Основы создания полимерных композитов

In/Q,

Рис. 21. Температурно-временная зависимость вязкости разрушения компо­ зитов в среде 10%-го раствора НС1:

температура среды К : / - 293,2- 323, 3 - 353

Рис. 22. Зависимость вязкости разрушения композитов от температуры дистиллированной воды после 12 мес экспозиции

InKQ

УЛИ

МБ

лвв-сп

лавсан

Рис. 23. Зависимость вязкости разрушения композитов

от температуры 10%-го раствора NaOH после 12 мес экспозиции

251

Рис. 24. Зависимость вязкости разрушения композитов от температуры 5%-го раствора HCI после 12 мес экспозиции

Представленная на рис. 2 2 -24 зависимость InKQ- Г,К показы­ вает довольно низкую чувствительность композиционных материа­ лов к повышению температуры агрессивной среды после 12 месяцев экспозиции. Так, максимальная потеря величины KQ от воздействия наиболее активной из рассматриваемых здесь сред - 10%-го раствора NaOH на наименее стойкий к его воздействию композит ПН-15+МБ составляет 20% при повышении температуры от 293 до 353 К (рис. 23). Композиционные материалы наиболее чувствительны к росту температуры в среде 5%-го раствора НС1, наименее - в 10%-м растворе NaOH. В дистиллированной воде наибольшей стойкостью к воздействию повышенных температур обладают композиционные материалы ПН-15+МБ и ПН-15+ЛВВ-СП. Самая высокая скорость падения значения KQ наблюдается у композита ПН-15+УТМ-8 (рис. 22). В щелочной среде повышение температуры раствора боль­ ше всего сказывается на стойкости композитов ПН-15+МБ и ПН-15+УТМ-8 (рис. 23). В среде 5%-го раствора НС1 наибольшей стойкостью к воздействию температурного фактора обладают ком­ позиты ПН-15+лавсан и ПН-15+УТМ-8, а наименьшей - ПН-15+ЛВВ-СП (рис. 24).

Проведенный анализ показывает, что наибольшую универсаль­ ную стойкость к воздействию эксплуатационных факторов (без учета нагрузки) имеют композиционные материалы ПН-15+лавсан и ПН-15+ЛВВ-СП. По стойкости в щелочной среде и при повышенных температурах в кислой к ним приближается композит ПН-15+УТМ-8, а в дистиллированной воде - ПН-15+МБ.

Оценка влияния состояния на трещиностойкость композицион­ ных материалов в агрессивной среде проводилась на образцах, испы­ тавших длительное воздействие дистиллированной воды, темпера­ туры и постоянной нагрузки (Р„).

Было задано три уровня постоянно действующей нагрузки на композит: Р„ = 0,10PQ\ Р„ - 0,15/^; Рн = 0,30/^ , где PQ- нагрузка в

252

момент страгивания трещины-надреза в образце композиционного материала.

Результаты исследований представлены в табл. 10 и рис. 25 - 32. Анализ температурно-временной зависимости коэффициента KQ

и его зависимости от уровня нагрузки показал, что после 12 месяцев экспозиции композиты ПН-15+ЛВВ-СП и ПН-15+УТМ-8 менее всего подвержены воздействию постоянно действующей нагрузки в задан­ ном диапазоне температур сред.

Сопоставление воздействия на вязкость разрушения композици­ онных материалов нагрузки Рн = 0,15 PQ и повышенных температур показывает, что только один композит ПН-15+МБ менее стоек к воз­ действию постоянно действующей нагрузки, чем к температуре. Это объясняется самым низким уровнем значения К0 у данного стекло­ пластика (0,4 Н/мм3/2) по сравнению с другими материалами, приво­ дящего к зарождению трещины при Рн= 0,15 PQ, так как у композита ПН-15+МБ Р0 » 0,13 -г 0,14 PQ(Р0 - нагрузка в момент зарождения трещины в образце композита), что еще больше повышает напряжен­ ное состояние в окрестности вершины трещины надреза, ужесточая тем самым условия экспозиции материала в дистиллированной воде.

Воздействие более высокого уровня нагрузки (0,30 PQ) больше сказывается, чем воздействие повышенных температур, на снижении трещиностойкости композитов ПН-15+МБ и ПН-15+ лавсан. У ком­ позита ПН-15+лавсан это связано с армирующим матом, обладаю­ щим низкими прочностными характеристиками, но придающим эла­ стичность композиту в условиях повышенных температур.

Воздействие нагрузок и высоких температур на препрег ППМ-15 + СХ одинаково сказывается на его интенсивности падения вязкости разрушения.

