Механика композитных материалов 3 1983

МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1983, №> 3, с. 395—399

УДК 539.612:678.067.5

В. Ф. Зинченко

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ НЕКОТОРЫХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК К ИЗМЕНЕНИЮ АДГЕЗИИ МЕЖДУ КОМПОНЕНТАМИ СТЕКЛОПЛАСТИКА

Установление физических характеристик, чувствительных к явле­ ниям на границе раздела фаз композитных материалов, является важ­ ной задачей при разработке и создании методов и средств диагностики показателей их жесткости и прочности. При моделировании взаимодей­ ствия компонентов композита обычно предполагают идеальный контакт между армирующими волокнами и матрицей, позволяющий допускать неразрывность деформации, отсутствие контактного сопротивления и т. п. В других случаях композитный материал рассматривают как механическую смесь, компоненты которой нс связаны между собой хи­ мическими или физическими связями. Реальные армирующие мате­ риалы типа стекло-, органо-, углеволокон обладают, как известно, оп­ ределенной адгезией к связующим на основе эпоксидных, полиэфир­ ных и других смол, изменяющейся в широких пределах, в том числе в зависимости от технологии изготовления композита. Известны ме­ тоды косвенной оценки прочности склеенных систем без их разрушения путем, например, определения динамического модуля упругости адге­ зива (по скорости распространения ультразвуковых колебаний), изме­ рения его электрической емкости, теплопроводности и т. п. Однако, как отмечается в [1], неразрушающие методы оценки адгезионных соединений являются скорее методами «адгезиодефектоскопии», так как связь между измеренными физическими характеристиками склейки и ее адгезионной прочностью обычно имеет место вследствие появле­ ния в клеевом соединении пустот, непроклеев, трещин и других дефек­ тов, «слабых» мест, в то время как свойства самого адгезива остаются практически постоянными. В данной работе предполагалось путем мо­ дифицирования поверхности стеклянных волокон изменить характер ад­ гезионной связи между компонентами стеклопластика, а тщательным изготовлением модельных образцов исключить образование на границе раздела фаз дефектных участков типа распределенной микропористо­ сти, трещин и т. п. и, таким образом, оценить чувствительность изме­ ренных физических характеристик непосредственно к изменению ад­ гезии.

Изменение адгезии между компонентами стеклопластика достига­ лось химической обработкой волокон стеклоткани антиадгезивом. С этой целью предварительно очищенную от замасливателя ткань погру­ жали на несколько часов в 3% раствор триметилхлорсилана (CH3)3SiCl в бензоле (или авиабензине), после чего высушивали на воздухе, термообрабатывали при t= 120°С и отмывали в ацетоне. Незначительное изменение после модифицирования массы ткани (сотые доли процента) свидетельствовало о малой толщине образовавшейся пленки, которую, таким образом, можно было не учитывать как третий (по массе) ком­ понент композита с точки зрения влияния его на физико-механические свойства пластика. Образовавшаяся силиконовая пленка была полно­ стью гидрофобпа, и вода на ней не адсорбировалась.

Для проведения исследовании были изготовлены модельные образцы стеклоплас­ тика размерами 225x70x5 мм из стеклоткани марки «Э» полотняного переплетения и связующего на основе эпоксидной смолы ЭД-20, пластифицированной днбутплфта-

Влияние химической обработки стбкла на прочность адгезии к нему эпоксидной смолы

устойчивость объясняется образованием пространственно сшитых по­ верхностных слоев из кремнийорганических полимеров, связанных с мо­ лекулярной решеткой силикатного стекла ковалентными связями Si—О. В то же время наличие на внешней поверхности пленки «часто­ кола» из неполярных групп СН3 значительно ослабляет связь между полимерным связующим и модифицированной поверхностью стеклово­ локна.

Для оценки степени снижения адгезии эпоксидной смолы к модифи­ цированной поверхности стекла были проведены механические испы­ тания методом растяжения (отрыва) двух металлических цилиндри­ ческих образцов ф 12 мм, к торцевым поверхностям которых приклеи­ вались кружки стекла (метод грибков). Способ обработки стекла анти­ адгезивом, составы и режим полимеризации связующего были такими же, как при изготовлении образцов стеклопластика. Сопротивление от­ рыву стекла, обработанного триметилхлорсиланом, значительно снижа­ лось; при этом увеличивалось рассеяние значений оа (табл. 2).

