Механика композитных материалов 6 1980

а к а д е м и я н а у к л а т в и й с к о й ССР

механика

композитных

материалов

Журнал основан в 1965 г. Выходит 6 раз в год

Представим, что в качестве наполнителя в композите использовано УВ, покрытое оболочкой из более хрупкого материала (подобно окалине на железе). Поскольку удлинение при разрыве оболочки (ер.0) меньше, чем ер.ув, то при испытании композита растяжением или изгибом разру­ шение хрупкой оболочки, разделяющей УВ и матрицу, произойдет при нормальных напряжениях и деформациях, недостаточных для разрыва волокон. Даже в том случае, когда хрупкая оболочка не является сплош­ ной, а закрывает лишь отдельные участки волокна, связь между матри­ цей и УВ нарушится. Волокна наполнителя, плохо связанные между собой, разорвутся при небольших нагрузках, и прочность композита ока­ жется низкой.

При испытании такого композита на сдвиг, когда нормальные напря­ жения и деформации незначительны, прочность зависит от адгезии ма­ териала оболочки к связующему и связи между оболочкой и УВ. Наличие на поверхности волокна хрупкой однородной оболочки в ряде случаев благоприятно сказывается на сопротивлении композита дейст­ вию касательных напряжений. Согласно теоретическим предпосылкам, с увеличением прочности углепластиков на сдвиг должна уменьшаться эф­ фективная длина волокна 2Дф [1]. Принимая во внимание характерный для УВ масштабный эффект (возрастание прочности с уменьшением длины волокна), следовало ожидать, что увеличение сдвиговых харак­ теристик будет сопровождаться возрастанием прочности углепластиков при растяжении и изгибе [2]. Наличие на поверхности УВ хрупкой обо­ лочки может привести к снижению прочности композита при растяжении и изгибе, в то время, когда прочность при сдвиге будет расти.

Примером может служить аномальная зависимость прочности, реали­ зованной при изгибе, от прочности на сдвиг для углепластиков на основе УВ, различающихся температурой получения (рис. 2). Повышение тем­ пературы получения сопровождается ухудшением адгезии УВ к связую­ щему. Прочность при сдвиге углепластиков на основе таких волокон сни­ жается. В этом случае следовало бы ожидать также снижения сопротив­ ления углепластиков действию нормальных растягивающих напряжений. В действительности, как следует из рис. 2, снижение прочности при сдвиге сопровождается возрастанием реализованной при изгибе проч­ ности УВ. В этом случае изучение поверхности УВ с помощью элек- тронно-сканирующего микроскопа позволило обнаружить на ней обо­ лочку, представляющую собой, по всей вероятности, продукты пиролиза. С повышением температуры получения количество продуктов пиролиза на поверхности УВ уменьшается и прочность, реализованная в пластике при изгибе, растет, несмотря на снижение сдвиговых характеристик. Ис-

Рис. 2. Зависимость прочности УВ, реализованной при изгибе углепластиков, от проч­ ности на сдвиг для наполнителя, содержащего на поверхности продукты пиролиза.

Рис. 3. Зависимость прочности при изгибе углепластиков на .основе УВ с обработанной поверхностью от глубины обработки: О — после поверхностной обработки; — после дополнительного травления HN03.

пользование ряда приемов с целью очистки поверхности привело к уве­ личению реализации прочности УВ в композите и, как следствие этого к возрастанию прочности углепластиков в 1,5—2 раза.

Другим примером может служить снижение реализованной в компо­ зите прочности УВ, прошедших поверхностную обработку на воздухе при повышенных температурах. Целью такой обработки является увеличение прочности композита при сдвиге. Прочность на сдвиг действительно уда­ ется повысить в два-три раза, но прочность пластика при изгибе и растя­ жении в отдельных случаях снижается на 15—30%. Можно предполо­ жить, что и при такой обработке на поверхности УВ образуется хрупкая локальная или сплошная оболочка из частично разрушенного углерод­ ного материала, и механизм разрушения композита аналогичен рассмот­ ренному выше. На рис. 3 приведена зависимость прочности композита на основе УВ, прошедшего поверхностную обработку. Мерой глубины обра­ ботки УВ являлась потеря массы. Как видно из графика, с потерей массы происходит снижение прочности углепластиков при изгибе. Одно­ временно испытывали образцы из углепластиков с тем же наполнителем, но подвергнутым после поверхностной обработки травлению в кипящей азотной кислоте в течение 8 ч. После травления жидким окислителем прочность УВ несколько снизилась, а прочность при изгибе углепласти­ ков, упавшая в результате поверхностной обработки УВ на воздухе, вос­ становилась. По-видимому, кипячением в азотной кислоте удалось уда­ лить с поверхности УВ оболочку из частично разрушенного углеродного материала, устранив тем самым причину снижения прочности углеплас­ тиков при изгибе.