InKQ

Рис. 25. Зависимость вязкости разрушения композитов от уровня действующей нагрузки после 12 мес экспозиции вдистиллированной воде при 293 К

253

InKQ

Рис. 26. Зависимость вязкости разрушения композитов от уровня действующей нагрузки после 12 мес экспозиции вдистиллированной воде при 323 К

ln*fl

Рис. 27. Зависимость вязкости разрушения композитов от уровня действующей нагрузки после 12 мес экспозиции вдистиллированной воде при 353 К

1пЛе

Рис. 28. Температурно-временная зависимость вязкости разрушения компо­ зита ПН-15+ЛВВ-СП вдистиллированной воде при трех уровнях нагруже­ ния: Рнравно: О PQ(1- 293 К, 4 - 323 К, 7 - 353 К), 0,15 PQ {2- 293 К,

5 - 323 К, 8 - 353 К), 0,30 P Q (3 - 293 К, 6 - 323 К, 9 - 353 К)

254

InKL,

Рис. 29. Температурно-временная зависимость вязкостиразрушения компо­ зита ПН-15 + лавсан в дистиллированной воде притрех уровнях нагружения:

InKQ

Рис 30. Температурно-временная зависимость вязкостиразрушения компо­ зита ПН-15 + МБ в дистиллированной воде притрех уровнях нагружения: Рнравно: 0 PQ (У - 273 К, 4 - 323 К , 7- 353 К), 0,15 PQ (2- 273 К, 5 - 323 К, 8 - 353 К), 0,30 PQ (3 _ 273 К, 6 - 323 К , 9- 353 К)

255

In KQ

Рис. 31. Температурно-временная зависимость вязкости разрушения компо­ зита ППМ-15 + СХ в дистиллированной воде притрех уровнях нагружения:

InKQ

Рис. 32. Температурно-временная зависимость вязкости разрушения компо­ зита ПН-15+УТМ-8 в дистиллированной воде

при трех уровнях нагружения:

Рнравно: 0 PQ (1 - 273 К, 4-323 К, 7-353 К), 0,15 PQ (2-213 К, 5 - 323 К,

8 - 353 К), 0,30 PQ(J_ 273 К, 6- 323 К, 9- 353 К)

256

С учетом временного фактора, в течение которого композит подвергается одновременному воздействию дистиллированной воды, высокой температуры и нагрузки, оптимальным (из рассмотренных здесь материалов) для данных эксплуатационных условий является стеклопластик ПН-15+ЛВВ-СП. Кроме него, высокой стойкостью к воздействию эксплуатационных факторов при 293 - 323 К обладает композит ПН-15+УТМ-8, при 323 - 352 К - композит ПН-15+МБ, а при 353 К - композит ПН-15+ лавсан.

Выбор оптимальной структуры материала практически невозмо­ жен без анализа поведения различных стеклопластиковых компози­ ций в реальных эксплуатационных условиях. Представленные выше подходы оценки степени воздействия эксплуатационных факторов на параметры трещиностойкости композиционных материалов требуют сравнительно длительного периода времени, что, естественно, растя­ гивает сроки ввода промышленных установок и изделий на основе стеклопластиков в эксплуатацию. Поэтому разработка экспресс-ме­ тода оценки трещиностойкости композиционных материалов весьма актуальна.

Ускоренные методы оценки трещиностойкости композиционных материалов в условиях воздействия эксплуатационных факторов с позиций механики разрушения проводились по методике, разрабо­ танной на основании "Методических рекомендаций по ускоренной оценке работоспособности КССП и ТП" [121]. Форма и размер об­ разцов соответствовали форме и размеру образцов, описанных в ме­ тодике экспериментальной оценки K Q и K Q стеклопластика (см. гл. 2) В качестве агрессивной среды использовали дистиллированную воду. Образцы подвергались малоцикловому усталостному нагружению. Максимальная температура цикла составляла 0,25 К при коэффици­ енте асимметрии, равном нулю, частота нагружения образцов - 14 циклов в минуту, а продолжительность циклического нагружения об­ разцов - по 12 ч в сутки. Определение значений остаточной трещи­ ностойкости проводилось при заданном числе циклов нагружения по методике, описанной в гл. 2.

Результаты исследования вязкости разрушения композиционных материалов после циклического нагружения представлены в табл. 11.

Статистическая оценка представленных результатов показала, что процесс изменения трещиностойкости исследованных материалов имеет тот же характер, что и при статических испытаниях. Зависи­ мость значений KQ от параметра N композиционных материалов имеет вид:

где N - число циклов нагружения образца.

257

Таблица 11

Показатели вязкости разрушения композиционных материалов после циклического нагружения в дистиллированной воде

258

Одинаковый характер процесса изменения трещиностойкости материалов дает возможность установить взаимосвязь результатов длительных статических и усталостных испытаний, связывая урав­ нения (4.54) и (4.58). Прологарифмируем эти выражения:

nr\.KQXi-\x\.KQXb BxXt,

[\nK QJ(N =ln K Q U - B xXN

Пусть при статических испытаниях композиционного материала в течение Т времени при определенных значениях температуры и PJPQ получено значение трещиностойкости KQX* Тогда

Уравнение (4.54) примет вид:

259

Таблица 12

Количество циклов при усталостных испытаниях композиционных материалов в дистиллированной воде, соответствующее 12-месячным статическим испытаниям

При KQX, - KQXNсоотношений (4.58) и (4.60) получаем:

260