В табл. 1 представлены средние значения физико-механических ха­ рактеристик исследованных образцов. Из рассмотрения полученных данных видно, что характер изменения показателей тех или иных свойств стеклопластика в зависимости от вида обработки армирую­ щегокомпонента находится в соответствии с отмеченными выше свой­ ствами поверхностных пленок антиадгезива. Так, например, существен­ ное увеличение (более чем в полтора раза) коэффициента светопропускаиия в поперечном к плоскости армирования направлении в образцах стеклопластика с модифицированной тканыо по сравнению с конт­ рольными образцами из чистой ткани вызвано, по-видимому, «залечива­ нием» поверхностных микродефектов выравниванием поверхности эле­ ментарных стекловолокон посредством прочно сцепленной с ней тонкой силиконовой пленки и уменьшением вследствие этого отраженного от волокон и рассеянного света. Улучшению светопропускания стеклоплас­ тика с модифицированной тканью может способствовать также соот­ ветствующее отношение показателей преломления материалов пленки и волокна, создающее эффект, известный под названием «просветле­ ние» оптики. Возрастание светопропускания, но в меньшей степени, наблюдалось также в образце стеклопластика, изготовленного из ткани с замасливателем.

Как и следовало ожидать, значения показателей свойств стекло­ пластика, характеризующих перенос энергии или поляризуемость в по­ перечном к плоскости армирования направлении, — коэффициента теп­ лопроводности Ху диэлектрической проницаемости е, тангенса угла ди­ электрических потерь tg б — в образцах с модифицированной тканью понизились (от 6,3 до 21,5%), что вызвано возрастанием переходного контактного сопротивления на сильно развитой поверхности волокнис­ той арматуры вследствие эффекта экранирования ее инертной (по от­ ношению к полимерному связующему) пленкой антиадгезива.

Характеристики композита, измеренные в направлении армирова­ ния, — скорость распространения продольных колебаний с и динами­ ческий модуль упругости Ну определенный по резонансной частоте /о изгибных колебаний — практически не изменились, что свидетельст­ вует о незначительном влиянии изменения характера взаимодействия компонентов на границе раздела фаз на упругие характеристики жест-

кого композита в направлении волокон. Более заметно (на 3%) умень­ шился модуль упругости образца стеклопластика из ткани с замасливателем вследствие несколько более низких значений его коэффициента армирования р, и плотности у.

Интересный, с точки зрения исследования взаимодействия компо­ нентов композита, результат получен при определении характеристик механических свойств стеклопластика. Показатели прочности при из­ гибе а» и межслойном сдвиге т образцов, изготовленных из обработан­ ной антиадгезивом ткани, оказались выше, чем у контрольных образ­ цов из чистой ткани и ткани с замасливателем. На наш взгляд, по­ добное повышение механических свойств стеклопластика в образцах с заведомо пониженной адгезией связующего к стекловолокну может быть вызвано помимо эффекта упрочнения стекловолокна «залечива­ нием» пленкой аппрета его поверхностных микродефектов также и сни­ жением напряжений, возникающих при формировании композита на границе раздела волокно—полимер, вследствие деформируемости ап­ прета и повышения эластичности тонких полимерных пленок, примы­ кающих к модифицированной поверхности стекла. В [1], например, отмечается положительное влияние иа прочность стеклопластика об­ работки стеклянных волокон замасливатслями при использовании смол (полиэфирных, эпоксидно-полиэфиракрилатных), имеющих большие усадки и значительные напряжения в адгезионном слое. Образование на поверхности волокон мягкой, «демпфирующей», прослойки способ­ ствует в этом случае рассасыванию напряжений и увеличению проч­ ности композита. Для ориентированных стеклопластиков на эпоксид­ ных связующих наибольшую прочность обычно получали на образцах,