Чтобы убедиться в реальности механизма разрушения композита с хрупким покрытием на поверхности волокон, была изготовлена и испы­ тана следующая модель. На чистую поверхность УВ наносили покрытие из карбида кремния (3% от массы волокна). Искусственно созданная на поверхности УВ тонкая оболочка была заведомо более хрупкой, чем само УВ. Прочность УВ с покрытием карбидом кремния практически не отличалась от прочности чистого УВ, но прочность композита при изгибе упала на 30%.

Нами рассмотрено влияние хрупкой оболочки на реализацию свойств УВ в композите при действии нормальных напряжений и деформаций. Встречаются на практике случаи, когда наличие инородной оболочки на поверхности УВ отражается на сопротивлении углепластика касатель­ ным напряжениям. Это легко представить при условии, когда связь между УВ и оболочкой менее прочна, чем между оболочкой и матрицей (Тсдв.о.УВ<СТсдв.м.о) •

Разрушение углепластика с таким наполнителем при испытании на сдвиг будет происходить от сдвига поверхностной оболочки относи­ тельно УВ. Адгезия оболочки к связующему в этом случае не может вли­ ять на прочность композита при сдвиге. Характерным видом разрушения при испытаниях таких композитов на сдвиг методом короткой балки яв­ ляется «смятие», напоминающее «холодное течение металлов». Фор­ мально прочность при сдвиге в таких случаях обычно не превышает 1,5—2 кгс/мм2.

Выше было рассмотрено влияние инородной оболочки, разделяющей УВ и матрицу, ограничивающее реализацию свойств УВ в композите.

Как же реализуются в композите упругопрочностные свойства одно­ родного (без инородной поверхностной оболочки) углеволокнистого на­ полнителя?

Для углепластиков на основе УВ, не имеющих на поверхности ино­ родной оболочки, характерна линейная связь между прочностью при сдвиге и прочностью при сжатии, изгибе и растяжении (рис. 4). Следо­ вало бы ожидать, что с увеличением тСДв до 10— 12 кгс/мм2 при уже до­ стигнутых прочностях УВ 300—400 кгс/мм2 могут быть получены угле-

Рис. 4. Зависимости прочности при изгибе, растяжении и сжатии углепластиков на ос­ нове однородного УВ от прочности при сдвиге.

Рис. 5. Кривая распределения прочности однородного УВ: А — средняя прочность УВ; Б — прочность УВ, реализованная в композите при изгибе.

пластики с прочностью при изгибе, превышающей 230 кгс/мм2. Однако т СДв = 8—9 кгс/мм2, по-видимому, предельное значение прочности на сдвиг для композитов со связующими, имеющими прочность при сдвиге 7 кгс/мм2.

Как уже упоминалось разрушению композита нормальными напря­ жениями должно предшествовать накопление разрывов УВ в узком за­ зоре длиной 2ЬЭф, который на 1,5—2 порядка меньше, чем база стандарт­ ных для УВ испытаний (10 мм). Значения средней прочности УВ и характер распределения прочностей на базе 10 мм и на длине 2БЭфопре­ деляются дефектами разного класса. Такими дефектами на базе 10 мм могут быть различные механические повреждения, тогда как на базе 2ЬЭф значительную роль начинают играть неплотности упаковки, непол­ ная ориентация и т. п.

В связи с этим представлялось важным выяснить степень информа­ тивности данных о прочности УВ, определенной на базе 10 мм, для оценки реализации их свойств в композите. На рис. 5 представлена кри­ вая распределения прочности однородного (без оболочки) УВ, построен­ ная по данным испытаний волокна на базе 10 мм. Точка А на оси абсцисс гистограммы соответствует значению средней прочности УВ, а точка Б — прочности, реализованной в пластике. Реализованная в композите прочность оказалась выше средней прочности УВ и составила 130%- Этот результат не выглядит парадоксальным, если предположить, что прочность, определенная стандартным методом, функционально не связана со свойствами композита. Такое предположение подтверждается следующим опытом.

Образец жгутовой технической нити был разделен на две равные ч&сти, одна из которых подвергалась механическому травмированию. Средняя прочность УВ в результате нанесенных повреждений досто­ верно снизилась. Однако прочности эпоксиуглепластиков, изготовлен­ ных из травмированного и исходного УВ, оказались практически одина­ ковыми (192 и 190 кгс/мм2).

