Механика композитных материалов 5 1980

всех материалов составляли В плоскости укладки углы 0, + 45 и —45°. Относительное содержание слоев каждого направления и их расположение по толщине пластины изме­ няли по заданной программе так, чтобы обеспечить широкий диапазон изменения кру­ тильной жесткости. Таким образом, все материалы по своей структуре были распреде­ лены на три группы (см. табл.). Первую группу (I) составляли композиты с наружными слоями, ориентированными под углом ±45° к направлению вырезки образцов, вторую группу (II) — с наружными слоями под углом 0°. Для этих обеих групп отношение числа слоев под углами 45 и 0° равнялось трем. Третью группу (III) составляли угле­ пластики с наружными слоями, ориентированными как и в группе II, под углом 0°, но с обратным соотношением числа слоев под углами 45 и 0°, равным 1/3. В каждой группе материалов при указанном отношении числа слоев варьировалось их суммарное коли­ чество (от 8 до 48), так что толщина образцов изменялась в шесть раз.

Образцы в форме квадратных пластинок вырезали из плит, изготовленных методом прессования пакетов, набранных из слоев однонаправленной ленты ЛУ-3 на связующем 5-211Б. Прессование пакетов проводили при оптимальном режиме, установленном для этого класса материалов. Нагружение пластин осуществляли ступенчато через 0,2 кгс. Точность измерения прогиба пластины под силой была равна 0,01 мм. Отношение длины стороны I пластины к ее толщине h составляло не менее 14. Опирание пластины на опо­ рах в угловых точках на расстоянии от вершин углов, не превышающем 1,5 мм, позво­ лило получить стабильные воспроизводимые результаты.

Значения крутильной жесткости, определенные из эксперимента по замеренному прогибу пластин различной толщины и с разной последо­ вательностью расположения монослоев, приведены в таблице. Там же указаны схемы армирования материалов каждой группы. Им соответ­ ствует угол вырезки пластин ф= 0° к направлению нулевых слоев. Если угол вырезки <р = 45°, то, строго говоря, слоистому материалу пластины не свойственна антисимметричность угловой укладки относительно сре­ динной плоскости: средний слой в материалах I группы ориентирован под углом 45° к стороне квадратной пластины, а остальные слом — под углами 0 и 90°. В этом случае полученные данные соответствуют значе­ ниям крутильно-изгибной жесткости согласно правой части уравнения

(1). Учитывая, что для слоев с направлением волокон под углом 0 и 90° компоненты Ci6= C26 = 0, получим из (3) для материала I группы компо­ ненты £)16 и Z)26, пропорциональные кубу толщины одного среднего моно­ слоя. Для материалов II и III групп при вырезке под углом ф= 45° крайние по сечению слои ориентированы под углом 45° к стороне плас­ тины, и в этом случае компоненты D16 и D26 пропорциональны кубу ее толщины.

Полагая Die = D26 = 0 для материалов I группы, имеем из (2) D*= D66. Для материалов II и III групп значения D66, полученные при испытании пластин, вырезанных под углом ф= 45°, не точны и помечены в таблице соответственно одной и двумя звездочками. В последнем случае расхож­ дение между значениями крутильно-изгибной жесткости D* и крутиль­ ной жесткости D66 наиболее существенно, так как в III группе материа­ лов большее число слоев повернуто под углом 45° по сравнению с мате­ риалами II группы при вырезке под углом ф= 45°

Таким образом, можно положить, что определение крутильной жесткости по замеру прогиба и силы согласно формуле (4) справедливо для материалов I группы при двух углах вырезки квадратных образ­ цов — О н 45°. Для материалов II и III групп строгое определение значения D66 по (4) справедливо лишь при угле вырезки ф= 0°.

В связи с проведенным анализом влияния структуры слоистого мате­ риала на значение крутильной жесткости экспериментальное определе­ ние сдвиговых параметров монослоя т и Go проводили из двух испыта­ ний на кручение пластин I группы, вырезанных под углами 0 и 45°. По­ лагая в (9), (10), (12) структурный параметр a = ai = a 2= l/4 для каждой пластины I группы и учитывая, что h = hx= h2\ l = l\ = l2\ P = Pi =

= Р2; ^2 = ^ 0", ш1= ш45о, а также то обстоятельство, что G0 = G0° = Ggo°, получим для параметра сдвиговой анизотропии монослоя из (11) расчет­ ную формулу

63ш45о —до0°

(17)

63ЭД0° —ш 45°

а для модуля сдвига монослоя при углах 0, 90° — из (13) с учетом (15)

риала по формуле (5) при ф= 0°, не учитывающей неоднородности струк­ туры по толщине пластины. Как видно из (17), (18), для углепластиков I группы можно приближенно положить т = ш45„/ш0О, G0=Gxy при ра­

венстве нагрузок и геометрических параметров испытанной на кручение пластины. Для этой группы материалов значения сдвиговых параметров монослоя т и Go, приведенные в таблице, определяли из двух опытов через замеренные прогибы и ш45°. Обработку данных производили по формулам (11), (13) при различных толщинах пластин, или по (17), (18) — при равных толщинах.

