Механика композитных материалов 4 1979

Прочность углеродного волокна с покрытием при кручении (см. рис. 5) монотонно возрастает с уве­ личением толщины покрытия, что свидетельствует о достаточной проч­ ности сцепления покрытия с волок­ ном и указывает на химическую при­ роду сил сцепления. Было установлено, что при отсутствии достаточ­ ной адгезии покрытия с волокном величина скалывающего напряже­ ния остается на уровне исходного волокна и составляет 25—30 кгс/см2.

Исследования по изучению влия­ ния толщины покрытия на степень реализации прочностных свойств уг­ леродных волокон в композицион­ ном материале на основе полимер­ ной матрицы проводили на эпоксид­

ной смоле 5-211-Б. При этом использовали исходное углеродное волокно из одной партии с предварительно нанесенным на него покрытием из карбида кремния различной толщины. Результаты исследований проч­ ностных свойств композитного материала в зависимости от толщины по­ крытия из карбида кремния на углеродном волокне приведены на рис. 6.

Как видно, характер влияния толщины покрытия из карбида кремния на углеродном волокне на прочностные свойства композитного материала различен. Если прочность при сжатии при толщине покрытия 10—30 нм практически остается постоянной в пределах 65—70 кгс/мм2, то проч­ ность композитного материала при сдвиге имеет оптимальные величины при толщине покрытия 10—15 нм. Уменьшение или увеличение тол­ щины покрытия приводит к падению прочности. Последнее обстоя­ тельство может быть связано с образованием «чулка» из карбида кремния на поверхности жгута и в силу этого — с некачествен­ ной пропиткой элементарных волокон, составляющих жгут, связую­ щим. Это предположение, как видим, хорошо коррелируется с результа­ тами испытаний образцов композита на изгиб и растяжение, а также

Рис. 5. Влияние толщины покрытия б на прочность при кручении углеродного волокна с покрытием из карбида кремния тКр.

Рис. 6. Зависимость прочностных характеристик композитного материала от толщины покрытия на углеродном, волокне: 0В — при растяжении, стсд — при сдвиге, сг-в при

сжатии, Опз — при изгибе.

605

данными по пористости материала:

сувеличением толщины покрытия,

аследовательно, с повышением сте­ пени покрытия жгута карбидом

Заключение. Прочностные характеристики композитов на основе уг­ леродных волокон с покрытием из карбида кремния находятся в прямой зависимости от толщины покрытия и от пористости, что позволяет пред­ положить возможность увеличения степени реализации прочностных характеристик волокон с покрытием в композите путем повышения сте­ пени пропитки углеродного жгута связующим. Последнее находит под­ тверждение также в том, что при небольшой толщине покрытия на угле­ родном волокне (порядка 5 нм) пористость получаемого композита равна пористости материала на основе углеродного волокна без покрытия. Кроме того, как видно из рис. 3—в, «чулок» из карбида кремния не обра­ зует сплошного покрытия по всему периметру жгута. Наличие этих пред­ посылок, а также высокое сопротивление окислению углеродных волокон с покрытием из карбида кремния9 открывают широкие перспективы соз­ дания новых композитных материалов на их основе.

p.358.

4.Структура волокон. M., 1969. 400 с.

5.Moreton R. — Fiber Sci. Technol., 1969, vol. 1, N 2, p. 273.

6.Jones B. F., Duncan K. G. — Mater, sei., 1971, vol. 6, N 4, p. 289.

7.Дистлер F И. Рост кристаллов. T. 9, M., 1972. 201 с.