Не связаны между собой и рассеивание прочности УВ и композита. На двух партиях УВ были определены коэффициенты вариации по ре­ зультатам стандартных испытаний, а затем оценивались прочности и ко­ эффициенты вариации изготовленных на их основе углепластиков. Ре­ зультаты этих опытов приведены в таблице, данные которой свидетельст­ вуют об отсутствии корреляции между прочностями УВ и композита, а также между соответствующими коэффициентами вариации.

Выводы. 1. Рассмотрены факторы, влияющие на реализацию свойств УВ в композите.

2.Предложена модель, отражающая механизм разрушения компо­ зита, представляющего собой трехкомпонентную систему (УВ—обо­ лочка— матрица).

3.Показано, что прочность и коэффициент вариации прочности при изгибе и растяжении углепластиков не определяется средней прочностью

икоэффициентом вариации прочности УВ, оцениваемым по стандартным методикам.

4.Высказано предположение, что достигнутый современный уровень прочности эпоксиуглепластиков при изгибе лимитируется сдвиговыми характеристиками матрицы.

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1.Варшавский В. Я. К оценке степени реализации прочности волокна в компо­

зите. — В кн.: Механика композитных материалов, 1977, вып. 1, с. 92—98 (Рига). 2. Конкин А. А. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы. М.,

МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1980, № 6, с. 968—973

УДК 539.2:678.01:541.6

А. И. Губанов

КИНЕТИКА РАЗРУШЕНИЯ ФИБРИЛЛЫ ПОЛИМЕРА

1. Модель фибриллы и общие формулы. Фибриллу полимера можно рассматривать в качестве естественного микрокомпозита, так как меха­ нические свойства аморфных и кристаллических областей фибриллы различны, кристаллическую область можно считать прочной и недеформированной, а процесс разрушения идет в аморфной области.

Модель фибриллы примем такой же, как в работе [1]: имеет место распределение ф0(/) по длинам свободных частей цепей, причем значе­ ния I заключены в интервале lo ^ l^ lm- Без нагрузки длина аморфной области Н = 10. В результате приложения растягивающей силы F при / = 0 аморфная область растягивается до величины Н0 и с течением вре­ мени растет, даже при постоянной F, за счет разрыва некоторых цепей и перераспределения нагрузки на остальные цепи. Цепь закреплена в кристаллитах на некоторой глубине и частично вытягивается из кристал­ литов при растяжении. Пусть расстояние между точками закрепления равно L, а модель упругости цепи к. Тогда сила натяжения цепи

В [1] показано, что заметное разрушение начинается при Я0> / т ; в этом случае сила, растягивающая фибриллу

NQK

где Nо — число проходных цепей в фибрилле. Для упрощения выкладок рассмотрим случай F = const, хотя обобщение на случай переменной нагрузки принципиальной трудности не представляет. Соотношение между F и Но имеет вид

Вследствие натяжения цепей они начинают рваться по теории термофлуктуационной прочности. Согласно [2] вероятность разрыва цепи в единицу времени равна

В результате разрывов функция распределения цепей убывает по

Дифференцируя (2) по t, получаем

dF

dt

откуда, подставляя (5), имеем

V

J ф(/, t)dl

“ t _______io_________________

dH ~

J Ф (/, t)p{l, H) (H -l)d l lo

Если подставить (1) и (4) в (5) и (6), получим систему уравнений для определения Я и <р в функции от t. Однако эта система не может быть решена в общем виде. Даже численное решение затруднено очень резкой зависимостью р от / и Я. Поэтому приходится делать ряд упро­

щений. Безусловно, можно пренебречь 1 в фигурных скобках (4). В ра-

х

боте [2] зависимости In — от а (т — время разрыва цепи, а — напряже­ но

2D

ние) близки к линейным. Это дает основание в (4) заменить 1 + 1п^ -на

константу. Приемлемость такой замены подтверждается и числовыми оценками. Подстановка (1) в (4) дает

При t-*-tmH—>-оо, т. е. tm — время разрушения фибриллы под действием постоянной нагрузки.

Подстановка (7) и (9) в (5) и интегрирование этого уравнения по t и / дают долю неразорвавшихся цепей

3. Модель II: <p0(/)= con st при /0< / < / т . Такое прямоугольное рас­ пределение довольно хорошо описывает распределение по длинам сво­ бодных отрезков цепей, полученных в [1] на основании эксперименталь­

ных данных для лавсана. При этом <р0= 1/(/т — Аз) • Используя (7), решение уравнения (5) можно представить в виде

Заметим, что в представляющей интерес области значений исходных