Как видно из сравнения приведенных данных, модуль сдвига моно­ слоя G0 и параметр т не являются постоянными величинами в образ­ цах, вырезанных из плит различной толщины. Их значения, очевидно, зависят от индивидуальных свойств пластин из каждого материала. Наибольшие расхождения в значениях G0 составило 18% для 24-слой­ ных и 32-слойных углепластиков I группы. Для подтверждения некото­ рой изменчивости сдвиговых свойств монослоя в углепластиках первой группы было подсчитано значение параметра А по формуле (12) при испытаниях пластин различной толщины, вырезанных под одним и тем же углом ср = 0. Оказалось, что в этом случае безразмерный параметр А ф \ , и наибольшее его отличие от единицы составило 16% при сравне­ нии данных для пластин со схемами армирования 1-3 и 1-5.

Небезынтересно отметить, что модуль сдвига монослоя Go в среднем по данным таблицы оказался в 1,5 раза выше модуля сдвига однонап­ равленного углепластика в продольной плоскости, приведенного в [3]. Для дальнейшего обоснования полученных значений параметров т и G0 для углепластиков различной толщины были проведены опыты на трехточечное кручение пластин, вырезанных под углом ф= 0° соответст­ венно из материалов с 1-1, 1-4, 1-5, III-1, III-4 и Ш-5 схемами ар­ мирования. Экспериментальные данные для этих материалов обра­ батывались по формулам (11), (13) или (17), (18) при одинаковом значении ai = a2=l/4. При сравнении полученных значений т и G0 из этой серии испытаний (они отнесены в таблице к III группе материалов) с их соответствующими значениями для I группы видно, что для мате­ риалов с одинаковым числом слоев различие в значении параметра т почти исчезает, а расхождение в значении G0 находится в пределах 3—12%. Поэтому при определении модуля сдвига монослоя G0 для ма­ териалов II группы полагалось, что значения параметра т совпадают для углепластиков II и I групп, имеющих одинаковое число слоев. Заме­ ренная величина крутильной жесткости пластин из материалов II группы при угле вырезки ф= 0° позволила определить модуль сдвига монослоя из соотношения (9) при cci = 3/4, которое для этого случая имеет сле­ дующий вид:

Полученные значения G0 для материалов II группы, как видно из таблицы, несущественно отличаются от соответствующих значений для материалов I группы, максимальное расхождение составило 10,5%.

В таблице представлены расчетные значения модуля Gxy, определен­ ные по формулам (16). Там же для двух углов испытаний пластин при­ ведено отношение усредненного модуля сдвига к его фиктивному значе­ нию, определенному из (5). Как видно, из сравнения этих величин, модули сдвига, определенные по предложенной методике, могут сущест­ венно отличаться от их фиктивных значений, полученных по упрощенной методике, не учитывающей изменение угловой ориентации монослоев по толщине композита. Наибольшее отличие имело место для материалов со схемами 1-1 и 1-5 при угле вырезки пластин ф= 45° и для аналогичных по структуре материалов III-1 и Ш-5 при ср = 0°. Для остальных мате­ риалов расхождение в значениях GX1J и Gху^ оказалось меньшим, но не настолько, чтобы им пренебречь. Характерно, что для исследованных материалов ориентация внешних слоев под углом 45° к стороне плас­ тины приводила в расчете к меньшим значениям Gxy по сравнению с GxyФ, и наоборот к большим значениям GX1JФ при угле 0° Эти данные согласуются с анализом о вкладе в крутильную и сдвиговую жесткость свойств монослоев.

В силу всего изложенного для корректного определения эффектив­ ного значения модуля сдвига в плоскости слоистого многонаправленного композита из опытов на трехточечное кручение квадратных пластин не­ обходимы: 1) расчетное определение крутильной жесткости для задан­ ной геометрической структуры материала; 2) экспериментальное опреде­ ление сдвиговых характеристик монослоя. Использование антисиммет­ ричных укладок в косоугольно армированных материалах наиболее рационально для установления связи крутильной жесткости пластин со сдвиговыми параметрами монослоя.

С П И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1. Тарнопольский 10. М., Кинцис Т Я■ Методы статических испытаний армирован­ ных пластиков. М., 1975. 264 с.