Поступило в редакцию 05.07.78

МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1979, М 4, с. 607—610

УДК 539.62:539.23:678

С. Б. Айнбиндер, О. С. Жеглов, В. М. Кремешный, Л. М. Либерман, I В. П. Ясинецкий\

ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОМПОЗИТНОЙ ПОЛИМЕРСОДЕРЖАЩЕЙ СМАЗКИ

В антифрикционных узлах, работающих в условиях граничного тре­ ния при высоких нагрузках, велика опасность заедания, зачастую веду­ щего к тяжелым авариям. Поэтому в используемые в таких случаях пластичные смазки добавляют противозадирные присадки, например, по­ рошок меди1. Достигаемое этим увеличение противозадирной стойкости смазки объясняется возникновением на контактирующих стальных по­ верхностях тонкого мягкого слоя меди, который, находясь на относи­ тельно твердой подложке, при действии локальных нагрузок Деформи­ руется, не разрушаясь, и тем самым предохраняет «основные» поверх­ ности трения от возникновения сильного адгезионного взаимодействия — схватывания с последующим развитием узлов сцепления. Предполагается также, что предел схватывания повышается при наполнении смазки по­ рошками олова, свинца и цинка2.

Возникает вопрос относительно возможности дальнейшего повышения противозадирной стойкости за счет введения в содержащую металл смазку полимерного порошка, ибо известно, что добавление в обычную смазку порошка полиэтилена и поликапроамида существенно повышает эксплуатационные свойства3.

Для выбора оптимального металлического наполнителя н проверки влияния поли­ мерного компонента были проведены исследования трибологических свойств смазки ЦИАТИМ-201 (ГОСТ 6267—59) н ее модификации, полученных в результате наполнения мелкодисперсными (размер частиц 50—80 мкм) порошками металлов — меди (ГОСТ 4960—75), цинка, олова, свинца, железа, а также термопластичных полимеров — поликапроамида и фторопласта-4В (ГОСТ 10007—62). Опыты проводили на образцах, изготовленных из сталей ЗОХГСА (твердость 440 кгс/мм2) и 40ХНМА (твердость 280 кгс/мм2). Шероховатость рабочих поверхностей образцов соответствовала 8-му классу. Смазка наносилась на промытые бензином Б-70 и высушенные образцы один раз в начале испытаний.

Испытания осуществляли в режимах, характерных для пар трения летательных устройств, работающих при граничной смазке, и вели при однонаправленном скольжении на модернизированной машине трения МИ-1 в условиях торцевого кольцевого контакта; скорости скольжения v составляли 0,18 и 0,5 м/с, удельные нагрузки руд — 6, 7, 20 и 50 МН/м2 (испытания на износ). При определении предела схватывания величину руд меняли в интервале от 10 до 310 МН/м2. Испытания при реверсивном скольжении осу­ ществляли на установке4 также при торцевом кольцевом контакте в режимах: руд — 65 МН/м2, амплитуда колебания А — от 0,05 до 0,2 мм, частота колебания f — от 2 до 55 Гц, база испытаний N — 40 000 и 80 000 циклов.

Предел схватывания определяли при ступенчатом нагружении по резкому возрас­ танию момента трения. Износ стальных образцов измеряли взвешиванием и путем за­ мера глубины каверн. Определение металла в образовавшихся при трении слоях осу­ ществляли на установке УРС-5. Температуру измеряли термопарами, выведенными на поверхность трения.

Стендовые испытания, моделирующие эксплуатационные режимы реальных пар тре­ ния, проводили на корпусе осевого шарнира и болте крепления лопасти несущего винта вертолета МИ-2.

607

Табл. 1

Предел схватывания и износ при трении образцов из стали ЗОХГСА по стали 40ХНМА

***Привес.

Втаблицах и на рисунках приведены средние значения шестикратных замеров определяемых параметров. Величина доверительного интервала при уровне достоверности 95% составляла 8—12% значения среднего арифметического.