и аппретов, в том числе тримстилхлорсилана, сделан вывод, что проч­ ностные свойства эпоксидных и фенольных стеклопластиков не зави­ сят от наличия химической связи между стекловолокном и связующим, а определяются углом смачивания стекловолокон связующим, причем обработка стекловолокна триметилхлорсиланом, резко ухудшавшим смачиваемость, приводила к существенному снижению прочности при изгибе сти (более чем на 30%) по сравнению с образцами из чистого стекловолокна. Учитывая использованный в указанной работе способ получения образцов стеклопластика (путем протягивания определен­ ного количества стекловолокна в стеклянные трубочки), не обеспечи­ вавший полной пропитки образцов связующим, а также приведенные данные по относительному содержанию компонентов в изготовленных образцах, можно заключить, что степень заполнения их связующим, а значит, их плотность, пористость, механические характеристики дей­ ствительно оказались функцией угла смачивания стекловолокон свя­ зующим. Если же отстроиться от влияния технологии изготовления на соотношение компонентов и дефектность образцов, то, как показали результаты данной работы, образование на поверхности волокон тон­ кой силиконовой пленки положительно воздействует на показатели ме­ ханических свойств стеклопластика, изготовленного на основе связую­ щего с малыми усадками.

Проведенное исследование позволило экспериментально оценить чувствительность показателей ряда свойств стеклопластика, опреде­ ляемых неразрушающими методами непосредственно в образце (или изделии), к изменению адгезии между армирующими волокнами и эпоксидным связующим в случае, когда другие характеристики струк­ туры композита (коэффициент армирования, плотность, пористость), также влияющие иа показатели его физико-механических свойств, со­ храняются постоянными. Выявлено, что такие характеристики компо­ зита в поперечном к плоскости армирования направлении, как коэф­ фициенты свстопропускания и теплопроводности, диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь, могут быть ис­

пользованы при условий Достаточной точности Их измерения Для кос­ венной оценки адгезионных явлений на границе раздела фаз стекло­ пластика. При одновременном изменении нескольких характеристик структуры материала, что обычно и имеет место в реальных компози­ тах и конструкциях из них, необходимо использовать многопараметровые методы диагностики показателей структуры и свойств компози­ тов [2, 9].

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1.Андреевская Г. Д. Высокопрочные ориентированные стеклопластики. М., 1966.

370 с.

2.Латишенко В. А. Диагностика жесткости и прочности материалов. Рига, 1968.

и физико-механических свойств стеклопластиков по их тепловой активности. — Меха­

топропускания для неразрушающего контроля армированных пластиков. — Механика

с.340—347.

8.Тростянская Е. Б., Пойманов А. М., Казанский Ю. Н. О зависимости проч­

ности стеклопластиков от изменения угла смачивания связующим гидрофобизированных стекловолокон. — Пласт, массы, 1964, № 8, с. 20—23.

МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1983, Ms 3, с. 400—406

УДК 539.3:678.067

Б. А. Арефьев, А. В. Гурьев, М. X. Шоршоров

МЕХАНИЗМ РАЗВИТИЯ НЕУПРУГОСТИ КОМПОЗИЦИИ С ПЛАСТИЧНОЙ МАТРИЦЕЙ И ХРУПКИМ ВОЛОКНОМ ПРИ ПОВТОРНО-СТАТИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ

Среди современных композитных материалов волокнистые компо­ зитные материалы (ВКМ) непрерывного армирования высокопрочными и высокомодульиыми волокнами занимают особое место. Обычно такие волокна имеют весьма высокие модуль нормальной упругости и предел прочности, значительно превышающие эти показатели конструкционных сталей. Применение таких исключительно перспективных материалов в сочетании с пластичной матрицей, например, алюминиевой, позволит использовать все благоприятные качества обеих составляющих при их совместной работе в композитном материале.

Прочностные свойства и механизм разрушения ВКМ изучены в на­ стоящее время достаточно полно [1]. особенно это касается волокон и поверхности раздела в металлических материалах. Значительно меньше уделено внимания работе металлической матрицы, находящейся в меж­ волоконном пространстве, хотя относительный ее объем в композитном материале занимает обычно более 50%. Для описываемого класса ВКМ можно принять, что высокопрочные волокна деформируются уп­ руго вплоть до момента разрушения материала, в то время как «мяг­ кая» матрица вступает в пластическую деформацию на очень ранней стадии нагружения образца. Именно поведение под нагрузкой матрицы определяет неупругие свойства композиционного материала, знание ко­ торых становится исключительно важным, если не решающим, при