2. Гуняев Г М., Жигун И. Г., Дуихин М. И., Воронцов Н. Я-, Якушин В. А., Румян­ цев А. Ф. Зависимость упругих и прочностных характеристик высокомодульных компо­ зитов от схем армирования. — Механика полимеров, 1974, № 6, с. 1019— 1027.

3. Жигун И. Г., Якушин В. А., Таневский В. В., Михайлов В. В. Анализ некоторых методов определения модулей сдвига. — Механика полимеров, 1976, № 1, с. 133— 140.

4. Работное Ю. Н. Прочность слоистых композитов. — Изв. АН СССР. Механика твердого тела, 1979, № 1, с. 113— 119.

5.Исупов Л. И. Метод расчета упругих и прочностных характеристик симметрично армированного композита. — Машиноведение, 1979, № 4, с. 66—70.

6.Чамис К. Влияние механики композитов на методы их испытаний. — Механика композитных материалов, 1979, № 2, с. 248—259.

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

УДК 677:620.193.19

А. X. Курземниекс

ВЛИЯНИЕ ВЛАГИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ОРГАНОВОЛОКНА

В работе [1] были изучены структура и микродеформативные свойства органово­ локна, служащего в основном армирующим элементом в композитном материале. Од­ ним из основных недостатков такого композита является изменение его механических характеристик вследствие поглощения влаги (падает прочность, материал дефор­ мируется).

Поглощение влаги и вызванное им некоторое изменение свойств характерны для многих полимерных материалов, особенно для полимеров, у которых межцепное взаи­ модействие реализуется посредством водородных связей. Это в первую очередь поли­ амиды, в которых Н-связи формируются амидными группами —СО—NH. Органово­ локно (материал СВМ); хотя и является представителем другого класса полимерных материалов, также характеризуется межмолекулярным взаимодействием типа Н-свя- зей, образованных амидными группами. Поэтому о характере влияния влаги на струк­ туру и свойства органоволокна можно судить по литературным данным, касающимся влияния влаги на полиамиды. Амидные группы — свободные или образующие внутриили межмолекулярные водородные связи — являются, по мнению большинства исследо­ вателей, центрами сорбции воды.

В работе [2] предложен трехэтапный процесс водопоглощения. Сначала вода сорби­ руется свободными амидными группами, затем группами, образующими Н-связи, в результате разрыва этих связей, а на третьем этапе сорбция происходит в полимолекулярном слое. Однако авторы не поясняют, что подразумевается под разрывом Н-связей, и не обсуждают конкретного молекулярного механизма водопоглощения. В работе [3] рассматривается обратимое падение значения модуля Юнга Е и изменение характера релаксации напряжения в материалах, содержащих Н-связи, в том числе в полиамидах, в результате водопоглощения. Автор показывает, что модуль Юнга Е связан с эффек­ тивным числом Н-связей на единицу объема N простым соотношением E=kN'h. В изотропном материале И =И 0бщ/3. Понижение Е автор объясняет распадом Н-связей под воздействием воды. Этот распад рассматривается согласно концепции Франка— Вена: распад одной Н-связи инициирует распад других Н-связей в ее окрестности.

Подробный механизм сорбции влаги предложен также в работе [4], согласно кото­ рой в найлонах-2—6 две соседние амидные группы сорбируют три молекулы воды, а в найлонах-8— 12 — одну молекулу воды. В работах [5, 6] исследовано понижение темпе­ ратуры стеклования Те найлона-6 и поликапроамнда вследствие сорбции, что объясня­ ется ослаблением межмолекулярного взаимодействия, приводящим к повышению под­ вижности макромолекул и, следовательно, к понижению Те. Как модуль Юнга, так и Те понижаются по экспоненциальному закону и стремятся к равновесному значению, когда дальнейшее повышение влагосодержания не вызывает изменения этих характе­ ристик. Это объясняется тем, что вода проникла во все доступные для нее области, вступив во взаимодействие с амидными группами, и дальнейшее повышение влагосодер­ жания не оказывает существенного влияния на £ и Тй. Надо отметить, что после насы­ щения значение Tg для найлона-6 понижается на 90%. а Е уменьшается в пять раз.

Доступными для сорбции, по мнению большинства авторов, являются аморфные и мезоморфные области, в то время как в кристаллиты влага не проникает. Однако в ра­ боте [7] рентгенографией установлено, что сорбция влаги вызывает изменение кристал­ лической модификации найлонов-6 и 66 (переход от псевдогексагональной структуры к моноклинной), что свидетельствует о проникновении влаги и в кристаллиты. Данные, указывающие на влияние влаги на кристаллическую структуру неориентированного

лее. многогранным. Измене­ нием межмолекулярного взаимодействия и аморфизацией структуры вследст­ вие этого можно объяснить и характер изменения зави­ симостей а—е. Очевидно, в течение 6 сут вода про­ никла в весь объем волокна,

идальнейшая сорбция

по микродеформатнвности. Как и можно ожидать, с повышением влагосодержания все больший вклад в деформацию образца вносят аморфные области (рис. 3). Аморфизация структуры значительно быстрее происходит при повышенной температуре: 10 мин в кипящей воде оказывают такой же эффект, как 3 сут при комнатной температуре.