Из табл. 1 следует, что предел схватывания в результате наполнения смазки медью существенно повышается. Оптимальный уровень содержа­ ния меди, при котором отмечен также минимальный износ Ат стальных образцов (рис. 1), составляет 13—17%. Наполнение смазки цинком, же­ лезом, свинцом и поликапроамидом снижает предел схватывания, а вве­ дение олова незначительно (по сравнению с медью) повышает его. Об­ ласть применения меденаполненной композиции ограничена, однако, из-за нестабильности эффекта при повышенной температуре. В паре тре­ ния сталь ЗОХГСА по стали 40ХНМА при реверсивном скольжении глу­ бина образующихся на поверхности образцов каверн Ah резко увеличи­ вается при превышении 100° С (рис. 2). Введение в смазку фторопласта-4 значительно снижает Ah при повышенных температурах. Минимальные значения Ah получены при использовании

смазки, содержащей 15% меди и 5% фторо­ пласта-4. Совместное наполнение смазки по­ рошками меди и фторопласта-4 обеспечивает

Табл. 2

Предел схватывания при трении образцов из стали ЗОХГСА по стали ЗОХГСА (однонаправленное трение, о = 0,5 м/с)

608

Рис. 2. Рис. 3.

ЦИАТИМ-201+ 9% фторопласта-4; 4 — ЦИАТИМ-201 +15% меди+5% фторопласта-4.

Рис. 3. Глубина каверн Ah на поверхности подвижного образца из стали ЗОХГСА при реверсивном скольжении в зависимости от частоты вибраций и состава применяемой

также наиболее высокий предел схватывания и минимальный износ стальных образцов при однонаправленном скольжении (см. табл. 1). Разница в значениях износа для подвижного и неподвижного образцов

втабл. 1 объясняется, по-видимому, различиями в условиях теплоотвода.

Впаре трения ЗОХГСА по ЗОХГСА предел схватывания при использо­ вании всех испытанных вариантов смазки существенно выше, чем в паре ЗОХГСА и 40ХНМА (табл. 2). Однако качественно результаты не изме­ нились — наименьший предел схватывания отмечен у ненаполненной смазки ЦИАТИМ-201, наивысший — у смазки, наполненной порошками меди (15%) и фторопласта-4 (5%). Наполнение смазки только медью дает промежуточное по величине значение предела схватывания.

При наличии смазки, наполненной медью и фторопластом-4, в усло­ виях реверсивного скольжения при А = const, руд= const Ah максимально

при f = 8—12 Гц (рис. 3). Амплитуда скольжения слабо влияет на Д/г. С увеличением руд и количества циклов N износ образцов Ат при исполь­ зовании медно-фторопластовой смазки растет значительно медленнее, чем в случае исходной, ненаполненной смазки (рис. 4).

Для выяснения сущности явлений, происходящих при трении напол­ ненной смазки, было проведено исследование поверхностей контакта. Оказалось, что в условиях однонаправленного скольжения при 1,8^

Рис. 4. Зависимость износа Ат образцов из стали ЗОХГСА при трении по стали ЗОХГСА от руд (а) и N (б) при реверсивном скольжении при А — 0,1 мм, f — 16 Гц;

1 — ЦИАТИМ-201; 2 — ЦИАТИМ-201+5% фторопласта-4+15% меди.

МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1979, № 4, с. 611—616

УДК 539.4:678.5.06

В. В. Хитрое, Ю. И. Каторжное

ВЛИЯНИЕ УГЛА АРМИРОВАНИЯ НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ СЖИМАЕМЫХ НАМОТОЧНЫХ СТЕРЖНЕЙ

Имеющиеся данные по экспериментальному исследованию образцов с переменным углом укладки по толщине1 получены в основном на пло­ ских образцах. Напряжения в момент разрушения таких образцов зачас­ тую существенно неравномерны по сечению из-за межслойной сдвиговой податливости2 и локальных кромочных эффектов3. Влияние начальных напряжений в исследованных случаях, как правило, незначительно. Ука­ занные факторы не позволяют получить достоверные оценки усредненных предельных напряжений crzp и ограничивают область использования по­ лученных результатов для определения свойств намоточных стержней.

