэф­ фициентов релаксации, которые определяются по кри­ вым ползучести [134].

В отличие от*полимерного связующего армирующие наполнители, за исключением ряда органических воло­ кон, обладают малой ползучестью. Как видно из рис. 4.16, деформативные свойства стеклянных и бор­ ных нитей во времени практически не изменяются.

Деформация однонаправленного композиционного, материала при нагружении вдоль волокон описывается уравнением [35]:

Из уравнения (4.10)^ следует, что ползучесть компо­ зита уменьшается с увеличением степени наполнения, модуля упругости армирующих волокон и модуля дли­ тельной упругости связующего. На рис. 4.17 приведены кривые ползучести ряда волокнистых композитов на ос­ нове эпоксидных смол, 'свидетельствующие о том, что наименьшей ползучестью при приложении напряжения, равного -0,25 от предела прочности композита, облада­ ют боро- и карбоволокниты. В процессе ползучести происходят релаксация и перераспределение напряже­ ний во времени между компонентами композита, в ре­ зультате чего действующие напряжения в волокнах воз-

1 7 6

баь;ГПа

Рис. 4.16. Кривые длитель­ ной прочности борного во­ локна (У) и стеклянной нити (2).

Рио- 4.15. Кривые ползучести эпоксидного связующего при Г = 3 0 0 К при напряжении: *

1 — 80 МПа; 2 — 60 МПа; 3 — 30 МПа; 4 — 15 МПа.

растают, а в полимерном связующем уменьшаются. С увеличением деформации в процессе ползучести на­ блюдается понижение модуля упругости композита. На рис. 4.18 приведены результаты экспериментов, полу­ ченные при исследовании процесса изменения модуля нормальной упругости при нагружении фенолоформальдегидного стеклотекстолита постоянным сжимающим напряжением, составляющим 0,4 от кратковременного разрушающего.

Длительная прочность .композиционных материалов в зависимости от вида напряженного состояния (растя-

Рис. 4.17. Кривые ползучести при ст*+=0,25 а*+ -(а) и длительной

прочности (б) эпоксидных композитов:

1 — бороволокнит; 2 — карбоволокнит; 3 — стекловолокнит; 4 — стеклотекстолит.

177

Рис. 4.18. Кривая изменения во времени модуля упругости стек­ лотекстолита на фенолоформальдегидном связующем.

жения и сжатия вдоль волокон) определяется следую­ щими аналитическими выражениями [35, 135]:

где ъх и 7я/4— предельные деформации композитов при растяжении

вдоль волокон и сдвиге под углом я /4 соответственно; fi+ и /Л — операторы, характеризующие упруго-наследственные свойства ком­ позитов при длительном нагружении постоянной нагрузкой.

Операторы ft+ и ftx являются функциями времени нагружения, коэффициента армирования, модуля упру­ гости армирующих волокон и реологических характе­

Появление характеристик сдвига в уравнении (4.12) связано с тем, что разрушение при сжатии происходит от сдвига в плоскости, ориентированной под некоторым углом к направлению-действующей силы.

Временная зависимость прочности при межслойном сдвиге описывается уравнением [35]:

178

Таблица 4.8. Коэффициенты длительного сопротивления композитов статическому нагружению [137]

представляет собой площадь диаграммы а—е в момент разрушения матрицы. Показатель k служит мерой не­ линейности зависимости т—у.

На рис. 4.19 показано изменение отношения дли­ тельной прочности за врем я^ к разрушающему напря­ жению стекловолокнита при кратковременном нагру­ жении. Эту характеристику принято называть коэффи­ циентом длительного сопротивления &*= а*/а0. Из ри­ сунка видно, что kt зависит от вида нагружения и умень-

tipi)ГПа

Рис. 4.19. Зависимость отноше­ ния длительной прочности к разрушающему напряжению при растяжении (1), сжатии

(2)и межслойном сдвиге (5)

Рис. 4.20. Зависимость длительной прочности при растяжении от времени нагружения ортогонально-армированного стекловолокнита (5 1). Образцы вырезаны под углом <р, равным:

/ — 0; 2 — Jt/12; 3 - я/6 ; 4 — Я/2.

179

шается в ряду: растяжение>сжатие>сдвиг. Приведенные в табл. 4.8 значения коэффициентов

длительного сопротивления различных композитов за время нагружения до 1000 ч показывают, что с увели­ чением модуля упругости волокон длительная проч­ ность композитов возрастает.

Для всех волокнистых композитов характерно явле­ ние анизотропии длительной прочности (рис. 4.20). Связь между длительной прочностью и логарифмом долговечности, как правило, является линейной и име­ ет вид ot= A —B\gt„ где А и В — константы материала. Длительная прочность в любом направлении для одно­ направленных и перекрестно-армированных композитов мажет быть вычислена по приведенному уравнению при подстановке прочности, соответствующей долговечно- . сти материала [135, 136].

Прочность композитов является функцией темпера­ турно-временного воздействия. При длительном стати­ ческом нагружении прочность материалов уменьшается в результате накопления в нем повреждений. В общем виде длительная прочность при растяжении (или долго­ вечность— время до разрушения при заданном напря­ жении) полимерных материалов достаточно хорошо опи­ сывается известным уравнением Журкова для зависи­

Регелем предложено распространить это уравнение на композиционные материалы, используя правило ад­ дитивности для расчета параметров U0, у, исходя из упруго-прочностных характеристик компонентов мате­ риала и его состава [138].

На рис. 4.21 и 4.22 приведены экспериментальные данные зависимости длительной прочности при растя­ жении и изгибе от температуры и времени нагружения для стекло-, боро- и карбоволокнитбв.

Линейная зависимость между Длительной прочно­ стью и логарифмом долговечности композитов прд на­ гружении их в направлении армирования и под углом

кнему сохраняется и при повышенных температурах.

Сповышением температуры испытания долговечность

180