кой дает диаграмма растяжения, которая для ВКМ изучена еще недо­ статочно, что обусловлено сложностью постановки экспериментов и малыми величинами деформаций — общая деформация составляет не­ сколько десятков процентов, а остаточная — только сотые доли про­ цента. Кривую напряжение—деформация ВКМ принято разделять на две области [2]: упругое волокно — упругая матрица и упругое во­ локно — пластичная матрица. Этим предполагается, что кривая растя­ жения состоит из двух участков и имеет излом при напряжении, равном пределу упругости (микротекучести). В связи с этим модуль упругости принято определять по формулам на первой стадии

применяемым не только при однократном нагружении; но и в более

по правилу аддитивности для ВКМ с непрерывными волокнами, мо­ жет считаться вполне оправданной (если, коично, для ВКМ можно выделить первую стадию, достаточной протяженности), то выражение

(2) нужно признать предельно упрощенным. Не решает полностью

этого вопроса и учет в уравнении (2) второго члена ЕтУт~ ^ ± \ 7т,

Знание действительных закономерностей деформации на второй ста­ дии отвечает условиям эксплуатации ВКМ [4]. Весьма малое проявле­ ние нсупругости, устанавливаемой на микроуровне по диаграмме растяжения композитного материала, не снижает исключительной важности анализа деформационного поведения исследуемого материала на микроуровне [5], что позволит более полно вскрыть природу и ме­ ханизм формирования физико-механических свойств материала исходя из свойств его структурных составляющих.

Целью настоящей работы является изучение закономерностей не­ упругого поведения ВКМ алюминий— бор при статических и повторно­ статических нагружениях; анализируются закономерности развития локальных пластических деформаций в «мягкой» матрице в процессе нагружения образца и устанавливается их взаимосвязь с ходом кривой растяжения ВКМ.

Кривая деформации и характеристики неупругого поведения ВКМ.

Рассматривая текущий момент нагружения, дадим бесконечно малое приращение деформации dz. Из геометрических построений, приведен­ ных на рис. 1, следует

где dom определяет величину падения напряжения в результате мгно­ венной релаксации напряжений, связанной с развитием локальных пластических деформаций по части площади fynp поперечного сечения матрицы (из рис. 1 следует, что dom = EQdzp, где dzp — микропластическая деформация, выявляемая по диаграмме растяжения).

Для случая, когда деформационным упрочнением матрицы можно пренебречь, запишем приращение нагрузки dP, вызываемое прираще­ нием деформации на dz:

где учтено, что матрица содержит упруго- и пластически деформиру­ ющиеся части, так что

Е 7пи ^ Е m Е m р = F V m Р О /и р .

Рис. 1. Схема, иллюстрирующая выделение упругом dey и пластической d e и состав­

1—4 указывают деформацию, по достижении которой производились разгрузка и последующее повторное нагружение).

Из уравнения (4) получаем выражение для определения мгновенного

модуля упругости:

где EjVf + EmVm = E0 и соответствует модулю упругости ВКМ, опреде­ ляемому по правилу смеси. Сравнивая выражения (3) и (6), заклю­ чаем, что величина мгновенного падения напряжения dom непосред­ ственно связана со способностью матрицы к развитию пластического

течения:

е

От = Ещ ^ 'O'mpdE.

О

Анализ кривой растяжения значительно упрощается, если принять для вычисления мгновенного модуля упругости

Е0—Е ДЕ

Ео EQ

Тогда из уровнения (5) следует, что доля пластически деформирующе­ гося объема «мягкой» матрицы в каждое мгновение нагружения будет определяться выражением

Ео

максимальная величина '&mp=V m, то наибольшее падение модуля упру­ гости ВКМ будет равно

Влияние повторных нагружений на закономерности развития не­ упругих процессов. Испытаниям на осевое растяжение подвергли плос­ кие образцы, вырезанные из листового ВКМ алюминий— бор с волок­ ном диаметром 100 мкм и объемной долей 0,23. Кривизна кривой рас­ тяжения ВКМ с высокопрочными хрупкими волокнами очень мала, поэтому целесообразно ее анализ производить по изменению первой

Чтобы было удобнее сопоставлять между собой различные матери­ алы по их склонности к развитию неупругих деформаций, графики же­

Первое нагружение ВКМ (неиагружавшегося ранее материала) по­ казывает высокий темп развития микропластических деформаций (кривая а). Модуль быстро приближается к своей минимально возмож­ ной величине [см. (7)], однако, как правило, не достигает его значе­

\Е /max

(®mp)max= Vm отмечены горизонтальной линией с наклонной штри­ ховкой.