Целью настоящей работы явилась экспериментальная и расчетная оценка механиз­ мов исчерпания несущей способности трубчатых намоточных стержней с однородной и неоднородной укладкой арматуры по толщине h. Однородной считалась укладка, обра­ зованная намоткой четного числа слоев под углом ±ср к оси стержня. Исследовалось влияние ф в диапазоне 0—60°. Для стержней с укладкой ф= 0 дополнительно изучено влияние рабочей длины I. Неоднородная укладка отличалась от однородной лишь двумя замыкающими по внутреннему и наружному радиусам кольцевыми слоями (±ф +2к). Исключение составляли стержни с ф= 0, которые подматывались одним внутренним кольцевым слоем (0°+1к).

Торцевые части образцов были усилены одним слоем окружной подмотки. В случае Ф = 0 такую подмотку применяли для уплотнения структуры по всей длине / и после полимеризации удаляли. Арматура стержней — стеклонить ВМС-6. Содержание связую­ щего ЭДТ-10 около 20%. Остальные характеристики стержней приведены в таблице. В таблице стержни сгруппированы в соответствии со схемой намотки — однонаправ­ ленные и изготовленные спирально-винтовой намоткой. Данные для неоднородных стерж-

ней следуют за данными для соответствующих од­ нородных. Выбором отношений l/DB, h/DB (DB — наружный диаметр) в основном в диапазонах 1,8—5,0 и 0,035—0,05 достигалось исключение по­ тери устойчивости и уменьшение влияния крае­ вого эффекта в зонах передачи нагрузки.

Во избежание разрушения в опорной зоне стеснения деформаций образцы вставляли в про­ филированные опоры (рис. 1) на глубину DB по скользящей посадке на внутренний стакан. Зазор между образцом и стенкой наружного стакана опоры заливали отверждаемой эпоксидной смолой. Для облегчения последующей разборки опоры с помощью пуансонов стенки наружного стакана, контактирующие со смолой, смазывали силиконо­ вым кремом.

Малые деформации (=^1%) регистрировали тензодатчиками, наклеенными в осевом (2) и окружном (0) направлениях посредине образца, а большие определяли по переме­

щениям тензометрического преобразователя. Для осесимметричности нагружения поло­ жение образца выбирали опытным путем согласно минимальной разнице приращений де­ формаций, отмеченных одинаковыми осевыми датчиками, расположенными на противо­ положных концах диаметра при незначительном нагружении. Сжатие проводили на ис­ пытательной машине ГМС-50 со скоростью нагружения 100—200 кгс/с. Деформация и нагрузка непрерывно записывались на перфоленту при помощи приборов ПЛК-4 и ПЛ-150. Полученные данные обрабатывали на микро-ЭВМ «Ванг».

Однонаправленные стрежни. Деформации ez однонаправленных об­ разцов были линейными до разрушения. Разрушившиеся образцы в боль­ шинстве случаев имели характерный вид «китайского фонарика» (рис. 2) с разделением стержней на ряд отдельных полосок, длина которых была меньше (для наиболее длинных образцов) или равна /. Поперек волокон полоски разрушались лишь на наиболее коротких образцах. Известно4, что в однонаправленном стержне вне зоны опорного стеснения деформа­ ций не существует иных напряжений, кроме осевых. Поэтому исчерпание несущей способности по прочности должно происходить при напряжениях сггр, равных прочности на сжатие Пг~* независимо от /. Однако из рис. 2 видно, что ст2р достигают Пг~ лишь на наиболее коротких образцах. С уве­ личением I значения azp заметно уменьшаются**, что свидетельствует о наличии механизма, связанного с потерей устойчивости.

Предположим, что полоски изолированы и защемлены по торцам. Рас­ четные значения критических напряжений таких полосок с длиной, изме­ ренной на разрушенных образцах, оказались до восьми раз меньше. До­ пущение, что стержень теряет устойчивость в симметричной форме как тонкостенная цилиндрическая оболочка5, приводит к критическим напря­ жениям, до четырех раз большим а2р. Результаты на порядок больше по­ казывает и расчет с позиций потери устойчивости отдельных волокон5. Расхождение во всех случаях увеличивается с повышением I.