Структурные изменения, а также изменения механических свойств, вызванные сорб­

того же уровня, что и после односуточной сорбции. При этом происходит и частичное восстановление кривой а—е (см. рис. 1). Восстановление рефлекса отмечено и при де­ формировании образца, однако после снятия нагрузки рефлекс опять исчезает.

В работе [1] было показано, что аморфные области по своим механическим свойст­ вам и по плотности близки к мезоморфным областям, причем растяжение способствует росту мезоморфных участков объема. Очевидно, и в аморфных областях макромоле­ кулы ориентированы в направлении оси волокна, только по каким-то причинам нару­ шена одномерная решетка, имеющая место в мезоморфных областях (таким представ­ лениям о структуре удовлетворяет вытянутая макроконформация цепей). Можно пред­ полагать, что и в результате водопоглощения аморфизация мезоморфной структуры представляет собой нарушение решетки при сохранении высокоориентированного состоя­ ния. При сушке восстанавливаются водородные контакты между цепями, а тем самым и механические свойства.

Кроме уменьшения интенсивности рефлекса, в результате влагопоглощення проис­ ходит его сдвиг в сторону больших углов (см. рис. 2), что свидетельствует об уменьше­ нии эквидистантных межплоскостных расстояний. Одновременно наблюдалось и про­ дольное сокращение самого образца. Относительные изменения продольного размера образца и межплоскостных расстояний от времени приведены на рис. 4.

В [1] было показано, что после нагружения в материале сохраняется остаточная деформация в масштабе межплоскостных расстояний, и высказано предположение, что в замораживании этих микродеформаций важную роль играет межмолекулярное взаи­ модействие. Возможно, что такие микродеформации появляются и в результате техно­ логии получения волокна (при вытяжке); вследствие поглощения влаги эти внутренние напряжения релаксируют, что приводит к уменьшению межплоскостных расстояний в мезоморфных областях, тем более, что и у высушенного материала с частично восста­ новленной структурой межплоскостные расстояния меньше, чем у исходного материала (см. рис. 2). Видимо, в изменение продольных размеров образца большой вклад вносят аморфные области, так как относительное сокращение образца превосходит уменьшение межплоскостных расстояний.

Влияние водопоглощения на модуль Юнга гораздо меньше, чем у неориентирован­ ных материалов, так как в высокоориентированном полимере Е определяется, главным образом, силами связи в самих цепях, в то время как в неориентированном материале первостепенную роль играет межмолекулярное взаимодействие.

Таким образом, можно предполагать, что описанное изменение структуры и свойств органоволокна являются одной из причин изменения свойств композита вследствие влагопоглощення.

Рис. I. Температурные зависимости напряжения и коэффициента Пуассона от продольной деформа­ ции для ПК. 7 = - 4 0 (/), - 2 0 (2), 0 (3), 20 (4), 40 (5), 60 (б), 80 (7), 100 (8), 120° С (9). □ — ди ­

апазон деформаций для ПК. армированного рубленым стекловолокном.

Рис. 2. Температурные зависимости напряжения и коэффициента Пуассона от продольной дефор­ мации для П12. 7= 2 0 (У), 40 (2), 60 (3), 80 (4), 100° С (5). ▼ — диапазон деформаций для П12,

армированного рубленым стекловолокном.

Зависимости изменения коэффициента Пуассона от продольной деформации для ПК и П12 сходны и имеют ярко выраженные верхнюю и нижнюю границы при р = 0,5 и р=0,35 соответственно. С ростом температуры объемные изменения происходят интен­ сивнее и заканчиваются на все более ранних стадиях деформации. Сходство формы кри­ вых изменения коэффициента Пуассона позволяет, пронормировав их по величине про­ дольной деформации, при которой ц достигает значения 0,5, получить единую кривую, которая показана на рис. 1. При нормировании за базовую была принята зависимость

Существует резкая зависимость предельной деформации, при которой развиваются объемные изменения (е^=0,5). от температуры, причем при температурах ниже 20° С она совпадает с температурной зависимостью при деформации при пределе текучести. Выше 20° С совпадения указанных зависимостей не наблюдается, что, по-видимому, связано со структурными изменениями, происходящими в ПК при деформациях, превышающих eti=o,5. Для П12 совпадения не наблюдается во всем рассматриваемом, диапазоне темпе-

Рис. 4. Температурные зависимости изменения свободного объема от деформации для П12 исходного