объема «мягкой» матрицы dmp, вошедшей в пластическое деформиро­ вание, можно объяснить наличием остаточных напряжений, которые в матрице (после охлаждения ВКМ) всегда являются растягивающими. Следовательно, начальный участок кривой растяжения реального ВКМ наиболее существенно отклоняется от прямой линии, что не согласу­ ется с утверждением, приводимым, например, в работах [1, 4].

Материал матрицы в межволоконном пространстве находится в сложном напряженном состоянии, особенно в непосредственной бли­ зости от границы волокна с матрицей, что ведет к сдерживанию тече­ ния материала матрицы в областях, прилегающих к волокну. Этим можно объяснить наличие некоторого объема матрицы («мертвой зоны»), не входящей в пластическое деформирование, даже при весьма высоких напряжениях, близких к разрушению ВКМ, относительный объем которого равен (Vm —timp). Из рис. 2 следует, что при е = 4-10_3 относительный объем «мертвой зоны» для исследуемого материала ра­ вен ~ 4 % .

Предварительное нагружение образца растягивающей нагрузкой приводит к резкому изменению сопротивления деформированию при повторных нагружениях (кривая б рис. 2).

Если первое нагружение прекратить по достижении деформации, соответствующей на рис. 2 отметке 1, и разгрузить образец, то при

повторном нагружении изменение кЕ и Отр будет следовать не кри­

вой а, а кривой б, показывая, как видим, существенно большее сопро­ тивление развитию микропластических деформаций; однако при при­ ближении деформации к величине, достигнутой при первом нагружении,

закономерности изменения —=г и Отр вновь начинают следовать кри­

вой а.

Такой результат можно объяснить тем, что при первом нагружении

и знак, — они станут сжимающими [1], что будет способствовать по­ вышению сопротивления развитию микропластических деформаций, но только до деформации е = вь При продолжении нагружения (при e>Bi) дальнейший вход матрицы, не затронутой в процессе предварительного нагружения пластической деформацией, в пластическое деформирова­ ние будет осуществляться по прежнему закону, и зависимость '0'7Пр = = '0?пр(е) станет вновь следовать кривой а.

Если нагружение довести до отметки 2 (см. рис. 2), то объем плас­

$ тр = Се, и, следовательно, кривая растяжения а будет описываться параболической зависимостью вида

о = (Е / У/ + ЕтУт) е - ~ - г ° - .

Эта зависимость оказывается достаточно устойчивой при всех повтор­ ных нагружениях, если не приводит к структурным изменениям ВКМ. Уравнение (5) примет вид

Влияние повторных нагружений, приводящих к изменению в струк­ туре ВКМ. С целью более контрастного выявления влияния структур­ ных изменений, происходящих непосредственно 'в процессе нагружения образцов и отражающихся па ходе кривой растяжения, были исследо­ ваны ВКМ, получившие перед нагружением высокотемпературную обработку, приводящую к снижению их прочности и частичной дегра­ дации волокна [6]. При этом прочность ВКМ уменьшилась в два раза.

ния, как в предыдущих случаях, с хорошей точностью представляет линейную зависимость до напряжения, соответствующего уровню пер­ вого нагружения (рис. 3). Однако каждое повторное нагружение на больший уровень напряжений, во-первых, приводит к уменьшению на­ чального модуля упругости Е0 и, во-вторых, способствует уменьшению сопротивления развитию микропластических деформаций. Объяснение этим эффектам нужно искать в структурных изменениях ВКМ, прохо­ дящих непосредственно в процессе нагружения.

Образование пористости в материале, внося дополнительные кон­ центраторы напряжений, будет способствовать развитию локальных

торых представлен на рис. 3, величина параметра после третьей пере­ грузки увеличивается по сравнению с первой в 1,5 раза.