Таким образом, результаты не объясняются приведенными расчет­ ными моделями. Можно предположить следующий механизм образова­ ния «китайского фонарика». Разрушению предшествует появление про­ дольных трещин, обусловленных достижением предельных значений ок­ ружными деформациями растяжения, возникающими из-за эффекта

* Прочность на сжатие Пг- = 4500 кгс/см2 определена нагружением продольными усилиями плоских образцов, вырезанных из стенки стержня.

** Подобные результаты при сжатии однонаправленных сплошных образцов из угле­ пластика получены в5.

612

ней следуют за данными для соответствующих од­ нородных. Выбором отношений l/DB, h/DB (DB — наружный диаметр) в основном в диапазонах 1,8—5,0 и 0,035—0,05 достигалось исключение по­ тери устойчивости и уменьшение влияния крае­ вого эффекта в зонах передачи нагрузки.

Во избежание разрушения в опорной зоне стеснения деформаций образцы вставляли в про­ филированные опоры (рис. 1) на глубину DB по скользящей посадке на внутренний стакан. Зазор между образцом и стенкой наружного стакана опоры заливали отверждаемой эпоксидной смолой. Для облегчения последующей разборки опоры с помощью пуансонов стенки наружного стакана, контактирующие со смолой, смазывали силиконо­ вым кремом.

Малые деформации (^1% ) регистрировали тензодатчиками, наклеенными в осевом

(г) и окружном (0) направлениях посредине образца, а большие определяли по переме­ щениям тензометрического преобразователя. Для осесимметричности нагружения поло­ жение образца выбирали опытным путем согласно минимальной разнице приращений де­ формаций, отмеченных одинаковыми осевыми датчиками, расположенными на противо­ положных концах диаметра при незначительном нагружении. Сжатие проводили на ис­ пытательной машине ГМС-50 со скоростью нагружения 100—200 кгс/с. Деформация и нагрузка непрерывно записывались на перфоленту при помощи приборов ПЛК-4 и ПЛ-150. Полученные данные обрабатывали на микро-ЭВМ «Ванг».

Однонаправленные стрежни. Деформации ez однонаправленных об­ разцов были линейными до разрушения. Разрушившиеся образцы в боль­ шинстве случаев имели характерный вид «китайского фонарика» (рис. 2) с разделением стержней на ряд отдельных полосок, длина которых была меньше (для наиболее длинных образцов) или равна I. Поперек волокон полоски разрушались лишь на наиболее коротких образцах. Известно4, что в однонаправленном стержне вне зоны опорного стеснения деформа­ ций не существует иных напряжений, кроме осевых. Поэтому исчерпание несущей способности по прочности должно происходить при напряжениях (jzp, равных прочности на сжатие Пт~* независимо от I. Однако из рис. 2 видно, что aZp достигают П2~ лишь на наиболее коротких образцах. С уве­ личением I значения а2р заметно уменьшаются**, что свидетельствует о наличии механизма, связанного с потерей устойчивости.

Предположим, что полоски изолированы и защемлены по торцам. Рас­ четные значения критических напряжений таких полосок с длиной, изме­ ренной на разрушенных образцах, оказались до восьми раз меньше. До­ пущение, что стержень теряет устойчивость в симметричной форме как тонкостенная цилиндрическая оболочка5, приводит к критическим напря­ жениям, до четырех раз большим <jzp. Результаты на порядок больше по­ казывает и расчет с позиций потери устойчивости отдельных волокон5. Расхождение во всех случаях увеличивается с повышением I.

Таким образом, результаты не объясняются приведенными расчет­ ными моделями. Можно предположить следующий механизм образова­ ния «китайского фонарика». Разрушению предшествует появление про­ дольных трещин, обусловленных достижением предельных значений ок­ ружными деформациями растяжения, возникающими из-за эффекта

* Прочность на сжатие Пг_ = 4500 кгс/см2 определена нагружением продольными усилиями плоских образцов, вырезанных из стенки стержня.

** Подобные результаты при сжатии однонаправленных сплошных образцов из угле­ пластика получены в5.

612